О борьбе с уклонизмом

Поворотное колесо, о котором я прежде писал, изобретение заметное, хитроумное, но не особенно полезное. По крайней мере, без него обходились вплоть до 1745-го года, да и потом использовали не всегда. В истории эмпирического развития ветряных мельниц случались куда более полезные, но менее очевидные для стороннего глаза изобретения.

Если у кикладских (средиземноморских, как их чаще называют) мельниц крылья представляли собой самые настоящие паруса, то крылья атлантических мельниц с самого начала делались из деревянных планок, обтянутых тканью. По форме они представляли собой сильно вытянутый прямоугольник, наклонённый по направлению к ветру.

Крыло атлантической мельницы

Прежде я рисовал схему, на которой объяснялся принцип работы ветрового колеса (Рис. 1). В той схеме я предполагал, что колесо покоится, но это же не так! В левой части рисунка 3 изображена ситуация, когда колесо движется. Синяя стрелка показывает движение частицы ветра, а красная -- перемещение лопасти ветрового колеса за тоже самое время, которое двигалась частица ветра. Если колесо движется достаточно быстро, то частица ветра, достигшая плоскости входной кромки ветрового колеса над лопастью, пройдя весь путь до плоскости выходной кромки так и не встретит саму лопасть. Та успеет отскочить в сторону, уклониться. С точки зрения частицы ветра лопасть колеса повёрнута вдоль направления её движения. Лопасть с точки зрения ветра изображена на рисунке пунктиром. Таким образом реализуется принцип относительности Галилея.

Рис. 3. Угол атаки ветрового колеса

Если вернуться к рисунку 1, то станет ясно, что при таком положении лопасти на неё будет действовать только осевая сила (да и то слабая), окружной не будет вовсе. Стало быть, и колесо не будет ускоряться. Более того, если скорость вращения колеса будет ещё выше, как в правой части рисунка 3, то лопасть как бы уклонится в другую сторону, а колесо начнёт тормозиться.

Поэтому, угол наклона лопасти к ветру, угол атаки, следует выбирать с учётом скорости вращения колеса. Чем большей скорости мы хотим достичь, тем больше нужно делать угол атаки, приближая положение лопасти к перпендикулярному по направлению к ветру. Чтобы лопасть не успела уклониться. Но если мы сделаем угол атаки прямым, то колесо тоже не будет вращаться, превратившись для ветра в простую стенку. Поэтому угол атаки должен быть меньше 90 градусов. Причём, заметно меньше.

Ведь если угол атаки будет большим, то в соответствии с Рис. 1 почти вся сила давления ветра пойдёт на создание никому ненужного осевого усилия. Поэтому создатели лопасти зажаты между Сциллой и Харибдой. Малый угол атаки не позволяет развить большой скорости колеса, а большой сводит всю работу ветра к созданию вредного осевого усилия.

И всё бы ничего, если бы колесо не было бы круглым, а это значит... Скорость перемещения участка крыла (та самая скорость лопасти, которую мы рассматривали) зависит от его расстояния до центра колеса. Это очевидно из рисунка крыла в начале поста. За одно и тоже время участок, расположенный ближе к центру колеса, проходит меньший путь, чем более удалённый. Поэтому, при одной и той же скорости ветра скорость крыла будет разной на разных расстояниях от центра. А это значит, что и угол атаки должен быть разным по длине крыла, ведь он зависит от скорости перемещения лопасти, как мы только что выяснили.

Правильное крыло мельницы закручено. Ближе к центру угол атаки острее, а на краях колеса лопасть располагается почти плашмя к ветру. Художники часто изображают всё крыло под прямым углом к ветру, так им проще, но это неверно. Такая мельница крутиться не будет. Вот у Брокгауза и Ефрона нарисованы правильные мельничные крылья, с закруткой.

Когда строители мельниц научились закручивать им крылья, мы не знаем, но похоже на то, что они так делали с самого начала, с самых первых ветровых мельниц. В противном случае от мельниц не было бы никакого толку. Выходит, закрученные крылья изобрели разом? Как же тогда быть с эволюцией? Ну, иногда что-то получается и с первого раза, но вероятнее выглядит иное предположение. Ключевым для него является эпитет ветровая.

До ветровых мельниц, как мы помним, существовали водяные. Первое упоминание о водяной мельнице относится к III веку до н. э. Причём это была мельница с водяным колесом, расположенным горизонтально. Вода на такое колесо подавалась сверху, а его принцип работы был такой же, как и у ветровой мельницы с вертикальным колесом. Вода куда более плотная среда, чем воздух, и за её течением намного проще наблюдать. Эти наблюдения и могли привести к изобретению принципа закрутки лопасти турбины.

Сколько веков для этого потребовалось, мне не известно, но время было; водяные мельницы с турбиноподобным колесом строились с тех самых пор непрерывно. Такое водяное колесо проще чем вертикальное, оно не требует большого перепада воды, ему не нужен редуктор (жёрнов может быть просто насажен на ось). Если только не беспокоиться об эффективности работы колеса. А если побеспокоиться, то можно сделать такое изобретение, как закрученная лопасть; сделать первый шаг к созданию механики сплошных сред.

И в качестве бонуса видео о том, к каким результатам приводит работа изобретателя, не обременённого излишними познаниями и средствами, но нуждающегося в в быстром результате. Очень поучительно и по теме. Здесь затронута и тема турбин, и тема исторически создающейся прикладной науки. Смеяться не над чем. Оно работает уже два года! Диаметр турбины 65 см. Только настоящие учёные пользуются сантиметрами.

Назад

К оглавлению

Вперёд