Механика сплошных вторников

Вторник с избыточным весом.

Не взлетим, так поплаваем

Ещё одно стороннее изобретение, применённое в крыльях голландских мельниц, происходит из парусного флота. Ветер, как мы все знаем, непостоянен. Причём для ветроэнергетики проблему составляет не слабый ветер, а сильный. При высокой частоте вращения ветряного колеса края крыльев, как мы выяснили, перестают работать на вращение, зато осевое усилие на них сохраняется и возрастает с увеличением скорости ветра. Крылья изгибаются и в какой-то момент времени касаются основания мельницы. На этом её жизнь заканчивается, как это произошло на видео внизу.

Если мельница средиземноморская, то больших разрушений не произойдёт. Деревянные жерди-мачты не повредят каменную башню-основание. Более того, дело вряд ли дойдёт до столкновения, паруса порвутся раньше. Другое дело деревянная мельница голландского типа с массивными крыльями. Если добавить к картине мельницы, бешено размахивающей крыльями, взрыв муки и жёрнов, катящийся вприпрыжку из развалин, то поневоле начнешь сочувствовать селянам, подозревавшим мельника в особых связях с нечистой силой и отказывавшихся селиться неподалёку от мельницы.

Моряки, у которых всегда была та же проблема, решали её за счёт сокращения парусности. При сильном ветре они убирали паруса, а если и это не помогало, то рубили мачты. Крылья голландских мельниц тоже, в некотором роде, снабжались парусами, ведь снаружи деревянного каркаса они были обтянуты парусиной. Поэтому, для снижения забираемой от ветра мощности достаточно было убрать ткань с части крыльев. На рисунках и фотографиях мы часто видим один каркас крыльев без парусины вовсе, это потому что мельницы не работают. Каркас ещё и потому решётчатый, чтобы по нему можно было ползать как по лестнице, как это делают матросы, ставящие паруса.

Кинжальный риф взят

Но в такой регулировке было много неудобства: мельницу приходилось останавливать, а установка или снятие парусины требовала времени, да и работа была опасной. Требовались усовершенствования и они последовали. Изобретений было сделано множество, но начальные этапы прогресса в летописи не попали. Сами изобретения тоже не сохранялись ввиду недолговечности материала. Говоря по существу, предпринимались попытки внедрить решения, сходные с теми, что были найдены на флоте. Кое-что сохранилось на памяти и было воспроизведено в наши дни, как вот этот способ прилаживания паруса на картинке справа, взятой из Википедии. Моряки называют работу по конфигурации парусов "взятие рифов". Риф с картинки по-английски называется Dagger point, "кинжальный укол".

Автор снимка Jim Woodward-Nutt

Начиная с XVIII-го века появляются точные сведения не только о самих новшествах, но и об их авторах. Начинается промышленная революция, и появляется патентное право. Механизация внедряется повсюду, даже там, где в ней не было особой нужды. В 1772 шотландец Эндрю Мейкл (Andrew Meikle) изобретает парус для крыльев ветряной мельницы, основанный на принципе жалюзи. В его конструкции плоскость паруса собрана из деревянных ламелей, которые связаны воедино затворным стержнем. Чтобы изменить парусность на всём крыле достаточно воздействовать на управляющий орган. Примерно так, как мы управляем интерьерными жалюзи. Кстати, жалюзи были впервые запатентованы тремя годами ранее в Лондоне, но поворотный механизм для них только в 1841-м в Америке. Так что, ветряные мельницы были на острие технического прогресса, и не исключено, что мы до сих пор пользуемся изобретением, сделанным при их разработке.

Мельница Хупера
в Ирландии

Однако, для регулирования парусности мельницу по прежнему необходимо было останавливать. Прошло совсем немного времени и в 1789-м году английский изобретатель Стефен Хупер (Stephen Hooper) патентует решение этой проблемы. В его конструкции используется тот же принцип жалюзи, но управляющие органы соединены в один, на который теперь можно воздействовать без остановки мельницы.

Далее изобретений и патентов по регулировке парусности крыльев ветряных мельниц становится так много, что перечислять их нет сил, да и надобности тоже. В заключении хотелось бы отметить ещё одно обстоятельство. Приведённые здесь изобретения предвосхищают инженерные решения, используемые в авиации. Ламели крыльев ветряной мельницы -- прообраз устройств механизации крыла самолёта; всех этих предкрылков, закрылков, интерцепторов и прочих флаперонов. Когда появились первые самолёты, для них уже многое было готово. Крылья первых самолётов были устроены так же, как и крылья средневековых мельниц: деревянный решетчатый каркас, обтянутый тканью. Ветряные мельницы, всегда бравшие пример с парусников, начинают всё больше и больше засматриваться на самолёты. Которых пока ещё нет, заметьте.

Механизм поворота ламелей восьмикрылой мельницы ("паук").
Деревня Хекингтон, Англия, постройка конца XIX века, фото автора.

Назад

К оглавлению

Вперёд

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

Механика сплошных вторников

Хотели СССР 2.0, а получили Брежнева 2.0.

Мой дом -- моя мельница

Голландская мельница из словаря Брокгауза и Ефрона

Примерно в XIV веке ветряные мельницы получают широкое распространение в стране, которая им во многом обязана самим своим существованием. Речь, разумеется, идёт о Нидерландах, низменных землях. На чертеже, позаимствованном мною из энциклопедического словаря, представлена классическая голландская мельница. В ней уже реализованы все главные изобретения, какие только были сделаны за всю эпоху эмпирического развития ветроэнергетики. Эти мельницы, прозванные в Голландии grondzeiler (наземный парусник) являют собой вершину развития ветряных мельниц. Все более совершенные конструкции уже следует относить к ветровым турбинам.

Нидерланды, Зутермер, 1793 г.

Наземные парусники украшают современный голландский пейзаж. Внешне они отличаются от чертежа только отсутствием малого ветряного колеса, расположенного перпендикулярно большому. Такие колёса устанавливались не везде, а там, где они были, там их демонтировали, чтобы не создавали проблем. Мельницы давно не работают, сами понимаете. И в них больше никто не живёт, а ведь прежде на нижних этажах бывали жилые помещения. Теперь в них кое-где организовали музеи и прочие публичные места.

Большая часть голландских мельниц, как ни странно, не была предназначена для помола. То есть, наземные парусники не были мельницами, строго говоря. С их помощью перекачивали воду, как объясняется на чертеже справа.

Наводнение 1287-го года, обрушившееся на берега Нидерландов и Германии на следующий день после праздника святой Люсии, унесло с собою жизни более пятидесяти тысяч человек. Наводнение святой Люсии было самым губительным в истории Нидерландов, но, увы, далеко не единственным. Более того, оно не привело бы к таким жертвам, если бы не борьба с предыдущими. В XIII-м веке в прибрежной полосе Нидерландов была построена система дамб, защищающих поля от наводнений. Они-то и не выдержали удара стихии, выпустив на поля и селения накопленную за собой воду.

Конечно, можно было отступиться и покинуть рискованные земли, но... был выбран иной путь. Дамбы стали строить выше и мощнее, а это потребовало совсем иных усилий по откачке накапливающейся за ними воды. Для решения этой задачи и были привлечены ветряные мельницы, а возросшие требования к ним привели к новым изобретениям, одно из которых уже было выше упомянуто.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Я бы пошёл на выставку Серова, но у меня лабутенов нету.

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