Министерство образования и науки Пермского края Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Кунгурский автотранспортный колледж» Дисциплина: история Изобретение водяного колеса Авдеев Вадим, студент группы А-17. Научный руководитель: Петрова Лидия Михайловна, Варзаков Игорь Валерьевич, преподаватель КАТК. Кунгур, 2017 1 Содержание Введение…………………………………………………………………………………………………………………….3 Глава 1: . История появления водяного колеса……………………………………………………..…4 1.1 Роль изобретения водяного колеса в древних цивилизация Востока……….........4 Глава 2: Использование водяного колеса, его улучшения ………………………………………7 2.1 Водяное колесо – движущая сила развития промышленности в Средние века ………………………………………………………………………………………………………………………….…7 2.2 Триумфальное шествие водяного двигателя в XII - XIII в. в. ..……………………….…8 2.3 Технологии прошлого и будущего на стражи экологии ……….……………………..….10 Заключение…………………………………………………………………………………………………….………..11 Список использованной литературы……………………………………………………………….…..…13 Приложение……………………………………………………………………………………………………….......14 2 Введение Думаю, что истории техники интересна любому будущему специалисту технического профиля. Для проекта я выбрал тему « Изобретение водяного колеса », потому что это одно из первых крупных изобретений человечества. Цель моей работы – создать макет водяного колеса для его использования на уроках истории. При этом я ставил перед собой несколько задач: - Изучить историю создания и принципы устройства водяного колеса - Подобрать необходимые детали для создание макета и апробировать его. В процессе работы я опирался на: • Книгу “Энергетика: история, настоящие и будущие ” • Книгу” Машина двигатель “ и другие материалы. Моя работа состоит из глав: В первой главе рассказывается об истории появление водяного колеса. Вторая глава посвящается об использование водяного колеса и его улучшений . 3 Глава 1. История появления водяного колеса 1.1 Роль изобретения водяного колеса в древних цивилизация Востока Первое использование водяного колеса, возможно, произошло в 4-ом столетии до н.э. в Индии. Согласно Тэрри С. Рейнольдс, “Джозеф Нидхэм отметил в 1965 году, что определенные древние индийские тексты, датируемые приблизительно 350 годом до н.э., упоминали cakkavattaka (крутящееся колесо)”. Однако Рейнольдс также пишет, что “термин, использованный в индийских текстах, неоднозначен и ясно не указывает на то, что устройство приводится в действие водой”. Поливная вода для зерновых культур доставлялась при использовании воды, которую поднимали колеса, которые приводились в действие потоком реки. Приблизительно в 1150 году, астроном Бхаскара Ачарйя (Bhaskara Acharya) наблюдал поднимающие воду колеса и предполагал, что такое колесо, снимающее достаточно воды пополняло поток, приводя в движение бесконечную машину движения. Строительство водяных механизмов и аспекты водяной технологии в Индии описаны в арабских и персидских работах. В течение Средневековья распространение индийских и персидских ирригационных технологий давало начало передовой ирригационной системе, которая способствовала экономическому росту, и также помогла в росте материальной культуры. За исключением возможного индийского случая, самое раннее водяное колесо в Европе происходит из Древней Греции и Малой Азии, образцы зарегистрированы в работе Аполлония Пергемского (Apollonius Perge) 240 год до н.э.. У Митридата VI Эвпатора Понтийского был водный завод в его дворце в Кабире еще до 71 года до н.э. Китайские водяные колеса почти наверняка были неизменно горизонтальными. По крайней мере, 1-ому столетию нашей эры, китайцы Восточной Династии Хань начали использовать водяные колеса, чтобы размолоть зерно растений и привести поршневые мехи в действие. Водяные колеса в Китае нашли практическое использование. Изобретатель Жанг Ханг (78-139 гг.) был первым в истории, чтобы применить движущую энергию во вращении астрономического инструмента армиллярной сферы, при помощи водяного колеса. 4 Для подъёма воды в оросительные каналы служили водяные колёса (первые простейшие гидравлические двигатели), использующие ее энергию. Первые водяные колеса начали применяться более чем за 3000 лет до н.э. в Египте, Китае, Индии и других странах. Сведения об их использовании приводятся в таких древних источниках, как «География» Страбона (63 г. до н.э. – 24 г. н.э.) в семнадцати книгах, «Десять книг об архитектуре» Витрувия (вторая половина I века до н.э.). Витрувий так описывает водяное колесо: «Вокруг вала устанавливается колесо, по своим размерам соответствующее высоте, на которую должна быть доставлена вода, вокруг него, по внешнему кругу, устанавливаются кубические ящики, которые делаются водонепроницаемыми при помощи смолы и воска. Когда колесо, путём наступая, приводится в движение, то наполняющиеся ящики поднимаются кверху и на обратном пути выливают своё содержимое в водохранилище». Если течение реки достаточно сильное, то оно само может вращать колесо и усилия раба или животного можно заменить силой текущей воды. У того же Витрувия читаем: «В реках также устанавливаются водоподъёмные колёса, подобные вышеописанным, с той только разницей, что к ним с наружной стороны приделываются лопасти, которые, будучи увлечены течением воды, своим движением заставляют вращаться колесо и, наполняя при этом ящики водой и поднимая их кверху, без работы толкания, путём использования течения воды, сами вращаясь, выполняют необходимую работу». Древние греки поняли, что вращающееся водяное колесо может не только поднимать воду, но и совершать другую полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом. От этой догадки оставался лишь шаг до изобретения водной мельницы. И этот шаг был сделан. В Древней Греции и Риме водяные колеса уже использовались для вращения мельничных жерновов. Один из поэтов той эпохи – македонянин Антипатр Фессалоникский, живший в I столетии до н.э., – посвятил водяной мельнице оду: «Дайте рукам отдохнуть, мукомолки; спокойно дремлите, Хоть бы про близкий рассвет громко петух голосил: Нимфам пучины речной ваш труд поручила Деметра; Как зарезвились они обод крутя колеса! Видите? Ось завертелась, а оси крученые спицы С рокотом движут глухим тяжесть двух пар жерновов. 5 Снова нам век наступил золотой: без труда и усилий Начали снова вкушать дар мы Деметры святой.» 6 Глава 2. Использование водяного колеса, его улучшения 2.1 Водяное колесо – движущая сила развития промышленности в Средние века Водяное колесо – это средство извлечения энергии из потока (или падения) воды. Водяные колеса широко использовались в период Средневековья, являясь своеобразной движущей силой развития промышленности в Европе. Альтернативой водяному колесу были ветряная мельница и энергия, добываемая по средством движения человека или животного. Если говорить об использовании самого водяного колеса или с помощью водяного колеса, то можно сказать много так, как применение водяному колесу давалось очень большое значение особенно в средние века. С помощью водяного колеса на водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями. В древнем Риме уже во II в. водяные мельницы были распространены почти повсеместно, все больше и больше работ выполнялось с их помощью. Водяные колеса использовались и для выжимания масел, и для размягчения яблок, из которых приготовляли любимый римлянами напиток – сидр, с их помощью заполнялся водой знаменитый римский водопровод. А когда во время осады Рима остготы разрушили водопровод и «вечный город» остался без воды, император Вилезарий устроил прямо на Тибре огромные плавучие водяные колеса, служившие для ее подачи в город. Водяные мельницы и колеса довольно быстро распространились по Европе. В Западной Европе строились небольшие водохранилища для устройства водяных колес. Так, во Франции сохранились остатки каскада из 16 водяных мельниц вблизи г. Арля, построенных в III–IV вв. Широкое распространение водяные мельницы получили здесь в XI– XIV вв. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII в., а уже в 1086 году в Тренте и Северне были зарегистрированы 5624 мельницы. Водяное колесо состоит из большого деревянного или металлического колеса, со многими лезвиями или ведрами, устроенными на внешней оправе, формирующей ведущую поверхность. Обычно, колесо установлено вертикально на горизонтальной оси, но бадья или норвежское колесо установлены горизонтально на вертикальной шахте. Вертикальные колеса могут передавать энергию через ось или через кольцевой механизм, и ти7 пично вести пояса или механизмы; горизонтальные колеса обычно непосредственно «ведут» свой груз. Плавный поток часто являлся своеобразным заслоном, чтобы поддержать устойчивую поставку воды для завода. Канал, созданный для воды, чтобы следовать по течению или от водяного колеса, является мельницей, или просто “мельничным лотком”, и обычно делится на секции. Водяные колеса все время совершенствовались. Были придуманы довольно сложные устройства и передаточные механизмы, которые позволяли использовать силу воды не только для помола зерна, но и для производства самых различных работ. Водные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт. Вот как рукописи VIII в. описывается использование энергии небольшой реки: «Сначала река наталкивается на мельницу…, потом ее зовут к себе сукновальни, находящи3 еся по соседству с мельницей.… Опуская и поднимая тяжелые песты или – лучше сказать – молоты или деревянные ступы…, река освобождает сукновалов от утомительной работы… Быстрое течение реки приводит в движение большое количество водных колес. Затем покрытая пеной река медленно движется далее.… Здесь ее принимает общежитие братии, и она принимает деятельное участие в выработке того, что необходимо для обуви братии.… Затем, мало-помалу распадаясь на множество рукавов, река суетливо кружится, заглядывает в отдельные мастерские, тщательно отыскивая, где имеется надобность в ее службе: при варке, просеивании, вращении, растирании, орошении и мытье». Постепенно конструкция водяного колеса совершенствуется, и оно становится основным двигателем в мануфактурном производстве, превращаясь в гидравлический двигатель, преобразующий энергию воды в механическую энергию, например, вращающегося вала. 2.2 Триумфальное шествие водяного двигателя в XII - XIII в. в. Водные мельницы применялись и в Древней Руси. Об этом впервые в XIII в. в ярлыке хана Менгу-Темира. В дарственную грамоту 1292 г. Галицкого князя Льва Даниловича Спасскому монастырю включены водяные мельницы, а Дмитрий Донской в 1389 г. в духовном завещании назвал все принадлежавшие ему водные мельницы. В 12 известных «Жалованных грамотах Черниговского князя Свидригайла» своим слугам в 1433–1444 г. также упоминаются водяные мельницы. Эти мельницы весьма ценились и поэтому никогда не забывались завещаниях . Так, в завещании князя Владимира Андреевича, 8 написанном в 1440 году, говорится о водных мельницах на реках Яузе и Неглинной. Как свидетельствуют летописи, на Неглинной реке в 1519 г. работали водные мельницы и одна толчея – устройство большого объема для толчения. (Как пишет В.Даль, «какова толчея, таково и толокно»). Там же была выполнена и каменная плотина. Летопись сообщает: «Князь Великий Василий Иванович пруды копал и мельницу каменную доспел на Неглинке…». На Руси в старину строителей водных мельниц называли водными людьми. В 1528 г. была построена водная мельница на большой реке Волхов. Как записано в Новгородской летописи, «… и ограду сдела, и колесо постави, и камень жанровый постави, и камень нача и вертетися, тако видети, кабы ему и молоти». В XVI–XVII вв. водяные мельницы строят в большом количестве также в отдаленных районах Урала, Сибири. В XVII–XIX вв. в эпоху промышленной революции большое количество водохранилищ строится в промышленных районах Западной Европы, а также России для водоснабжения, водного транспорта, обеспечения растущих потребностей в механической энергии за счет использования водной энергии. Водяные колеса широко применяются во всех видах производства на заводах, рудниках, приводя в движение насосы, молоты, воздуходувные меха, вагонетки, рудо подъёмники и другие механизмы, обеспечивают снабжение водой городов. В период XVII–XVIII вв. все возрастающую потребность развивающейся промышленности в энергии могло обеспечить только водное колесо. Водяные двигатели становились все более мощными и более совершенными, их КПД достигал 60–70%. Однако не все производства можно было разместить у реки, при эксплуатации водяных колес возникали трудности, связанные с изменчивостью стока реки в течение года. Тихоходные водяные колеса требовали достаточно сложных передаточных механизмов для увеличения скорости вращения станков. Изобретение парового двигателя и его триумфальное шествие с конца XVIII в. существенно снизило использование водяных колес в производстве XIX в. Возрождение водяного колеса на новой основе в виде гидравлической турбины произошло в XX в., когда наступила эпоха электроэнергетики и водяную мельницу заменила ГЭС. 9 2.3 Технологии прошлого и будущего на стражи экологии В настоящее время водяное колесо стала мене популярным. Его уже почти не везде можно увидеть на реках потому , что его сменили ГидроЭлектро Станции. Два инженера Джон Келлет и Дениэл Чейз вместе со своей командой создали водяное колесо Water Wheel Trash Iзnceptor, в задачу которого входит очищение реки от мусора. Сама эта гениальная машина работает на двух видах энергии : искусственной ( тридцать солнечных панелей ) и естественной ( по движению реки с помощью водного колеса ). Искусственная энергия потребляет 2500 Ватт электрической энергии в день. Этой мощности хватает собрать более 20 тон мусора в день. Конструкция это чудо-машины очень проста. Два заборника подхватывают мусор и подают его к колесу, которое в свою очередь проталкивает его к транспортной ленте, падающей в мусорную корзину, когда корзина наполняется её отцепляют и специальной лодкой перевозят к мясоперерабатывающему заводу. Там его сжигают, а полученную энергию используют в промышленности. При этом этот плавучий очиститель выполняет ещё одну полезную функцию: за счёт ращения колеса он обогащает воду кислородом, что создает благоприятные условия для рыбы. Так же колесо удаляет органические остатки , которые насыщают воду аммиаком , что даже приносит вред живым организмам. Сейчас водяное колесо Water Wheel Trash Inceptor работает на реке Джонс-фалл, поскольку эта река загрязнена отходами. И в скором времени планируется массовое их производство для очистки рек и озёр . 10 Заключение В результате работы над проектом я пришёл к следующим выводам: Первые водяные колеса начали применяться более чем за 3000 лет до н.э. В то время все тяжелые работы выполнялись с помощью мускульной силой животных и рабов. Но в последующие периоды этой силы уже не хватала, и приходилось искать какое-то решение. Так возникла идея использовать энергию воды. Древние люди поняли, что вращающееся водяное колесо может поднимать воду и совершать другую полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом, например мельницы. В дальнейшем водяное колесо получила огромную популярность и начало употребляться почти везде, особенно в Западной Европе и на Руси. Водяные колеса совершенствовались . Первое время использовалось нижнебойное колесо. Оно устанавливалось, по течению реки и было не полностью опушено в воду и работало по принципу (течение давит на лопатки, и колесо вращается). Нижнебойное колесо давала очень мало энергии, и тогда люди подумали, а что будет, если использовать силу падающей воды, таким образом, появилось верхнебойное колесо, которое было установлено так, чтоб вода падала на лопатки колеса, и вращало его с большой энергией. Были придуманы довольно сложные устройства и передаточные механизмы, которые позволяли использовать силу воды не только для помола зерна, но и для производства самых различных работ. Два инженера Джон Келлет и Дениэл Чейз создали в наше время в США чудо-машину в конструкцию которого входит водяное колесо , в задачу которого входит очищение реки от мусора . Как работает это чуда –машина ?Это машина работает следующим образом : два заборника подхватывают мусор и подают его к колесу, которое в свою очередь проталкивает его к транспортной ленте, падающей в мусорную корзину, когда корзина наполняется её отцепляют и специальной лодкой перевозят к мусоперерабатывающему заводу. При этом этот плавучий очиститель выполняет ещё одну полезную функцию: за счёт ращения колеса он обогащает воду кислородом, что создает благоприятные условия для водных обитателей . Таким образом, и в наше время водяное колесо, изобретённое тысячи лет назад, находит своё применение. Работа над проектом дала мне много знаний по истории техники, для 11 понимания закономерностей её развития. На основе этих знаний я создал макет водяного колеса. В основе конструкции, можно увидеть не полностью опушенное нижнебойное водяное колесо, которое держится на разрушенной аркой . Тут же можно увидеть реку , сделанную из силикатного клея, со своими обрывистыми берегами и чудесный осенний лес . 12 Список использованной литературы В.И. Бондаренко “Энергетика: история, настоящие и будущие. Т.1. От огня и воды к электричеству” — Киев- 2005год Веников В.А., Журавлёв В.Р., Филиппова Т.А. Энергетика в современном мире. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 1.-21-е изд., испр. и доп.М.:Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. Левин М. Машина-двигатель (от водяного колеса до атомного двигателя). Издат - « Ленинград” -1957год Математический энциклопедический словарь./ Гл. ред. ; Ред. кол.:, , , , , , .М.: Сов. Энциклопедия, 1988. Человек и машины: Пер. с анг.-М.: Мир, 1986 г. Сайт книги «Энергетика: история, настоящего и будущего» http://energetika.in.ua/ru/books/book-1/part-1/section-3/3-2 Сайт «История изобретения» http://www.ktopridumal.ru/srednieveka/vodyanoe-koleso/ Сайт «Изобретения прошлого» http://oldinvent.ru/?p=124 Сайт « Новые бизнес идеи, новые изобретения » nbiplus.com 13 Приложение Виды водяных колес: а – нижнебойное; б – среднебойное; в – верхнебойное 14 «Старинная водяная мельница» «История изменения водяного колеса» 15 Схема действия гидросилового комплекса XVIII в. К.Д. Фролова:1 – плотина; 2 – водозабор; 3 – водопровод; 4 – водяные колеса; 5 – пилорама;6 – рыбоподъёмник Екатерининской шахты; 7 – рудо подъемник Воскресенской шахты; 8 – главный ствол Екатерининской шахты; 9 – главный ствол Воскресенской шахты;10 – цепной механизм рудоподъемник;11 – штанги приводов насосов; 12 – насосы; 13 – Александровский штрек 16 « Шведское водяное колесо» 17 Водяное колесо Water Wheel Trash Inceptor 18 19
