Мы рассмотрели колесо как средство передвижения. Но у него имеется еще много других различных применений. Наиболее древними машинами, в которых было использовано колесо, несомненно являются гончарный станок, мельница и прялка.
Найденные при раскопках древних городов черепки, а иногда и хорошо сохранившиеся глиняные сосуды в возрасте 3000–3500 лет имеют правильную форму круга. Это с несомненностью свидетельствует о том, что они изготовлены на гончарном станке.
Гончарный круг в простейшем виде — не что иное как колесо, насаженное на вертикальную ось. Таким мы его видим на древних изображениях (рис. 7).
Рис. 7. Древнегреческое изображение гончара с гончарным кругом.
Позже было произведено некоторое его усложнение: на вертикальной оси установили два колеса; на верхнее кладется кусок глины, из которой вырабатывается сосуд, тогда как нижнее, обычно большое колесо, служит для вращения всего стана ногами гончара, оно же сообщает стану и равномерность хода (рис. 8).
Рис. 8. Гончарный круг.
Мы видим, что за три с лишним тысячи лет гончарный круг по существу почти не изменился. Первый рисунок — грубое изображение неумелого художника того времени, а второй — современный чертеж. Однако сам станок и способ работы на нем в основном остались прежними.
Другое применение колеса можно видеть на примере жернова. Первобытные земледельцы либо вовсе не дробили зерна, либо разбивали (толкли) его камнями. Позднее они растирали его одним камнем на другом большом плоском камне («терка»). Это была крайне утомительная работа. Сохранилось изображение женщины, растирающей «теркой» зерно (рис. 9).
Рис. 9. Древнеегипетское изображение девушки, растирающей зерно ручной «теркой».
Многие племена Африки и до сих пор пользуются этим первобытным способом. Большим усовершенствованием явилась замена движений «терки» вперед и назад вращательным движением. Оба камня стали делать одинаковыми — в виде горизонтально расположенных колес. Нижнее колесо оставалось неподвижным, а верхнее вращалось. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня — жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнями и растиралось.
Третьим примером применения колеса в простейших машинах является прялка. Простейшее веретено, иногда с грузилом внизу, вращали пальцами и пряли на нем сначала шерсть, а потом и растительные волокна. Позднее веретено стали вращать с помощью колеса, перекинув через веретено и обод колеса бесконечный шнурок (рис. 10).
Рис. 10. Прялка по рисунку XV века.
В таком устройстве было осуществлено изменение числа оборотов при вращении: при сравнительно медленном вращении приводного колеса веретено вращалось быстро. Второе важное изобретение, усовершенствовавшее самопрялку, — это топчан (механизм, позволяющий превращать качательное движение доски во вращательное движение колеса) (рис. 11).
Рис. 11. Ножная самопрялка.
Приведем еще рисунок стенной росписи, обнаруженный в одном из разрушенных зданий древнеримского города Помпеи[1] (рис. 12).
Рис. 12. Древнеримское изображение «бегунов».
На нем изображен пресс для выжимания винограда и «бегуны» для выдавливания оливкового масла. «Бегуны» (пара катающихся жерновов с общей горизонтальной осью) и сейчас имеют почти такой же вид. Они применяются, например, в современных машинах для размола массы в бумажном производстве.
Огромную роль издавна играет колесо в машинах-двигателях. Древнейшие машины-двигатели, например, использовали напор воды и развились, повидимому, из поливных машин — «чадуфов», при помощи которых воду из реки поднимали для орошения берегов. Ряд черпаков насаживался по ободу большого колеса с горизонтальной осью, нижние черпаки погружались в воду реки, при повороте колеса они поднимались к верхней точке колеса и опоражнивались в желоб.
На рис. 13 изображено водяное колесо, применявшееся в Осетии.
Рис. 13. Водяное колесо в Осетии (начало XX в.).
Первоначально оно вращалось вручную. Но там, где воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, водяные колеса стали приспосабливать для работы с помощью напора воды. Очевидно, что такие колеса можно приспособить и для других надобностей, например для размола хлеба. Их ось может быть и горизонтальной и вертикальной.
В равнинных местностях реки и речки полноводны, но скорость их течения мала для того, чтобы вращать колесо силою удара струи, поэтому приходилось запруживать реку, поднимая уровень воды, и направлять струю по желобу в ковши колеса. Под действием тяжести воды колесо поворачивалось и ковш опоражнивался внизу. Такие водяные мельницы появились всего лишь две тысячи лет тому назад.
Шло время, и наряду с водяными стали строить ветряные мельницы (рис. 14).
Рис. 14. Ветряная мельница.
Однако произошло это совсем «недавно», каких-нибудь девятьсот лет тому назад. У тибетских жрецов имелись уже и раньше маленькие ветряные мельницы, однако назначение их было весьма своеобразное: они вращали маленькие барабанчики, на которых были написаны молитвы.
Голландцы с давних времен использовали ветряные двигатели для полезной работы. Испытывая недостаток в земле, они огораживали валами неглубокие участки моря и при помощи насосов, приводимых в движение ветром, откачивали соленую воду моря и излишнюю влагу, которая не могла сама стекать в море, так как уровень почвы был ниже уровня моря. В 1836 г. для этой цели в Голландии служили уже 12000 ветряных двигателей.
Ветряные мельницы имеют одно неоспоримое преимущество перед водяными: их можно строить везде, тогда как водяные устанавливают только там, где есть текучая вода. Зато у ветряных мельниц имеются крупные недостатки: их работа зависит от ветра, от его силы. Временами подолгу бывает безветрие, тогда поневоле такие мельницы бездействуют. Однако иногда они оказывают совершенно неоценимую услугу. На высоких горах, куда затруднена доставка горючего для моторов, в настоящее время применяются ветряки для вращения динамомашин, снабжающих электрическим током высокогорные обсерватории (рис. 15).
Рис. 15. Ветродвигатель.
На дрейфующей полярной станции «Северный полюс» ветряки заряжали аккумуляторы, что обеспечивало бесперебойную связь по радио с «Большой землей».
В полупустынных местностях ветряные двигатели накачивают воду из глубоких колодцев и позволяют осваивать эти негостеприимные участки земли.
Из колеса ветродвигателя в XIX в. родился пропеллер. Подобно тому как колесо, приводимое во вращение мотором, заставляет двигаться повозку, так и ветряк, преобразованный в пропеллер, заставляет перемещаться самолет.
Многие электростанции приводятся в движение не ветром и не водой, а паром. На крупных электростанциях этого рода теперь уже нельзя встретить старых поршневых паровых машин: там работают паровые турбины. По существу, их подвижные части — роторы — тоже воздушные колеса, но только приспособленные к работе на большом числе оборотов (рис. 16).
Рис. 16. Ротор советской паровой турбины мощностью в 100 000 киловатт.
Это вызвано тем, что скорость струи пара, ударяющего в лопасти этих колес, в десятки раз больше скорости ветра при урагане. Благодаря увеличению числа оборотов оказалось возможным чрезвычайно сильно повысить мощность машины, не слишком увеличивая ее размеры. Конечно, при постройке турбины, использующей вместо «капризного» ветра надежную силу пара, пришлось отказаться от такого непрочного материала, как дерево, и заменить его высококачественной сталью. Состязаться с паровыми турбинами по мощности могут только новейшие водяные турбины, заменившие собою водяные колеса (рис. 17).
Рис. 17. Колесо водяной турбины.
Необходимо, однако, подчеркнуть, что водяные колеса достигли уже в XVIII в. большого совершенства. Наиболее выдающимся сооружением, в котором использовано колесо, является гидросиловая установка, разработанная и построенная К. Д. Фроловым (1728–1800) на Алтае, на Змеиногорском месторождении драгоценных металлов. Вода, пущенная со специально построенной плотины, текла по подземным каналам и приводила в движение целую систему огромных деревянных водяных колес, установленных в подземных камерах. Наибольшее из этих водяных колес имело в диаметре 17 м.
Фроловым была также сооружена гидравлическая рудоподъемная машина, водяное колесо которой имело в диаметре 14 м (рис. 18).
Рис. 18. Гидравлическая рудоподъемная машина К. Д. Фролова.
Когда в XVIII в. с бурным развитием капитализма в Европе стали развиваться машины-орудия, на смену простейшей прялке с веретеном, в которой вытягивание нити производилось пальцами пряхи, появилась механическая прялка, имеющая специальные валики, выравнивавшие волокно. Валики эти вращались с разной скоростью, так что лента волокон, проходящая между ними, не только сжималась, но и растягивалась.
Однако для приведения в действие прядильных машин нужны были двигатели. Имевшиеся паровые машины были еще очень несовершенны и требовали много топлива. Наиболее совершенной паровой машиной того времени явилась машина для заводских нужд, которую изобрел в России И. И. Ползунов (1728–1766).
Однако она осталась неизвестной для Западной Европы, и поэтому, естественно, там обращались к услугам водяного колеса.
Широкое распространение водяного колеса привело к применению его для целей транспорта. И здесь произошло такое же изменение его роли, какое мы видели на примере сухопутного колеса при переходе от повозок с конной тягой к самодвижущимся повозкам. В повозках с конной тягой колеса приходят во вращение в результате движения повозки. В самодвижущихся повозках произошло «обращение» действия колеса: повозка стала приходить в движение под действием вращения колес. Такое же «обращение» действия водяного колеса имело место и на самодвижущихся судах. Было установлено, что если вращать водяное колесо каким-либо двигателем, например при помощи паровой машины, то оно будет приводить в движение воду; если же оно установлено на подвижной опоре, на судне, то оно само начнет передвигаться по воде, причем, конечно, вместе с колесом будет передвигаться и судно. В XVIII в. замечательным русским изобретателем механиком И. П. Кулибиным было предложено и осуществлено «водоходное судно», снабженное колесами с лопастями (рис. 19).
Рис. 19. Колесо «водоходного судна» И. П. Кулибина.
Для этой цели и стали устанавливать по одному вращающемуся колесу на каждом борту или одно колесо— за кормой (заднебойное колесо). Последнее устройство встречается реже. На рис. 20 изображен первый русский пароход, построенный в 1815 г.
Рис. 20. Первый русский пароход.
Мощное развитие паровых машин в XIX в. несколько задержало усовершенствование водяных колес.
Новым толчком к их развитию было изобретение динамомашины, электромотора и трансформатора, сделанное менее ста лет тому назад, главным образом, русскими электротехниками Лачиновым, Пироцким, Ленцем, Якоби, Сочиным и Доливо-Добровольским. Мы не будем входить здесь в детали устройства этих машин, укажем только то, что динамомашина, будучи приведена во вращение, дает электрический ток, электромотор же начинает вращаться, если через него пропустить электрический ток.
Назначение же трансформаторов — так преобразовать вырабатываемый динамомашинами ток, чтобы можно было с малыми потерями передавать электроэнергию на дальние расстояния по проводам.
Изобретения эти коренным образом изменили условия использования водяных двигателей. Теперь стало возможным устанавливать их даже в глухой бездорожной местности, вдали от населенных пунктов, а фабрики строить в городе, куда легко подвозить сырье и где легко найти рабочую силу. Более того, стало возможным строить очень мощные гидроэлектростанции с тем, чтобы выработанную электроэнергию подавать на различные предприятия, быть может даже расположенные в разных городах, далеко от питающей их станции.
Гигантский план электрификации СССР, разработанный по инициативе В. И. Ленина и развитый в годы сталинских пятилеток, способствовал сооружению большого числа гидроэлектростанций на всей территории нашей страны. Все они используют водяную турбину как двигатель.