Из прошлого гидромеханики

П. АРХАНГЕЛЬСКИЙ

Приспособления для подъема и перемещения жидкостей (воды, нефти и т. п.) были известны еще в древнейшие времена. На ранних ступенях своего исторического существования человек мог брать воду лишь самым примитивным способом: с помощью сосуда, привязанного за веревку.

Впервые водочерпалки и водоподъемные снаряды более совершенной формы изобретаются там, где культурное существование народов было неразрывно связано с большой рекой или системой рек. Такое огромное значение имела, например река Нил для древнейшей цивилизации Египта. В такой же степени годичные колебания уровня воды в реке Ян-цзи-ку-янге имели огромное значение для Китая. В равной мере и древняя Вавилония была обязана своим существованием полноводной системе рек Тигра и Ефрата.

Производственной базой этих государств было земледелие. Регулярные разливы рек, принося на поля необходимую влагу, приносили вместе с водой и массу чрезвычайно плодородного ила (перегноя органических остатков, главным образом растений), который, оседая на пашнях, утучнял почву. Для того чтобы равномерно распределить драгоценное вещество и сохранить на время засушливого летнего зноя воду для орошения полей, уже древние народы строили целые системы водохранилищ и водостоков, объединявшие постепенно всю страну в единый производственный организм, подчиненный единому государственному контролю. В этом и заключался обычно секрет неограниченной власти античных деспотий.

*

Возводимые гидротехнические сооружения нуждались не только в целом ряде плотин, запорных щитов и других подсобных устройств, регулирующих распределение воды, но и в различных мелких приспособлениях для переливаний воды на небольших участках для бытовых потребностей или для водопоя. С этими целями придумывались разные снасти, сперва ручные: ковши, лотки, которыми воду просто перебрасывали из одного места в другое. Но даже и в этой еще крайне примитивной форме заметно стремление приспособиться в работе так, чтобы она была наиболее продуктивной. Лотки делались больших размеров и подвешивались наподобие качелей веревками к горизонтальному бруску, укрепленному на стойках. Раскачивая лоток, можно было зачерпнуть довольно много воды и отбросить ее далеко вперед в нужное место.

Однако такой способ был мало производителен, когда воду требовалось поднимать на некоторую высоту. В подобных случаях применялись снаряды, называвшиеся «шадуф». Они своим устройством напоминают деревенские «журавли» у колодцев. Обычно они устанавливались рядами, по несколько штук вдоль краев огромных каменных корыт, расположенных ступенями один выше другого. Переливание воды производилось поочередно, из нижнего водоема в выше лежащий, пока вода не поднималась на нужную высоту. Эти устройства почти без всяких изменений употреблялись в древнем Египте, Индии, Китае и в Мексике. Даже сейчас они еще применяются в китайских и в индусских деревнях.

Гораздо более сложными по устройству были приспособления для подъема воды из глубоких колодцев или из реки с отвесными высокими берегами. Наиболее простое приспособление для таких случаев применялось в Индии. Здесь сила человека была уже заменена силою животного; мало того, в устройстве подъемника применялись блоки. Это был уже механизм, хотя и в самой простой ферме.

Египетские мастера строили уже машины в полном механическом смысле слова с зубчатыми (палочными) колесами и бесконечной цепью черпаков. Такие машины назывались «сакие». Работа их производилась следующим образом. Запряженный в ярмо бык вращал вертикальный вал, движение которого через горизонтальное зубчатое колесо передавалась вертикальному колесу, насаженному на лежачий вал, установленный поперек устья колодца. На этом валу были укреплены одно или два колеса с перекинутыми через них бесконечными веревками, на которых через равные промежутки были подвешены глиняные кувшины. Следуя за вращением колеса, они попеременно опускались в колодец и, зачерпнув воду, опять поднимались наверх.

Египетские мастера строили гидромеханические установки с зубчатыми колесами и бесконечной цепью черпаков. Назывались они "сакие".

Такое устройство представляло собой уже довольно сложную механическую систему. Здесь с помощью зубчатых колес разрешалась задача перевода вращения из вертикальной плоскости в горизонтальную и осуществлялось непрерывное действие рабочей части (водоподъемных кувшинов) механизма. Однако гидротехника эпохи древних восточных деспотий в своем развитии на этом и застыла. Хотя мелиоративные и ирригационные сооружения Египта и достигли грандиозных масштабов, механические средства оставались все же довольно примитивными.

*

Значительный шаг вперед в усовершенствовании способов подъема и перемещения воды был сделан в древней Греции, в эпоху пышного расцвета ее духовной и материальной культуры. За 200 лет до нашей эры многими механическими изобретениями и научными открытиями прославился сиракузский математик Архимед. Он вместе с другим ученым, Героном Александрийским, изобрел ряд гидравлических приборов, в том числе исключительно оригинальной конструкции водоподъемный снаряд, до сих пор носящий имя Архимеда; это так называемый «архимедов винт».

Архимедов винт представлял собой открытую с обоих концов трубу, внутри котором заключена винтовая спираль. При повороте барабана вода загребалась винтовой лопастью и при дальнейшем вращении втягивалась вверх no спиральному каналу, а затеи выливалась из верхнего отверстия трубы.

Он представляет собой открытую с обоих концов деревянную трубу, внутри которой заключена винтовая спираль, образующая по всей длине снаряда винтообразный канал прямоугольного сечения. Так как спиральная перегородка своим внешним ребром вплотную соприкасалась с внутренней окружностью трубы, то труба и находящаяся в ней спираль составляли одно целое. Прибор устанавливался для работы в наклонном положении так, что один конец его погружался в вод, а противоположный выходил наружу. Стержень, проходивший через центр трубы, служил осью вращения. При повороте барабана вокруг его оси вода загребалась винтовой лопастью и при дальнейшем вращении втягивалась вверх по спиральному каналу, а затем выливалась из верхнего отверстия трубы. Снаряд приводился в действие руками или силою животных.

Во времена Архимеда были уже известны еще два типа водоподъемников — сифон и всасывающий и нагнетательный поршневые насосы, изобретение которых приписывается другому греческому ученому Ктезибию.

*

Все эти приборы замечательны тем, что их конструктивные элементы были найдены сперва теоретически, на основе наблюдения над механическими свойствами жидких тел (воды). Греческая наука в некоторой мере опережала практику. Причины этого разрыва коренились в характере античного общества. Основной производительной силой были рабы. Дешевизна их труда делала ненужными технические изобретения, а подневольный труд настолько озлоблял рабов, что они портили даже грубые орудия труда, с которыми им приходилось иметь дело. Обеспеченные трудом рабов привилегированные слои населения греческих городов-государств имели полную возможность заниматься искусствами и наукой. Благодаря именно этим условиям греческая наука, философия и искусство достигли столь высокого совершенства, но благодаря этому же многочисленные научные и технические изобретения, сделанные в эту эпоху, не получили практического применения. Все они остались или чисто научными приборами или превратились в остроумные игрушки.

Некоторые из подобных изобретений были использованы даже жрецами. К дверям храмов незаметно пристраивался приборчик, который при открывании дверей издавал трубный звук. Открывающаяся дверь опрокидывала особой формы сосуд с водой. Вода, выливаясь в другой — пустой сосуд, вытесняла из него воздух, который устремлялся в особую щель с вибрирующей пружиной. Сильная воздушная струя, ударяя в металлическую пластинку, производила звук. Еще эффектнее был жертвенник с фигурами священнослужителей, изливающих вино на алтарь. Аппарат работал нагретым воздухом. Огонь разводился над резервуаром с вином, и нагревающийся воздух, расширяясь, вытеснял вино вверх по трубкам, откуда оно лилось на жертвенный огонь.

Гидромеханические приборы использовались в древних храмах. Таков, например, был жертвенник с фигурами священнослужителей, наливающими вино на алтарь.

На действии тяжести воды и на законе сообщающихся сосудов было в то время основано множество всякого рода автоматов: поющих и хлопающих крыльями птиц, часов, музыкальных органчиков («гидравлосы») и т. п. Широкий полет изобретательской мысли силою вещей принужден был реализоваться в столь мизерных масштабах.

Больше посчастливилось «архимедову винту». Знаменитый римский архитектор Витрувий, около 16 г. до вашей эры описывает подробнейшим образом способ постройки архимедовых винтов как очевидец, часто встречавший их в римском хозяйстве. В эпоху римского владычества винтовые водоподъемники употреблялись, очевидно, на крупных государственных работах для осушения заболоченных местностей при прокладке знаменитых военных трактов.

*

На сравнительно крупных предприятиях для снабжения их водой устанавливались большие водочерпальные барабаны. Внутреннее пространство барабана разделялось на четыре равные части (отсеки), из которых каждая имела входное отверстие для воды. Выпускные отверстия были проделаны со стороны плоскости круга и располагались вокруг вала, несущего барабан. По ободу барабана набивались ступицы, упираясь в которые ногами рабы вращали колесо. Вода выливалась из него на отводной желоб. Устраивались такие водочерпалки и самодействующими. Тогда вместо ступиц на ободе барабана укреплялись лопатки (перья) и текущая вода, ударяясь в них, вращала барабан.

Древне-римский водочерпальный барабан. Но ободу барабана набивались ступицы, упираясь в которые ногами, рабы вращали колесо.

В Риме высокого совершенства достигает искусство сооружения фонтанов, вода в которых под большим напором выбрасывается в высоту в виде одной или нескольких струй. Эти сооружения были необходимы для снабжения питьевой водой двухмиллионного населения крупнейшего города античного мира. Они были необходимы и для освежения жарких каменных площадей и обширных общественных учреждений. Вода подводилась к ним из горных озер по гигантским акведукам (водопроводам), тянувшимся на десятки верст. Обычно фонтаны богато украшались скульптурой, но с технической стороны были весьма просты. Вода подавалась к выводному соплу (трубке) по свинцовым трубам, идущим от распределительных резервуаров, а так как фонтаны не прекращали своего действия никогда, то не было надобности ни в каких запорных кранах или заслонках.

И здесь, как и в Греции, нужно отметить интерес к научной стороне гидромеханических явлений.

Первые столетия после крушения римской империи не только не дали ничего нового в области гидромеханики, но и то, что было изобретено римлянами, было разрушено и забыто. На развалинах римской культуры возникал феодальный строй. В XV—XVI вв. вместе с ростом торговли, возвышением средневековых городов и развитием ремесленных корпораций старое искусство — гидравлика — возрождается вновь. Сперва это было простое воспроизведение забытых египетских и римских образцов. Из колодцев достают воду при помощи «журавлей» или колесных воротов. Применяется и архимедов винт.

Но уже в конце XV ст. архимедов винт делают часто самоходным; к нему по наружной стороне барабана приделывают лопатки так, что поставленный вдоль течения реки он вращался силою этого течения. И сама конструкция несколько изменяется. Внутренний спиральный канал заменяется металлической трубкой, обернутой вокруг толстого ствола. Архимедово устройство как бы выворачивается наизнанку.

Самоходный водяной винт. К наружной стороне цилиндра приделаны лопатки так, что поставленный вдоль течения реки он вращался силой этого течения.

На горных предприятиях работали поршневые цилиндрические насосы, ими откачивали подземную воду из рудников и шахт. Насосные трубы часто приходилось выводить с глубины 50—80 м. Тогда их соединяли в многоэтажную и многоколенную систему.

Насосные трубы соединили в многоэтажную и многоколенную систему.

В области других производственных потребностей широко применялись так называемые «четковые помпы», которые подавали воду наверх при помощи вращающихся бесконечных канатов с утолщениями наподобие четок или бус. Применялись также «патер ностер». Это была бесконечная цепь, насаженная на два вращающихся колеса. К цепи прикреплялся ряд плоских лопаток, которые и зачерпывали воду при вращении колес и подавали ее наверх. В то же время был известен и насос с кожаным мехом. Этот мех мог собираться гармошкой, при этом из него выходил воздух, затем, когда мех вновь растягивался, вода под давлением атмосферы входила в разреженное пространство меха и попадала в отводную трубу.

"Четковые помпы" подавали воду вверх при помощи бесконечных канатов с утолщениями наподобие четок или бус.

"Патер ностер" - бесконечная цепь с плоскими лопатками, насаженная на два вращающихся колеса.

Насос с кожаным мехом. Мех мог собираться гармошкой, при этом из него выходил воздух. Когда мех растягивался, вода поднималась но трубке наверх.

На протяжении XVI—XVII вв. водоподъемные механизмы приобретают разнообразные формы, обусловленные различными техническими и естественными условиями работы. Вот некоторые наиболее интересные из них по устройству.

Крыльчатый круговращательный насос французского инженера Агостина Рамелли. Крылья при вращении рукоятки подхватывают воду, входящую в бочку через боковой прорез, и проталкивают ее вверх по трубе. Насосы этого типа не были всасывающими, так как крылья могли только продвигать воду, поэтому, чтобы добиться нужного эффекта, бочку целиком приходилось погружать в воду.

Крыльчатый круговращательный насос. При вращении рукоятки крылья подхватывают воду, входящую в бочку через боковой прорез, и проталкивают ее вверх по трубе.

Другая чрезвычайно любопытная конструкция была придумана тем же Рамелли. Здесь насосный цилиндр согнут в полукольцо. Через него пропущено поршневое кольцо, вращающееся особым винтом то в одну, то в другую сторону. Благодаря этому вода засасывалась внутрь цилиндра, а затем выбрасывалась из отводных трубок.

Насос Рамелли. Насосный цилиндр согнут в полукольцо. Через него пропущено поршневое кольцо, вращающееся особым винтом то в одну, то в другую сторону.

Наконец, третий тип был изобретен неким Паппенгеймом. Пара плотно прилегающих четырехзубцовых колес вращалась при помощи ручки в закрытом овальном кожухе, имеющем снизу трубу, а сверху выходное отверстие. При быстром вращении колесные зубцы затягивали по трубе воду и выбрасывали ее через верхнее отверстие.

Насос Паппенгейма. Четырехзубцовые колеса вращались ручкой в закрытом овальном кожухе, при этом они затягивали по трубе воду.

Последние три устройства все же не получили широкого применения по той, вероятно, причине, что выполнение отдельных деталей механизмов и их сборка требовали идеальной точности (в противном случае они отказывались работать). Это едва ли было возможно, так как все они делались, главным образом, из дерева, разбухавшего от воды и коробившегося.

*

В богатых торговых городах Италии и Германии возрождается забытое искусство фонтанного дела. Фонтаны снабжали питьевой водой население и украшали города. На рыночных площадях и перед городскими магистратами воздвигаются великолепной работы колодцы и фонтаны.

Особенно изящны и занимательны были небольшие фонтанчики. В струю осторожно вводился легкий золоченный шарик, который, не падая, все время вертелся в воздухе, сверкая мерцающей искрой. В связи с этим следует указать на необычайно интересные водяные кроны водометов. При помощи хитроумных приспособлений из бьющей вверх струи создавались водяные венчики, зонтики, волнующиеся стекловидные вазы и т. п. В XVIII в., в эпоху абсолютистских монархий, фонтанное искусство достигает своего высочайшего расцвета. Грандиозные королевские парки украшаются целыми озерами, из середины которых били настоящие гейзеры.

В XVIII веке, в эпоху абсолютистских монархий, фонтанное искусство достигает высочайшею расцвета.

Параллельно с улучшением техники водоподъема и всего гидравлического дела суммируется и систематизируется опыт предшествовавших поколений механиков. В эти столетия появляются многочисленные сочинения по механике и гидравлике, богато иллюстрированные чертежами и рисунками. Вырабатываются некоторые обязательные правила и приемы для практического проектирования.

У водометов делались необычайно интересные водяные кроны. Создавались водяные венчики, зонтики, волнующиеся стекловидные вазы и т. п.

В конце XVIII в. появилась еще одна разновидность гидромеханического приспособления, так называемая «спиральная помпа». Подъем воды на высоту представлял для средневековой техники одну из наиболее трудных и требовавших настоятельного разрешения задач. Применявшиеся поршневые насосы были громоздки и неудобны в обращении. Деревянные коромысла и штоки ломались, сами поршневые диски были весьма несовершенной формы, плохо прилегали к стенкам цилиндров, кожа, которой они обертывались, скоро разбухала и насос «заедал». Все это сильно затрудняло работу.

Спиральная помпа и была одной из попыток найти иной механический способ подъема воды. Эта машина интересна во многих отношениях. Прежде всего, в ее изобретении главная роль принадлежала науке. Идею ее конструкции предложил и теоретически обосновал знаменитый итальянский математик Даниил Бернулли. Правда, и в данном случае научная теория опиралась на предшествовавший ей практический опыт. Бернулли узнал из книг о построенной в 1746 г. швейцарским механиком Андреасом Вирцем водоподъемной машине, которая в основных чертах воспроизводила водочерпальный барабан Витрувия. Вирц только заменил четыре отсека внутри витрувиева барабана одной спиралеобразной перегородкой, расположенной наподобие часовой пружины. Внешний конец спирали выходил из корпуса барабана наружу в виде черпака, а внутренний — сообщался с трубой, проходившей через центр барабана и служивший ему одновременно осью. Барабан был оснащен прямыми лопатками, благодаря чему вращался, как обычные вододействующие колеса —  силою течения реки.

Речную воду барабан зачерпывал своим выступающим ковшом при каждом обороте вокруг оси. Попав в спиральный канал, вода при последующих оборотах проходила все его завитки и входила в трубу с выходным отверстием.

Очевидно, и Вирц не был вполне оригинальным в своих механических работах, так как за несколько лет до этого французский ученый Белидор описал в своей книге о гидравлическом искусстве водоподъемник, близко напоминающий по идее вирцеву машину. Изучая конструкцию и теорию действия вирцевой машины, Бернулли решил обойтись без громоздкого кожуха и заменить улитку спирально закрученной трубкой наподобие змеевиков, употреблявшихся на винокуренных заводах для перегонки спирта.

Впервые конструкция Бернули была осуществлена в нормальных масштабах машины лишь в 1783 году в России, в подмосковном имении Н. А. Голицына — Архангельском. В княжеском имении эта машина доставляла воду на цветники и конюшни. Это было первое и единственное практическое ее применение. Приобретенная князем Голицыным исключительно из-за оригинальной конструкции, как механическая диковинка, она осталась законсервированной в его имении и не получила ни дальнейшего распространения, ни практической проверки.

Спиральная помпа Бернули, установленная в 1783 году и России для доставки воды на цветники и конюшни (село Архангельское).

*

В XVIII в. практика машиностроения все больше и больше опирается на выводы науки. Научная теория становится отправной идеей для проектирования и изобретательства. Гидравлика из искусства превращается постепенно и науку.