Экономика должна быть экономной

Шатровая мельница в Манчестере.
Википедия.

Перелистывая материалы к этим заметкам, наткнулся на цитату Карла Маркса: «Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он оставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» (К. Маркс. «Машины: применение природных сил и науки»). Найти саму работу в свободном доступе мне не удалось, это отрывок из рукописи, давно уже никому не нужной, только вот эта цитата кочует из реферата в реферат. Цитата, которая лишний раз показывает нам каким засранцем был основатель диалектического материализма.

Оставим в стороне пассаж с опрокидыванием, которое, якобы, не могли побороть четыре сотни лет к ряду, пока некий фламандец не додумался. LOL. Дело в этом самом фламандце. Якобы есть некие засранцы, которые выковыривают из своей задницы золото, гениальные идеи, которые меняют жизнь. Проблема, самокритично описанная дедушкой Фрейдом. Впрочем, я уже описал про такой подход в посте против Бердяева, не хочется повторяться. Разумеется, идея поворачивать одну только ось с крыльчаткой приходила каждому из тех, кому приходилось ворочать мельницу целиком. Более того, многие из них наверняка придумывали вполне работоспособные конструкции, но никто ничего не делал, до поры, до времени. Тому были две причины.

Во-первых, для усовершенствования не было нужды. Ворочать мельницу было не так уж и трудно, а мельник, часто с помощником, были при ней всегда во время её работы. Хотя бы затем, чтобы муку не спёрли. Здоровенные мужики, таскавшие зерно тоннами. Поэтому козловые мельницы благополучно прожили до XX-го века. Во-вторых, усложнение конструкции неизбежно привело бы к её удорожанию и, как следствие, к снижению прибыли. Ветряк должен быть как можно более дешёвым, ведь его стоимость входит в стоимость конечного продукта, которая ограничена конкурирующим предложением на рынке. Этот принцип не только дожил до наших дней, но и стал главенствующим.

Для усложнения конструкции требовалась серьёзная причина. Как утверждает в своей книге историк техники Ричард Лесли Хиллз (Richard Leslie Hills), первая мельница с неподвижной каменной башней была описана в 1295-м году констеблем Дувра. "et in uno molendino ventrico de petra de nuvo construendo in dicto castro" (какой XVI век, какая Фламандия?) Мельницы с каменными башнями получили широкое распространение во Франции, затем в Англии и Нидерландах. В книге есть рисунок XVI века с подробным устройством такой башни с рычагом поворачивающим коническую крышу с помощью лебёдки. Это большой, сложный и совершенный механизм. Автор прозрачно указывает на причину трансформации мельниц.

В средние века, как, впрочем, и намного позднее, северо-запад Европы был ареной непрекращающихся войн. В ходе сражений мельницы подвергались разрушению. Каменные башни, на самом деле, что ясно из их расположения относительно других оборонительных сооружений, сами были частью фортификации (на это указано уже в заметке констебля). Хиллз отмечает как изменилось местоположение мельниц на картах; они передвинулись из полей к городам. То есть, каменные башни были сторожевыми постами на верху которых были установлены деревянные мельницы, а мельничный механизм помещён внутрь башни.

Тем самым экономическая проблема была решена. Сторожевые башни получили гражданскую функцию, которая частично оправдывала расходы на их постройку и содержание, а мельницы стали лучше защищены от нападения. Кроме того, они теперь имели куда более прочное основание (пост), что позволяло увеличить размах крыльев и, стало быть, мощность на валу. То есть, принципиально конструкция не изменилась, но количественные изменения перешли в качественные, как говорил Энгельс, спонсор Карла Маркса.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Стой, пока ветер не переменится

Козловая мельница.
Средневековый рисунок.

Практически в одно и то же время с кикладскими мельницами похожие машины появляются на противоположном краю Западной Европы, по обоим берегам Ла-Манша; на востоке Англии, севере Франции и во Фландрии. Совпадение? Не думаю... В 1088 году в Болоньи открывается первый университет. Где-то на рубеже XI-XII начинает работу тот самый Оксфордский университет, где хранится список книги Герона, сделанный в XVI веке. Дело даже не в этой книге, а в том, что начинается просвещение как таковое, люди интересуются не одними только богословскими трудами, и технические знания распространяются с невиданной прежде быстротой.

Историк техники Линн Таунсенд Вайт (Lynn Townsend White) утверждает, что первая ветряная мельница на северо-западе Европы появляется 1189 году в местечке Уидли, Йоркшир (Weedley, Yorkshire). Насколько я понял, от этого селения теперь осталась только пара топонимов. От мельницы тем более ничего не могло остаться, ведь она была деревянной. Не в пример Кикладским островам, в Англии тогда хватало дерева. Получилась взаимодополняющая неполнота: от греческих мельниц остались каменные башни, но не осталось даты постройки, а от английских даты, а сами деревянные мельницы не сохранились. Поэтому идёт спор о приоритете. Я поместил английские мельницы после греческих из-за того, что в них реализована ещё одна инновация.

По-английски тип первых мельниц северо-западной Европы называется the sunk post mill, по-русски -- козловая мельница. Дело в том, что леса в Англии было достаточно, но не было такого стабильного ветра как на Кикладах. Поэтому мельницу, всю, целиком, приходилось поворачивать к ветру каждый раз, когда менялось его направление. Это была настоящая катастрофа. Для облегчения процесса домик мельницы устанавливали на столб (the sunk post), но такая конструкция на курьей ноге была очень неустойчивой, а ветер, как мы помним, создаёт осевое усилие, поэтому столбик подпирали укосинами, сажали его в козлы, как можно видеть на картинке вверху.

В общем, решение было необходимым, но малоудовлетворительным. Размер мельницы не мог быть большим (ветровое колесо было не больше 10 метров в диаметре), иначе с ней просто нельзя было бы справиться. Тем не менее, на первых порах такой номер проходил. Более того, благодаря простоте своей конструкции ветряные мельницы козлового типа просуществовали у небогатых хозяев вплоть до XX века. Но время ставило новые задачи.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Если сами не уцелеем, так хоть человечество спасём.

Вертись, лёжа на боку

Ветряная мельница Кикладских островов. Википедия.

Тем не менее, ветряки с вертикальной осью стоят несколько в стороне от главного пути развития ветроэнергетики, представленного ветряками с горизонтальной осью. Но вот где и как они были изобретены, как ни странно, плохо известно. Так же, как и в случае с китайскими мельницами, не доказана их генетическая связь с персидскими. В качестве возможного предка китайских мельниц, например, приводятся молельные барабаны Тибета, приводимые в движением ветром. У горизонтальных мельниц тоже мог быть свой собственный предок. Представить себе эволюцию мельничного колеса, которая повернула бы его на бок, не так-то просто, хотя существует же камбала с глазами на боку.

Ветряная мельница острова Фира.
Фото автора.

Как бы то ни было, но первые свидетельства о мельницах с горизонтальной осью приходят из XII-XIII века и свидетельства эти очень надёжные. Первые ветряные мельницы такого типа создали индустрию Кикладских островов в Эгейском море, став не только "градообразующим" предприятием, но и сформировав тамошний ландшафт. Мельники Киклад мололи зерно как с островов, так и с материка тоже, забирая себе десятину. Это был шикарный бизнес. Сообщается о 600 мельницах на архипелаге из 200 островов, большая часть которых мала и необитаема. Одна из кикладских мельниц представлена на фотографии в начале поста. Разумеется, деревянные её части новодел, но конструкция кикладских мельниц передаётся с древних пор только с небольшими изменениями. Да там и менять-то особо нечего, настолько она простая.

Ветряное колесо мельницы о. Фира.
Фото автора.

Если сравнить кикладскую мельницу с персидской, то между ними можно обнаружить много сходства. В обоих случаях ветровое колесо представляет собой звёздочку из мачт, на которые натянуты паруса. Есть ещё одно сходство, которое не так очевидно, но зато оно принципиальное: обе мельницы работают только при определённом направлении ветра. На что можно возразить, мол де, если бы выполнение этого условия требовало бы каких-то технических мер, то тогда можно было говорить о сходстве, а так одно только совпадение недостатков по причине примитивности обеих конструкций. Сказанное, конечно, верно, но не совсем. Не такая уж простая вещь, эта мельница.

Конструктивно просто, но изготовление такой мельницы требовало немалых усилий. Обратите внимание на башню, которая строилась намеренно, это целый каменный дом. Внутри башни находится механизм передачи вращения от оси к мельничным жерновам, тоже непростая и недешёвая штука. Стал бы кто-нибудь на нищих островах громоздить такого монстра, не имея перед глазами примера, дающего надежду на успех? Построишь её, а она не будет вертеться просто потому, что ветер на неё не дует. Но персидские мельницы работали, и они тоже были устроены в каменных башнях с постоянной ориентацией по ветру.

Ветряные водокачки плато Лассити, о. Крит. Фото автора.

Долгое время Киклады принадлежали Византии, на материковой части которой существовали персидские мельницы. Как раз к появлению собственных мельниц Киклады переходя к венецианцам, которые тоже разбирались в технике и многое видели. Кому-то, кто видел в работе персидскую мельницу и убедился в силе ветра, могло прийти в голову присобачить к мельнице ветряное колесо вместо водяного, ведь в остальном механизме кикладская ветряная мельница совпадет с водяной. Киклады замечательно подходили для такого эксперимента. Рек как таковых на них нет, это острова, зато ветер дует постоянно и преобладает в северном направлении. Осталось только понять, где этот экспериментатор увидел ветряное колесо.

Конечно, он мог и сам придумать, но мог ведь и подсмотреть, ведь Александрия и Герон с его ветряком совсем рядом, на другом берегу моря. Правда прошла тысяча лет с тех пор как Герон ушёл в лучший мир, но книга-то егo, написанная по-гречески, осталась. Так что, прототипами кикладской ветряной мельницы вполне могли бы быть персидская мельница, водяная и ветряк Герона. Всё как у порядочных людей: папа, мама и... портрет на стене. Чем ближе мы приближаемся к нашим дням, тем сложнее становится техника, тем больше возрастает роль портрета чертежа, ускоряющего процесс совершенствования техники.

Привод мельничного жернова, музей "Лихностатис", о. Крит.
Фото автора.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Всё изобрели в Китае

"Когда дует ветер перемен, одни возводят стены,
другие строят ветряные мельницы".

Китайская народная мудрость,
иногда приписывается Мао.

Джонка в скалах на мелкой воде

Некоторые авторы безосновательно утверждают, что ветряные мельницы были изобретены в Китае свыше двух тысяч лет назад. Подтверждения тому нет, первое документальное свидетельство о существовании в Китае ветряных мельниц относится к XI веку н.э.. Ситуация вполне рядовая, увы. Вся история Китая сплошь мистифицирована, от нижнего палеолита до XX века. Первые сообщения о китайских ветряках носят общий характер, из которого нельзя сделать никакого вывода об их конструкции. Есть мнение, уже высказанное прежде, что мельницы в Китай были привнесены из Персии. По времени сходится, хотя доказательств тому нет, надо быть последовательным. Тем не менее, на европейских гравюрах Китая XVII века можно видеть мельницы с вертикальными парусами. Только это китайские паруса. Так что, даже если китайцы и не изобрели ветряные мельницы, то они, вероятней всего, изобрели китайский парус и точно они додумались поставить его на мельницу. Поэтому, несмотря на ранее сказанное, я ещё немного задержусь на парусах.

Когда была изобретена китайская парусная лодка по имени джонка, науке неизвестно. Строго говоря, нет уверенности, что она вообще китайская, посколько этимология её названия уводит к другим языкам. Традиционная китайская история приписывает изобретение джонки первоимператору Фу Си, но тот много чего изобрел, а также имел тело змеи и умел летать, так что сами понимаете. Первые упоминания джонки относятся к эпохе империи Хань (206 до н. э.—220 н. э.), но вразумительные сведения обнаруживаются только в империи Сун (960 - 1279). Если вспомнить датировку китайский ветряков, то можно обнаружить некоторое согласие дат. Насколько оно относится к развитию техники, а насколько к политической ситуации -- трудно сказать.  Много неясного в этой инопланетной цивилизации, равно как и в нашей собственной.

Вернусь к технике. Я хотел нарисовать как работает парус джонки, но отказался от этого шага после того, как посмотрел на рисунки других, а также вспомнил как сам в детстве пытался понять работу джонки. Тогда я был взбешён. Объяснятели явно сами не понимали как она работает, но брались объяснять. Это бесит, по молодости, а к молодому поколению надо относиться бережно, это наше будущее. Поэтому ограничусь самыми общими словами.

Парус джонки устроен как флюгер. Его центр смещён относительно мачты. Вы можете это видеть на фотографии в начале поста. Это Вьетнам, как утверждается, хотя похоже на южный Китай. Что неудивительно, ведь технология джонки оказалась настолько выдающейся, что была усвоена всеми соседями Китая. Есть мнение, что под влиянием джонки совершенствовалось и европейское парусное искусство. Более того, якобы из-за совершенства джонок Китай ограничился каботажным плаванием, а европейцы, на своих примитивных судах, часто были вынуждены далеко уходить от от берега и стали пересекать океаны, которые совсем не интересовали китайцев. Ведь китайцы выходили в море ради пропитания, а наибольшая биологическая плотность вблизи берегов. Пелагические рыбы редки, донная же биомасса, столь любимая китайцам, вдали от берега и вовсе недоступна.

Посмотрите на паруса "Катти Сарк", самого великого парусника всех времён и народов. Где тут Египет, где Китай? А тут корабль Колумба.

Так вот, конструкция паруса джонки позволяла ходить бейдевинд. Под тупым углом к ветру. Когда ветер дует чуть сбоку от носа судна. Впервые в мире. Когда же ветер дул прямо в нос (левентик), тогда джонка останавливалась. Почему? Да потому, что парус джонки был устроен как флюгер, он выстраивался вдоль ветра, чтобы оказывать ему наименьшее сопротивление. Когда же ветер дул с другого направления, не от носа, тогда китайцы не позволяли парусу поворачиваться, и он был вынужден работать как парус, вставая "раком", растопыриваясь как Липунешка на лопате Бабы-Яги. Никакой компьютерной автоматики при этом не использовалось. Просто парус был привязал верёвкой за нижнюю рею к палубе. Эта верёвка ограничивала вращение паруса вокруг мачты, не позволяя ему повернуться к носу джонки.

Все главные машины родились из упражнений человека с верёвкой и палкой. Вот эта вот верёвка, которой был привязан парус джонки, в значительной степени определила развитие человеческой цивилизации в новое время.

То есть, джонка либо двигалась вперёд, либо останавливалась, с какого бы направления не дул бы ветер. Это как раз то, что нужно для лопастей вертикальной мельницы. Если они будут соответствовать этому условию, тогда не нужно будет защищать их от ветра, они сами будут подстраиваться под него. Стены от ветра не нужны! Мельница может обходиться без них. Здесь я бы хотел разместить видео одного немецкого товарища, но Германия не дружит с ютьюб, поэтому только ссылка. Там у него есть ещё видео с этой конструкцией.

https://youtu.be/GJG-QLG_VqE

Века прошли, и на эту тему придумано ещё масса других устройств. Вертикальные ветряки очень удобны, в том числе тем, что их не нужно ориентировать по ветру. Их также можно вытягивать вверх, что позволяет размещать их на ограниченной площади. Однако другая их проблема, крепление оси в верхней точке, так до сих пор и не решена. Потому применение ветряков с вертикальной осью ограничивается небольшими размерами  и мощностями. Для дома и семьи, так сказать. С другой стороны, домашнее применение нынче представляется весьма перспективным.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Мели, Емеля

Рис. 2 Персидская ветряная мельница

Производительность сельского хозяйства эллинистического мира позволяла освободить от забот о пропитании большие массы населения. Эти массы активно занялись строительством и дополнительно повысили производительность, внедряя ирригацию, повышающую урожайность, и строя машины, которые ещё больше повышали производительность. Если бы не войны и прочий мор, неизвестно, куда бы они зашли. Обозначились основные области применения машин: мукомольное производство, строительство, ирригация и металлургия. В качестве привода машин долгое время использовалась мускульная сила человека и животных, но уже примерно в III веке до н.э., в восточном Средиземноморье появляется водяной привод. В "Географии" Страбона находится описание водяной мельницы вблизи дворца Митридата IV, царя Понта, время её существования датируется ранее 71 года до н.э., то есть, она современница Антикитерского механизма.

Для создания ветряной мельницы всё было готово, оставалось только заменить водяное колесо ветряным, но ещё прошли сотни лет, прежде чем это было сделано. Более того, первые ветряные мельницы были созданы независимо от водяных. Тому есть причины. Водный поток обеспечивает солидную мощность, стабилен и его несложно регулировать. Другое дело ветер, он слаб и капризен. Такие особенности источника энергии ограничивали сферу его применения. Он использовался в основном в мукомольной производстве и ирригации. Но у воды есть свои недостатки, не везде она имеется в достаточном количестве. Кроме того, для работы водяной мельницы необходим перепад высот, с течением воды сверху вниз. Для нужд же ирригации нередко требуется обеспечить противоположное движение воды -- снизу вверх. Наверное поэтому первые ветряные мельницы появились в Персии, засушливом крае.

На рис. 2 представлена схема такой мельницы. Традиционно спёрта из Википедии. Мельница совсем не похожа на ветряк Герона. Это мельница с вертикальной осью ветряного колеса. На рисунке вариант, доживший до середины прошлого века. Первое же свидетельство о существовании подобных мельниц, которое было признано вызывающим доверие, относится к IX веку н.э. и принадлежит перу персидского географа Истахри (استخری). Мельницы в таком виде просуществовали многие столетия и получили широчайшее распространение на Среднем Востоке, в Центральной Азии, в Индии и Китае. Конструкция обладает рядом достоинств, но не лишена и недостатков.

Главным достоинством её является простота конструкции. Как мы видим, здесь отсутствуют какие-либо передачи, жёрнов тупо присобачен к оси ветрового колеса. Так же несложно ограничить скорость мельницы в случае усиления ветра, что тоже хорошо. Повышенная скорость вращения мельничного жёрнова, как ни странно, представляет собой большую опасность. Мало того, что мельница может не выдержать нагрузки и разрушиться, жернова могут высечь искру, а мука взрывоопасное вещество. Скорость можно ограничить просто прикрыв от ветра впускное окно.

Главным же недостатком является необходимость экранировать часть колеса, движущуюся против ветра. Тем самым получается, что мельница может работать только от ветра, дующего по заданному направлению, что ограничивает использование ветряного ресурса. Так же недостатком является необходимость фиксировать ось в верхней точке. Мало того, что туда надо как-то протянуть опору, она должна обогнуть весь ветряк, который желательно было бы сделать как можно больше, чтобы получить большую мощность на валу. Отсутствие редуктора тоже не только хорошо, но и плохо. Скорость вращения рабочего органа совпадает со скоростью вращения ветряного колеса, а она не велика и не стабильна.

Тем не менее, ветряки с вертикальной осью не только были популярны прежде, но существуют до сих пор. Правда, их понадобилось усовершенствовать, чтобы избавиться от их главного недостатка. Тут пришлось подумать, как такое сделать.

Назад

К оглавлению

Вперёд

И всё-таки, почему она вертится?

Принципы, лежащие в основе паруса, а с ним и ветряка просты. Но теория, описывающая его работу, аэродинамика, начала создаваться только в XVIII веке. И даже теперь точные аэродинамические расчёты требуют привлечения машинных средств и опираются на опытные (эмпирические) данные. Но и без теории, эмпирически, паруса удавалось совершенствовать. Так уже самый первый из известных нам парусников мог ходить под углом к ветру, что можно понять из его изображения на камне, поскольку парус на нём повёрнут. Правда, это египтяне рисовали, они любили так изворачиваться, но сам факт возможности поворота паруса вокруг мачты говорит в пользу того, что им вертели.

Зачем это нужно? Чтобы идти под углом к ветру. Ведь ветер редко когда дует туда, куда нужно плыть. С годами мореплаватели так научились обращаться с ветром, что двигаться попутным ветром (фордевинд) им стало неудобно и... медленно. Они стали предпочитать бакшаг, боковой ветер с кормы. Древнеегипетский корабль уже умел ходить бакшаг, хотя явно предпочитал фордевинд. Вряд ли он мог ходить крутым бейдевинд (под тупым углом к ветру, почти против ветра), но галфвинд (half wind), движение перпендикулярное направлению ветра, на нём уже, скорей всего, было возможно.

Не уместно здесь излагать теорию хождения под парусом, скажу только, что возможность менять направление движения даётся сочетанием работы паруса, который изменяет направление силы давления ветра, и корпусом судна, который в продольном и поперечном направлении по разному сопротивляется воде. С ветряком происходит примерно тоже самое, даже проще. В идеальном случае крылья (паруса) ветряка движутся галфвинд. Вот как это происходит.

Рис. 1 Основные силы ветряка. 

Как мы помним, главный принцип ветряка -- он никуда не движется, спокойно стоит на месте. Стало быть, силы, в нём действующие, должны компенсировать друг друга, это условие статики. На рисунке изображён ветряк с четырьмя крыльями (лопастями). Вид сверху. На каждую лопасть действует сила давления ветра, обозначенная на схеме буквой P. Ей противостоит равная, но противоположно направленная сила реакции опоры N. 

N + P = 0

Уравнение векторное, разумеется. Вот, собственно, и вcё, для начала. Далее силу N полезно представить как сумму двух других. Одна из них направлена по оси ветряка, это сила, с которой ось отталкивает от себя крыльчатку, которую ветер пытается унести с собой. Она нарисована на схеме красной пунктирной линией и обозначена N_a. Эта сила создаёт осевое усилие, давящее на опору ветряка. Осевое усилие очень важно в турбиностроении вообще и ветроэнергетике в частности. Другая сила, N_w -- окружная, она направлена по касательной к окружности, которую очерчивает лопасть. Это сила, препятствующая вращению. Она состоит из силы трения и силы, которую создаёт нагрузка на ветряк, если она к нему подсоединена. Если сила N_w окажется достаточно мала, то колесо начнёт вращаться в сторону, указанную сиреневой пунктирной линией.

Такой схемы как здесь вы вряд ли где-нибудь ещё найдёте. Каждый серьёзный человек, если её нарисует, получит по рукам и за дело. Но здесь лекция для колхозников! Рассуждения где-то на уровне Герона. Однако и долгое время после него разработчики ветряков пользовались не более серьёзными рассуждениями, так что схема пока подойдёт. Главные её достоинства: простота, демонстрация основных сил и генетическая связь с парусом, с которым пора прощаться. С изобретения Герона начинается другая эпоха.

Назад

К оглавлению

Вперёд