Первоинженер

Джон Смитон,
на фоне маяка собственной конструкции.

Завершая обзор нововведений XVIII-го века, следует упомянуть человека, который хотя и не сделал никакого заметного изобретения для ветряных мельниц, но чей вклад в молинологию* в общем и в теорию ветряных мельниц в частности определил дальнейшее развитие инженерного дела в этой области. Его имя Джон Смитон (John Smeaton). Сам он себя называл "первый в мире гражданский инженер", имя гордое и не лишённое оснований. И прежде случались инженеры, но они больше специализировались по военной части: в строительстве фортификаций, в создании систем вооружений. На гражданке же преобладала традиция, не требующая привлечения инженерного труда, но времена менялись, конкуренция поджимала.

Как несложно догадаться, родители Джона не были гражданскими инженерами. Его папа был юристом, а мама -- простой англичанкой. Их сыну была уготована карьера юриста. По счастью, он её отверг, иначе мы бы о нём ничего не знали, ведь юристов в Англии к тому времени было как их в России теперь, а инженеров - почти как инженеров. Поэтому Джонни сделал правильный выбор, когда по окончании начального курса юриспруденции, в возрасте осемнадцати лет, ушёл к часовому мастеру осваивать ремесло изготовления точных приборов.

Спустя шесть лет, 1748-м году (по другим данным в 1750-м), он уже обзавёлся собственной мастерской в Лондоне. Дела первого инженера шли не просто хорошо, но превосходно. Он быстро завоевал популярность, почёт и уважение; был близок к Королевскому научному обществу, к его мнению прислушивались не только в вопросах инженерных, но и чисто научных. Среди его практических работ наибольшую известность имеют постройки, а главная среди них -- маяк в Эдистоне (1759-й год), который хотя и выведен из эксплуатации, но как памятник науки и техники перемещён в безопасное место (скала под ним грозилась обвалиться), существует до сих пор и открыт для посетителей. Значение этого маяка в том, что при его строительстве Смитон изобрёл и применил особый водостойкий цемент, предтечу портландцемента, основы современного бетона. Так что, все бетонные сооружения, которые можно видеть вокруг, обязаны своим существованием изобретению Джона Смитона. Впрочем, в таком заявлении есть некоторое преувеличение, честнее говорить лишь об одном приоритете в изобретении цемента, застывающего под водой.

Что же касается его теоретических работ, то самая важная из них напрямую относится к нашей теме. Он закончил её в том же году, когда был построен его маяк. Сам Джон Смитон был в то время уже в солидном возрасте -- 35 лет. Название этой работы: "Экспериментальное исследование естественной мощности воды и воздуха, движущих мельницы и другие машины, основанные на вращательном движении".

Титульный лист работы Смитона о мельницах.

Любопытно, что при проведении этой работы Смитон использовал ту же методику, которая помогла ему изобрести водостойкий цемент. Да и работы эти проводились в одно и тоже время; вот только на постройку маяка было потрачено 3 года, а на исследование мельниц -- семь лет.

Для того чтобы получить свой цемент, Смитон смешивал ингредиенты, постепенно меняя концентрацию каждого. Таким образом, он как бы заполнял смесями некие таблицы или матрицы комбинаций ингредиентов со всеми возможными концентрациями. Затем определял свойства полученных смесей и принимал во внимание наиболее удачные. Примерно так же он поступил и с мельницами.

Основная часть книги Смитона посвящена водяным мельницам, их я не буду касаться, тем более, что любой желающий может сделать это самостоятельно: манускрипт легко найти в сети интернет. Письменный английский XVIII-го века почти не отличается от современного, разница в научно-технической терминологии также невелика, но уже создаёт некоторые трудности в понимании. Хуже всего сам стиль изложения, очень далёкий от современного, сложившегося к прошлом веке. Так, например, формулы как таковые там отсутствуют, а рисунки действительно рисунки, но совсем не чертежи. С другой стороны, чтение необычного сочинения само по себе может составить развлечение для пытливого ума.

Обратимся к ветряным мельницам. Ниже приведён рисунок экспериментальной установки Смитона для их исследования. Перед исследователем стояла задача не только построить модель мельницы, но также создать искусственный, управляемый ветер и обеспечить возможность точных замеров, для чего и была создано такое хитроумное устройство. Смитон отмечает своих предшественников, гг. Элликота и Б. Робинса (Ellicott, B. Robins), которые прежде использовали подобные машины для симуляции потока ветра. Использовались они и после Смитона, братьями Лилиенталь, например. Только на рубеже XIX-XX-го веков для получения искусственного ветра на смену ротационным машинам пришли привычные ныне аэродинамические трубы.

Экспериментальная установка Джона Смитона для определения свойств ветряных мельниц.

Ветер здесь создаётся за счёт движения вокруг оси установки ("D"-"E") рычага ("F"-"G") с моделью крыльчатки мельницы на своём конце. Рычаг вращается с помощью верёвки, приводимой в движение рукой экспериментатора. Регулируемый маятник-метроном, обозначенный на схеме буквами "X" и "V", служит для ручной установки желаемой скорости вращения рычага (на глазок). Груз, подвешенный на блоках, прикладывает нагрузку на мельницу. Вес груза и высота, на которую он поднимается за время, отсчитанное метрономом, определяет работу, произведённую мельницей за тоже время.

Внешне несложное устройство в действительности требовало больших усилий для своей эксплуатации. Нужно было быть предельно аккуратным, чтобы получить правильный результат, а ведь Смитону предстояло провести множество замеров. Он менял угол наклона парусов, брал разные рифы, варьировал скорость "ветра", нагрузку, менял размер крыльев и направление крыльчатки по ветру. Полученные результаты сводил в таблицы, одна из них ниже:

Таблица результатов 19 экспериментов.

Но это было только полдела, если не меньше. Полученные таблицы предстояло проанализировать и сделать выводы. Смитон назвал свои выводы максимами. В наше время на месте максим должны были бы быть формулы, но тогда в моде был повествовательный стиль. Приведу две из них, которые представляются мне наиболее любопытными.

Третья максима: The effects of the same sails at a maximum are nearly, but somewhat less than, as the cubes of the velocity of the wind.

Говоря современным языком, при неизменной конфигурации мельницы максимальная мощность, которую удаётся с неё снять, меняется чуть слабее, чем куб скорости ветра. На языке формул это будет примерно так:

P_max ~ Vⁿ; n<3, где  P_max- максимальная мощность, V - скорость ветра

Примерно потому, что nearly, but somewhat less непереводимо на язык формул. Полтораста лет спустя этой максиме, эмпирически полученной Смитоном, было получено теоретическое обоснование, которое утверждает, что степень при скорости ветра не меньше, но точно равняется трём. В принципе Смитон ошибался, но благодаря отточенности его формулировок нельзя сказать насколько сильно он ошибался. Таково преимущество повествовательного стиля изложения научной работы. Говоря серьёзно, Смитон -- молодец, он угадал кубическую зависимость, ведь в противном случае он мог бы просто сказать, что степень при скорости ветра больше двух (что было точно им установлено); и в тоже время он не занимался подгонкой результата, заявляя то, что получилось.

Восьмая максима: The effects of sails of similar figure and position, are as the square of  the radius.

То есть, мощность, производимая подобными мельницами в подобных условиях, пропорциональна квадрату радиуса их колес.

P ~ R², где  P - мощность, R - радиус крыльчатки

Эта максима также находит и теоретическое, и практическое подтверждение, а значение её трудно переоценить. В других своих экспериментах Смитон показал, что увеличение площади парусности крыльев при при одной той же их длине имеет свой предел в снимаемой с мельницы мощности. То есть, если полностью загромоздить крыльчатку парусами, то её мощность упадёт по сравнению с частично завешенной. Похоже на тот парадоксальный факт, что многомачтовому паруснику иногда выгоднее идти не попутным ветром, но под углом к нему. Короче, если вам нужно увеличить мощность мельницы, то придётся увеличить длину её крыльев, дополнительные крылья той же длины для этой цели практически бесполезны.

Семь лет кропотливой, однообразной работы и блестящий результат. Нужно было быть особым человеком, чтобы справиться с таким заданием. Вероятно, сказалось юридическое происхождение Смитона. Его труд стал капитальным для строителей мельниц вплоть до ХХ-го века. Книга разошлась по миру во множестве экземпляров, от чего мы имеем её теперь в такой превосходной сохранности. Настольный справочник, поваренная книга мельника.

____________________________________________________
* молинология -- наука о мельницах.

Назад

К оглавлению

Вперёд