О.БУЛАНОВА
Чтобы испечь хлеб, нужно измельчить зерно. Первыми инструментами для этого были, как показывают археологические раскопки, каменная ступка и пестик. Некоторым шагом вперед по сравнению с ними явился метод перетирания зерна вместо толчения. Однако это была крайне утомительная работа.
Большим усовершенствованием стал переход от движения вперед-назад к вращению. А от этого было уже легко перейти к вращающимся жерновам.
Зерно подсыпалось в отверстие в середине верхнего жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнем и растиралось в муку. Подобного вида ручная мельница получила самое широкое распространение в Древней Греции и Риме. Конструкция ее очень проста. Основанием служил выпуклый посередине камень. На его вершине располагался железный штифт. Второй камень — вращающийся — имел два колоколообразных углубления, соединенных между собой отверстием. Внешне он напоминал песочные часы и был внутри пустой. Этот камень насаживали на основание.
В отверстие вставлялась железная полоса. При вращении мельницы зерно, попадая между камнями, перетиралось. Мука собиралась у основания нижнего камня. Подобные мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде современных кофемолок, до больших, которые приводили в движение два раба или осел.
Любопытно, что такие мельницы — вовсе не пережиток прошлого. Подобные конструкции до сих пор можно встретить где-нибудь на окраине цивилизации, например, в племенах берберов Египта или троглодитов Туниса. Про африканские племена типа бушменов даже и говорить не стоит! Конечно, с изобретением ручной мельницы процесс размалывания зерна существенно облегчился, но по-прежнему оставался трудоемким и тяжелым. Не случайно именно в мукомольном деле возникла первая в истории машина, работавшая без использования мускульной силы человека или животного. Речь идет о водяной мельнице.
Но сначала древние мастера должны были изобрести водяной двигатель. Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин — чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения полей на берегах. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, которые насаживались на обод большого колеса с горизонтальной осью. При повороте колеса нижние черпаки погружались в реку, затем поднимались к верхней точке колеса и опрокидывались в желоб.
Сначала такие колеса вращались вручную, но там, где воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, колесо стали снабжать специальными лопатками — лопастями. В этом случае под напором течения колесо вращалось и само черпало воду. Так получился простейший насос- автомат, не требующий для своей работы присутствия человека. Если посмотреть на эту конструкцию ретроспективным взглядом, то станет ясно: изобретение водяного колеса имело огромное значение для истории техники.
Впервые человек получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой в своем изготовлении двигатель. Вскоре стало очевидным, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для качания и подъема воды на высоту, но и для других надобностей, например, для того же перемалывания зерна. Однако в равнинных местностях скорость течения рек слишком мала, чтобы вращать колесо силой удара струи.
Тогда для создания нужного напора стали запруживать реку плотиной, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса. (По такому же точно принципу впоследствии начнут работать гидростанции для добычи электроэнергии, но это случится через много-много веков.) В западном мире первыми изобрели два главных компонента, необходимых для создания водяной мельницы, инженеры Эллады: водяное колесо и зубчатую передачу. Вместе с продолжателями технологий Древней Греции — древними римлянами, они первыми использовали это изобретение в работе.
Самые ранние сведения о водяном колесе, дошедшие до наших дней, датируются III в. до н.э. (трактат греческого инженера Филона Византийского «Pneumatica»). Конструктором устройства считается греческий ученый Перахор.
Греческий географ Страбон сообщает в своей «Географии» о водяном колесе для переработки зерна, увиденном в окрестностях дворца царя Митридата VI Евпатора во время путешествия по Малой Азии в 71 г. до н. э. Римский механик и архитектор Витрувий оставил нам первое техническое описание водяной мельницы, датируемой приблизительно 40-10 гг. до н.э.
Устройство приводилось в движение водяным колесом через механизм зубчатой передачи. Он также указывал на существование водных месильных машин. Римский энциклопедист Плиний упоминал в своей «Естественной истории», что около 70 г. до н.э. устройства, работающие за счет силы движения воды, существовали на значительной части территории Италии. Существует свидетельство о наличии водяной мельницы в 73 г. н.э. в Антиохии, на территории римской Сирии.
Вероятно, что с конца I в. до начала II-го существовали и водяные мельницы, используемые для дробления золотосодержащего кварца. Подобные конструкции были обнаружены в римских шахтах по всей Европе, особенно в Испании и Португалии. В I в. н.э. водяной мельничный комплекс «Barbegal», расположенный на юге Франции, был описан как «самое большое из известных приспособлений для концентрации механической энергии в древнем мире».
При его работе использовалось 16 водяных колес для питания соответствующего количества мукомольных мельниц. Производительность устройства оценивалась в 4,5 т муки в сутки, что было вполне достаточно для полного обеспечения хлебом 12500 жителей города Алерт. Аналогичный мельничный комплекс существовал на холме Яникул. Обязанностью мельников, обслуживающих конструкцию, было выполнение поставок муки для населения Рима.
Комплекс был признан императором Аврелианом достаточно важным, чтобы территория холма была включена в стены Аврелиана в конце III в. Наиболее ранним примером механизма, в работе которого использовалось устройство, соединенное с коленчатым валом, является существовавшая в III в. н.э. на территории Иераполя лесопильная мельница. Механизмы с подобным принципом работы были обнаружены при раскопках в Джераше и Эфесе и датируются VI в. н.э.
Самая ранняя водяная турбинная мельница была найдена в Чемтау на территории римской Северной Африки (конец III — начало IV в. н.э). По сведениям Плиния-Старшего водяные мельницы использовались преимущественно для измельчения зерна в муку, но применение устройства в промышленных целях также было достаточно распространенным.
Римляне для получения энергии использовали фиксированные и плавающие водяные колеса, они же ввели использование водяного колеса в других провинциях Римской империи. Т.н. греческие мельницы использовали водяные колеса с горизонтальным колесом (и вертикальным валом), в то время как римские мельницы были оснащены вертикальным колесом (на горизонтальной оси).
Несмотря на то, что на сегодняшний день во время раскопок удалось найти лишь несколько десятков римских мельниц, широкое использование акведуков в римский период показывает, что основное количество водяных мельниц археологам еще предстоит найти. Например, во время недавних раскопок в римском Лондоне обнаружилось, что приливные мельницы (Темза, на которой стоит Лондон, имеет одну очень характерную особенность: это одна из немногочисленных в мире «приливных рек» — уровень воды в ней и направление течения меняются два раза в сутки) использовались вместе с акведуками и располагались на всем протяжении Ривер Флит — 6-километровой лондонской подземной реки.
В 537 г. н.э. судовые мельницы были изобретательно использованы генералом Восточной Римской империи Велисарием. После того, как осаждающие готы перекрыли подачу воды к мельницам, лодки были пришвартованы в месте быстрого течения реки, и благодаря наличию водяных колес, прикрепленных к лодкам, удалось наладить работу мельниц. На момент составления «Книги Судного дня» в 1086 г. на территории Англии насчитывалось около 5624 водяных мельниц.
Согласно более поздним данным, в Англии в то время существовало, по крайней мере, 6082 мельницы, и следует отметить высокую вероятность того, что не все мельницы севера Англии были учтены. К 1300 г. число водяных мельниц возросло до 10-15 тыс. Широкое распространение водяные мельницы получили в средневековье, особенно при монастырях. Бенедикт Нурсийский предписывал каждому монастырю обзавестись своей мельницей. Имелись водяные мельницы и в Древнем Китае.
Старейшие относятся к 30-м гг. н.э., их использовали при выплавке металла, для приведения в движение механизмов и даже для астрономических наблюдений с помощью вращающейся армиллярной сферы. Во времена династии Тан (618-907) было издано «Распоряжение Департамента о водных путях», где указывалось, что водяные мельницы не должны препятствовать движению речного транспорта, посему необходимо ограничить использование устройств в определенные сезоны года. К 610-670 гг. н.э. технология водяной мельницы проникла и в Японию — через Корейский полуостров.
В 641 г. началось использование водяных мельниц в Тибете. В Индию же водяные мельницы пришли в начале IV в. н.э. — из Римской империи, когда некий Метродорос ввел «водяные мельницы и бани, не известные среди брахманов до тех пор». А вот исламские инженеры переняли греческую технологию по изготовлению водяных мельниц из Византии, где она применялась в течение многих столетий в провинциях, завоеванных мусульманами, в том числе на территории современной Сирии, Иордании, Израиля, Алжира, Туниса, Марокко и Испании. К XI в. водяные мельницы в промышленности были введены в эксплуатацию в каждой провинции по всему исламскому миру — от Аль-Андалус и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии.
Промышленные водяные мельницы использовались в работе крупных фабричных комплексов, построенных в Аль-Андалус в XI-XIII вв. Инженеры исламского мира пользовались несколькими путями, позволяющими достигать максимальной отдачи от водяной мельницы.
Нередко мельницы монтировались на опорах мостов, что позволяло воспользоваться увеличением скорости потока в узких местах русла. Другим решением было оборудование корабельных мельниц, позволяющих получать питание от водяных колес, закрепленных на боковых сторонах судов, установленных в середине реки. Эта методика была использована вдоль рек Тигр и Евфрат в Ираке в Х в., где наличие крупных корабельных мельниц из тикового дерева и железа позволяло производить до 10 т муки из кукурузы каждый день для транспортировки в зернохранилища Багдада.
В Иране более 300 водяных мельниц функционировали аж до 1960 г. В настоящее время лишь немногие из них остаются в рабочем состоянии. Одной из самых известных является водяная мельница из Аскзара; не меньшей популярностью среди туристов пользуется мельница города Йезд. На ней до сих пор производят муку.
Создание водяной мельницы считается важной вехой в истории техники. Она стала первой машиной, получившей применение в производстве, своего рода вершиной, которую достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым робким шагом на пути к машинному производству.