Держи ось по ветру

Danish Smock mill from 1895

at Sønderho, Fanø, with fantail

Мельницы стремились быть похожими не только на самолёты, но и на вертолёты тоже. Маленькое ветровое колесо, которое я прежде упоминал, похоже с точностью до наоборот, как говорят математики, на рулевой винт вертолёта. Рулевой винт, устанавливаемый на хвосте одновинтового вертолёта, создаёт воздушный поток, который препятствует вращению вертолёта вокруг оси главного винта. Вертолёт вращает главный, несущий винт в одну сторону, а сам вертолёт, в соответствии с законом сохранения момента импульса, стремится повернуться в другую сторону. Чтобы этого не происходило, на хвосте устанавливают дополнительный маленький винт.

Поворотный винт ветряной мельницы (fantail по-английски), напротив, вращается от воздушного потока и стремится повернуть крышу мельницы с основным ветряным колесом. Винт будет поворачивать мельницу до тех пор, пока ветер дует через его плоскость. Когда направление ветра совпадёт с плоскостью винта, ветер перестанет вращать поворотный винт, он остановится, а за ним и мельница. Поскольку поворотный винт перпендикулярен основному ветряному колесу, при установившемся положении мельницы ветер будет дуть прямо на главное колесо, а мельница сама по себе всегда будет наилучшим образом повёрнута к ветру.

Такое простенькое изобретение было запатентовано Эдмунтом Ли (Edmund Lee) в 1745-м году в Англии. Почему так поздно? Во-первых, конструкция не такая простая, как можно подумать, исходя из её описания. Если вернуться к чертежу из Брокгауза (внизу), то при желании можно рассмотреть, что в ней используется три разных вала с зубчатыми передачами между ними. Все эти элементы требуют точности изготовления и работают под большой нагрузкой (башня тяжёлая), что делает их дорогими.

Второе обстоятельство несколько спорное, и, наверное, поэтому поворотные винты имели ограниченное распространение. Значительная часть голландских мельниц по старинке поворачивалась вручную, с помощью штурвалов (очень похожих на корабельные). В тоже время, поворотные винты всё же устанавливались на некоторые мельницы, особенно за пределами Голландии.

С одной стороны, поворотное колесо избавляет от необходимости ворочать мельницу вручную, но, с другой стороны, оно само поворачивает мельницу слишком часто, даже при незначительном изменении направления ветра. Нужны ли такие повороты? Правильная ориентация по ветру даёт наибольший энергетический выход, но мы ведь помним, что опасен избыточный ветер, а не слабый. Мельницы строились с запасом парусности. Так что, небольшое отклонение направления ветра от оптимального могло быть даже полезным. В любом случае человеку надо было следить за режимом работы мельницы, полностью автономными их нельзя было оставлять.

Более того, поворот мельницы, если изменение направления ветра было кратковременным, мог сократить отдачу от ветра. Причина тому -- всё тот же закон сохранения момента импульса. Дело в том, что в соответствии с ним, вращающееся тело сохраняет не только скорость своего вращения, но и направление оси вращения. Поэтому волчок, забава детства, стоит на столе, не падает, пока не остановится. Для того, чтобы изменить направление оси, нужно приложить силу и потратить энергию.

"Аллигатор"

Ветряное колесо, это волчок, гироскоп, причём массивный, сохраняющий большое количество энергии вращательного движения. Например, поворот колеса на 180° равносилен изменению направления его вращения на противоположное. То есть, на такой поворот надо затратить удвоенную энергию вращения колеса. Остановить колесо, а затем закрутить его в противоположную сторону. Если часто поворачивать массивное колесо, оно и вовсе перестанет вращаться, будет только дёргаться туда-сюда. Поэтому маневренные вертолёты стараются делать двухвинтовыми, хотя такая конструкция намного сложней одновинтовой. Суммарный момент импульса двойного винта нулевой (винты вращаются в противоположных направлениях), и маневр даётся малой силой.

Конечно, всё это можно отрегулировать, поворотное колесо будет работать, но велик ли выигрыш? Вопрос. Кроме того, каждый поворот массивного деревянного сооружения, это удар по его долговечности. Стало быть, надо делать его прочнее, то есть, массивнее. А чем массивней, тем большее усилие к нему надо прилагать, и так далее...

Назад

К оглавлению

Вперёд