טחנת מים: ערך גילוי, היקף, מכשיר ועיקרון הפעולה

2024 מְחַבֵּר: Henry Conors | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-12 07:18

המצאת טחנת המים הייתה בעלת חשיבות רבה להיסטוריה ולהתפתחות הטכנולוגיה. המבנים הראשונים כאלה שימשו להצפת מים ברומא העתיקה, מאוחר יותר החלו להשתמש בהם להשגת קמח ולמטרות תעשייתיות אחרות.

סיפור המצאה

גלגל המים הומצא על ידי אנשים בימי קדם, שבזכותו קיבל אדם מנוע אמין ופשוט, שהשימוש בו הולך ומתרחב מדי שנה. כבר במאה הראשונה לפני הספירה תיאר המדען הרומי ויטרוביוס מבנה כזה בחיבורו "10 ספרים על אדריכלות". פעולתו התבססה על סיבוב הגלגל מפגיעת זרימת המים על להביו. והיישום המעשי הראשון של גילוי זה היה האפשרות לטחון גרגרים.

ההיסטוריה של טחנות מתחילה באבני הריחיים הראשונות ששימשו אנשים קדומים להשגת קמח. מכשירים כאלה היו בהתחלה ידניים, ואז הם החלו להשתמש בכוח הפיזי של עבדים או חיות שסובב את גלגל הקמח.

ההיסטוריה של טחנת המים החלה בשימוש בעיצוב של גלגל המונע בכוח זרימת נהר לביצועתהליך טחינת הדגן לקמח, והבסיס לכך היה יצירת המנוע הראשון. מכונות עתיקות התפתחו ממכשירי השקיה הנקראים chadufons, ששימשו להעלאת מים מנהר להשקיית אדמה ושדות. מכשירים כאלה היו מורכבים מכמה סקופים שהורכבו על שפה: במהלך הסיבוב הם נטבלו במים, אספו אותם, ולאחר שהרימו אותו, הם הפכו אותו לתוך מצנח.

סידור של טחנות רוח עתיקות

עם הזמן, אנשים החלו לבנות טחנות מים ולהשתמש בכוחם של המים כדי לייצר קמח. זאת ועוד, באזורים המישוריים, במהירות נמוכה של זרימת נהרות, הוקמו סכרים להגברת הלחץ, ובכך הבטיחו עלייה במפלס המים. כדי להעביר תנועה למכשיר הטחנה, הומצאו מנועי הילוכים, שיוצרו משני גלגלים במגע עם חישוקים.

באמצעות מערכת של גלגלים בקטרים שונים, שצירי הסיבוב שלהם היו מקבילים, הצליחו הממציאים הקדמונים להעביר ולשנות תנועה שניתן לכוון לטובת אנשים. יתרה מכך, הגלגל הגדול יותר חייב לבצע פחות סיבובים פי כמה כשהקוטר שלו עולה על השני, הקטן. מערכות ההילוכים הראשונות החלו לשמש לפני אלפיים שנה. מאז, ממציאים ומכונאים הצליחו להמציא וריאציות רבות של גלגלי שיניים, תוך שימוש לא רק בשני, אלא בעוד גלגלים.

המכשיר של טחנת המים של התקופה העתיקה, מתוארויטרוביוס, הכיל 3 חלקים עיקריים:

1. מנוע המורכב מגלגל אנכי בעל להבים המסובבים על ידי מים.
2. מנגנון ההילוכים הוא גלגל שני בעל שיניים אנכיות (תיבת הילוכים) שמסובב גלגל שלישי אופקי הנקרא פיניון.
3. מנגנון הפעלה המורכב משתי אבני ריחיים: העליונה מונעת על ידי גלגל שיניים ומותקנת על הציר האנכי שלו. דגן לקמח נשפך לתוך משפך דלי שנמצא מעל אבן הריחיים העליונה.

גלגלי מים הותקנו במספר עמדות ביחס לזרימת המים: במורד הזרם - בנהרות עם קצב זרימה גבוה. הנפוצים ביותר היו מבנים "תלויים", שהותקנו בזרימה חופשית, שקועים במים על ידי הלהבים התחתונים. לאחר מכן, הם החלו להשתמש בסוגי גלגלי מים בינוניים ובעלי פירסינג.

היעילות המקסימלית האפשרית (יעילות=75%) ניתנה על ידי עבודה של סוגי תקורה או בתפזורת, שהיו בשימוש נרחב בבניית טחנות צפות "קנו" שרצו על נהרות גדולים: הדנייפר, קורה, וכו'

המשמעות של גילוי טחנת המים הייתה שהומצא המנגנון העתיק הראשון, שיכול לשמש מאוחר יותר לייצור תעשייתי, שהפך לשלב חשוב בהיסטוריה של התפתחות הטכנולוגיה.

מבנים הידראוליים מימי הביניים

טחנות המים הראשונות באירופה, לפי נתונים היסטוריים, הופיעו בתקופת שלטונו של קרל הגדול (340 לספירה) בגרמניה ובהושאלו מהרומאים. במקביל, מנגנונים כאלה נבנו על נהרות צרפת, שם עד סוף המאה ה-11. כבר היו כ-20 אלף טחנות. במקביל, כבר היו יותר מ-5.5 אלף מהם באנגליה.

טחנות מים בימי הביניים היו נפוצות ברחבי אירופה, הן שימשו לעיבוד מוצרים חקלאיים (טחנות קמח, טחנות נפט, מלאים), להורדת מים ממכרות ובייצור מתכות. עד סוף המאה ה-16 כבר היו 300 אלף מהם, ובמאה ה-18. - 500 אלף. במקביל התרחש השיפור הטכני שלהם והגדלת הכוח (מ-600 ל-2220 כוחות סוס)

האמן והממציא המפורסם לאונרדו דה וינצ'י, ברשימותיו, ניסה גם הוא להמציא דרכים חדשות להשתמש באנרגיה ובכוח של מים בעזרת גלגלים. הוא הציע, למשל, עיצוב של מסור אנכי, שהופעל על ידי זרם מים שסופק לגלגל, כלומר, התהליך הפך לאוטומטי. ליאונרדו גם עשה שרטוטים של מספר אפשרויות לשימוש במבנים הידראוליים: מזרקות, דרכים לניקוז ביצות וכו'.

דוגמה בולטת לתחנת כוח הידרו הייתה מנגנון אספקת המים למזרקות ואספקת מים של ארמונות בוורסאי, טריאנון ומארלי (צרפת), שעבורם הוקם סכר במיוחד על הנהר. סיין. מהמאגר סופקו מים בלחץ ל-14 גלגלים חודרים לתחתית בגודל 12 מ', הם הרימו אותו בעזרת 221 משאבות לגובה של 162 מ' אל אמת המים, ממנה זרמו לארמונות ולמזרקות.נפח המים היומי שסופקו היה 5,000 מ ר^3.

איך עובדת טחנת מים

העיצוב של טחנה כזו נשאר ללא שינוי במשך מאות שנים. החומר העיקרי לבנייה היה עץ, ממנו נבנתה הרפת, גלגלים ופירים. מתכת שימשה רק בחלקים מסוימים: צירים, מחברים, סוגריים. מדי פעם, הרפת נבנתה מאבן.

סוגי טחנות שהשתמשו באנרגיית מים:

1. סוער - בנוי על נהרות הרים זורמים במהירות. בתכנון, הם דומים לטורבינות מודרניות: להבים יוצרו על גלגל אנכי בזווית לבסיס, כאשר זרימת המים ירדה, התרחש סיבוב, שממנו נעה אבן הריחיים.
2. גלגל, שבו הסתובב גלגל ה"מים" עצמו. נבנו שני סוגים - עם קרב תחתון ועליון.

מים הגיעו מהסכר לטחנה העילית, ואז הם הופנו לאורך המצנח אל הגלגל עם תעלות, שהסתובבו תחת משקלו. בעת שימוש במאבק התחתון, נעשה שימוש בעיצוב עם להבים, אשר מופעלים כאשר הם שקועים בזרם מים. כדי לשפר את יעילות העבודה, נעשה שימוש לעתים קרובות בסכר שחסם רק חלק מהנהר, הנקרא הבון.

האיור למטה מציג את התקן של טחנת מים טיפוסית מעץ: תנועת הסיבוב מגיעה מההנעה התחתון (גלגל) [6], בחלק העליון יש דלי (בונקר) [1] לתבואה ו- מצנח [2], מזין אותו לאבני הריחיים [3]. הקמח שנוצר נפל לתוך המגש [4], ולאחר מכן נשפך לתוך החזה או השקית [5].

התאמת אספקת התבואה בוצעה על ידי מתקן, קופסה מיוחדת עם חור שהשפיעה על עדינות טחינת הקמח. לאחר קבלתו, היה צורך לנפות דרך מסננת מיוחדת המותקנת מעל החזה, שהתנדנדה באמצעות מנגנון קטן.

כמה טחנות מים שימשו לא רק לטחינת תבואה, אלא גם לקילוף דוחן, כוסמת או שיבולת שועל, שמהם הופקו דגנים. מכונות כאלה נקראו קרופרס. בעלים יזמים השתמשו במבני טחנה לחבטות גרירות, לליבוד בדים ספוגים ביתיים, לסירוק צמר וכו'.

בניית טחנות ברוסיה

בכרוניקות הרוסיות העתיקות, האזכור של גלגלי מים וטחנות מתרחש מהמאה ה-9. בתחילה, הם שימשו אך ורק לטחינת תבואה, ועל כך הם זכו לכינוי "קמח" ו"לחם". בשנת 1375 העניק הנסיך פודולסקי קורפטוביץ' למנזר הדומיניקני את הזכות לבנות טחנת תבואה על ידי צ'רטר. ובשנת 1389 הושאר בניין כזה לאשתו של הנסיך דמיטרי דונסקוי בצוואה.

בוליקי נובגורוד, מסמך קליפת ליבנה המזכיר את בנייתה של טחנה מתוארך למאה ה-14. כרוניקות פסקוב של המאה ה-16. לספר על בניית מבנה כזה על נהר וולכוב, שבו הייתה מעורבת כל האוכלוסייה המקומית. נבנה סכר שחסם חלק מהנהר, אך הוא קרס עקב שיטפונות קשים.

בשטח השטוח נבנו טחנות מים ברוסיה עם גלגל עילי ממלא. במאות 14-15. החלו להופיע מכשירים מסובבים שבהםהגלגל הונח אופקית על פיר אנכי.

העיצובים הללו נבנו על ידי מאסטרים אוטודידקטיים ללא כל שרטוטים ודיאגרמות. יתר על כן, הם לא רק העתיקו את המבנים שכבר הוקמו, אלא בכל פעם הוסיפו חידושים משלהם למכשיר שלהם. עוד בתקופתו של פטר הגדול החלו להגיע לרוסיה מאסטרים ממדינות אירופה, שהראו את כישוריהם וידעם בתחום זה.

אחד ממקורביו של פיטר, המהנדס המפורסם וויליאם גנין, שבנה 12 מפעלים גדולים באורל, הצליח להבטיח את פעולתם מתחנות כוח הידראוליות. לאחר מכן, אנרגיית מים הייתה בשימוש נרחב על ידי מומחים בבניית מפעלי כרייה ועיבוד מתכת ברחבי רוסיה.

בתחילת המאה ה-18 פעלו ברחבי השטח כ-3,000 מפעלים שהשתמשו במתקנים הידראוליים לתפקוד הייצור. אלה היו מפעלים מתכות, מנסרה, נייר, אריגה ומפעלים אחרים.

המתחם המפורסם והייחודי ביותר לאספקת אנרגיה למפעל הכרייה וההתכה נבנה בשנת 1787 על ידי המהנדס K. D. Frolov במכרה זמיינוגורסק, שלא היו לו אנלוגים בעולם. הוא כלל סכר, מבני צריכת מים, שמהם עברו מים דרך פתחים תת-קרקעיים לתוך תעלה פתוחה (535 מ' אורכה) לטחנה, שבה הסתובב גלגל המנסרה. בהמשך, מים זרמו דרך הערוץ התת-קרקעי הבא אל ההידרו-גלגל של המכונה להרמת עפר מהמכרה, ואז אל השלישי והרביעי. בסופו, הוא זרם דרך ערוץ באורך של יותר מקילומטר אחד בחזרה לנהר שמתחת לסכר, המסלול הכולל שלו היה יותר מ-2 ק מ,קוטר הגלגל הגדול ביותר הוא 17 מ' כל המבנים נבנו מחומרים מקומיים: חימר, עץ, אבן וברזל. המתחם פועל בהצלחה כבר יותר מ-100 שנים, אך רק הסכר של מכרה זמיינוגורסקי שרד עד היום.

המחקר בתחום ההידראוליקה בוצע גם על ידי המדען המפורסם M. V. Lomonosov, שהוציא את מחשבותיו המדעיות לפועל, והשתתף ביצירת מפעל זכוכית צבעונית המבוססת על הפעלת מתקן הידראולי בעל שלושה גלגלים. עבודותיהם של שני אקדמאים רוסים נוספים - ד' ברנולי ול' אוילר - קיבלו משמעות עולמית בשימוש בחוקי ההידרודינמיקה וההנדסה הידראולית והניחו את היסוד התיאורטי של מדעים אלה.

שימוש באנרגיית מים במזרח

השימוש בגלגלי מים בסין תואר לראשונה בפירוט בספרו של Sunn Yingxing בשנת 1637. הוא מפרט את השימוש בהם לייצור מתכות. מבנים סיניים היו בדרך כלל אופקיים, אבל הקיבולת שלהם הייתה גבוהה מספיק כדי לייצר קמח ומתכת.

השימוש באנרגיית מים החל לראשונה בשנות ה-30. נ. למשל, לאחר המצאה על ידי פקיד סיני של מנגנון הדדי המבוסס על גלגלי מים.

בסין העתיקה נבנו כמה מאות טחנות, הממוקמות לאורך הנהרות, אבל במאה ה-10. הממשלה החלה לאסור אותם בגלל חסימת השייט בנהרות. בניית טחנות התרחבה בהדרגה במדינות שכנות: יפן והודו, בטיבט.

גלגלי מים במדינות האסלאם

מדינותהמזרח, בו אנשים מצהירים על הדת האסלאמית, הוא ברובו טריטוריה עם אקלים חם מאוד. מאז ימי קדם, אספקת מים סדירה הייתה חשובה מאוד. נבנו אמות מים לאספקת מים לערים, וכדי להעלותם מהנהר נבנו טחנות, שכינו "נוריאס".

לפי היסטוריונים, המבנים הראשונים מסוג זה הוקמו לפני 5,000 שנה בסוריה ובמדינות אחרות. על נהר האורונטס, מהעמוקים בארץ, נפוצה בניית מעליות בדמות גלגלי ענק של טחנות מים, שגרפו מים עם להבים רבים וסיפקו אותם לאמה.

דוגמה חיה למבנה כזה היא המעליות של העיר חמה, ששרדו עד ימינו, שבנייתן מתוארכת למאה ה-13. הם ממשיכים לעבוד עד היום, בהיותם גם קישוט וגם ציון דרך של העיר.

השימוש בכוח הידרו בתעשיות שונות

בנוסף להשגת קמח, היקף טחנות המים התרחב לסוגי התעשיות הבאים:

• להטבה ומתן מים לגידולים בשדות;
• מנסרה שהשתמשה בכוח מים לעיבוד עץ;
• מתכות ועיבוד מתכות;
• בכרייה לעיבוד אבנים או סלעים אחרים;
• במפעלי אריגה וצמר;
• להרמת מים מהמכרה וכו'

אחת הדוגמאות הוותיקות ביותר לשימושכוח מים - מנסרה בהיאפוליס (טורקיה), מנגנוניה התגלו בחפירות ותוארכו למאה ה-6. נ. ה.

בכמה מדינות באירופה, ארכיאולוגים גילו שרידים של טחנות ישנות מתקופת רומא העתיקה, ששימשו לריסוק קוורץ המכיל זהב שנכרה במכרות.

המתחם הגדול ביותר שמשתמש בכוח המים נבנה, על פי נתונים היסטוריים, במאה ה-1. בדרום צרפת בשם ברבגל, שהיו לה 16 גלגלי מים שסיפקו אנרגיה ל-16 טחנות קמח, ובכך סיפקו לחם לעיר אלרט הסמוכה. מדי יום יוצרו כאן 4.5 טון קמח.

מתחם טחנה דומה בגבעת ג'אניקולום סיפק אספקה במאה ה-3. העיר רומא, שהייתה מוערכת על ידי הקיסר אורליאן.

יצירת מבנה מים במו ידיכם

אלמנט ארכיטקטוני כמו גלגל מים זכה לפופולריות יחד עם בריכות, מפלים או מזרקות. כמובן, מבנים כאלה מבצעים פונקציה דקורטיבית ולא מעשית. כל בעלים שיש לו את הכישורים לעבוד עם חלקי עץ יכול לבנות טחנת מים במו ידיו.

מומלץ לבחור בגודל גלגל של 1.5 מ' לפחות, אך לא יותר מ-10 מ', תלוי בשטח האתר. בית הטחנה נבחר גם לפי ייעודו העתידי: מבנה לאחסון מלאי, פינת משחקים לילדים וקישוט השטח.

ייצור חלקים:

• כבסיס לגלגל מים, אפשר לקחת אופניים או עץ שהופל, שאליו מחוברים הלהבים; במרכזצריך להיות לו צינור שסביבו הוא מסתובב;
• המוצר המוגמר מותקן על מיסבים על 2 תומכים, העשויים קורות אלון, פינות מתכת, לבנים;
• לראש הגלגל צריך להתאים את המצנח שדרכו זורמים מים אל הלהבים; הוא מובא או מצינור עם משאבה, או שהוא מגיע אחרי גשם;
• מומלץ לעבד את כל החלקים כדי להאריך את חיי השירות: עץ - לכה, מתכת - צבוע נגד קורוזיה;
• לניקוז מים, הנחת תעלות לכיוון המיטות או למיכל אחר;
• בשלב הסופי, הבניין מעוטר באלמנטים דקורטיביים.

הקמת טחנת מים דקורטיבית באזור הכפרי תהיה תוספת אסתטית נהדרת לנוף.

טחנות רוח היסטוריות מפורסמות

טחנת המים הפועלת הגדולה ביותר "ליידי איזבלה" ממוקמת ליד הכפר Lexie באי מאן בים האירי. מבנה זה הוקם בשנת 1854 על ידי המהנדס האוטודידקט רוברט קייסמנט לכבוד אשתו של המושל הכללי המקומי, ומטרת בנייתו הייתה לשאוב מי תהום ממכרה מקומי להפקת משאבי טבע (אבץ, עופרת וכו')..).

הונחו במיוחד ערוצים, דרכם עברו מים מנהרות הרים דרך הגשר והוזנו לסיבוב גלגל בקוטר 22 מ', שנחשב עד היום לגדול בעולם, שבזכותו תיירים רבים כבר נהנו מהצלחהשנים.

אחד המראות המקוריים של צרפת הוא טחנת מים ישנה הממוקמת ליד העיר ורנון (צרפת). ייחודו בעובדה שהוא נשען על 2 עמודים של גשר אבן ישן שחיבר בעבר את גדות הסיין. התאריך המדויק של בנייתו אינו ידוע, אולם לפי מקורות מסוימים הוא הוקם בתקופת ההתנגדות לריצ'רד לב הארי והיה בעל חשיבות אסטרטגית. בשנת 1883, האמן המפורסם קלוד מונה הנציח אותה על אחד מבדי הקנבס שלו.

יצירת טחנת המים היא צעד חשוב בהיסטוריה של הפיתוח הטכנולוגי, מכיוון שהיא נחשבת לעיצוב הראשון שיכול לשמש למטרות שונות לעיבוד מוצרים חקלאיים ואחרים, שהיה הצעד הראשון לקראת מכונה ייצור בעולם.