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.
III. Колесо как средство передачи и преобразования вращательного движения
Потребность в передаче вращательного движения возникла уже в древнейшие времена. С развитием машин возрастали роль и задачи передаточного механизма.
Если в повозках колесо должно было облегчить движение, а в двигателях являлось главной частью всего устройства, то уже в рабочих машинах колесо, вернее, набор колес предназначен для передачи вращательного движения и изменения числа оборотов осей.
Первой машиной, потребовавшей решения сложной задачи изменения числа оборотов в широких пределах, были механические часы, изобретенные в XI в.
Вот как рассказывает летописец о первых башенных часах, установленных в Москве в 1404 г.: «Князь великий замысли часник и постави е на своем дворе за церковью за святым благовещением. Сей же часник наречется часомерье: на всякий же час ударяет молотом в колокол, размеряя и расчитая часы нощные и дневные, не бо человек ударяше, но человековидно, самозвонно и самодвижно, страннолепно некако створено есть человеческою хитростью преизмечтано и преухищрено». Последние строки этого рассказа летописца показывают, что его особенно поразила автоматичность действия часов.
«Часы, — писал К. Маркс в письме к Ф. Энгельсу,[2] — это первый автомат, употребленный для практических целей. На их основе развилась вся теория производства равномерных движений. По своему характеру они сами базируются на сочетании полухудожественного ремесла с теорией в прямом смысле слова».
Ярким подтверждением этих слов являются, например, знаменитые «часы яичной фигуры» величиной с утиное яйцо, построенные И. П. Кулибиным. В эти часы вмонтирован миниатюрный автоматический театр. Каждый час раздвигались створчатые двери, и на сцене театра происходило небольшое представление. Часы Кулибина представляют собою непревзойденное чудо техники. Однако необходимо помнить, что даже самые простые карманные часы являются уже весьма сложной машиной. В карманных часах ведущая ось, связанная с заводной пружиной, делает 3 оборота в сутки, а последняя ось, связанная с секундной стрелкой, — 1440 оборотов. Это изменение числа оборотов осуществляется в часах посредством целого набора зубчатых колес.
Но передачу движения и регулирование числа оборотов с помощью колес мы можем видеть в любой машине. Увеличение числа оборотов ведомой оси наблюдается в ручной дрели или в наматывающем механизме швейной машины. Наоборот, в лебедке, в катке для выравнивания асфальта, в землечерпалке ведущая (соединенная с двигателем) ось делает больше оборотов, чем ведомая.
Иногда с регулированием числа оборотов совмещается и другое назначение колес: изменение направления оси вращения, когда, например, требуется передать вращение от горизонтальной ведущей оси к вертикальной ведомой.
Примеры этому можно видеть в старых конструкциях швейных машин, в ручном сверлильном станке и в дрели, в ветряной мельнице. В ветряной мельнице ветер приводит во вращение горизонтальную ось, которая, в свою очередь, вращает вертикальные валы, на которых укреплены жернова. В конном приводе происходит обратное явление: вертикальное вращение ведущей оси преобразовывается во вращение горизонтального вала, приводящего в движение молотилку или какую-либо другую машину. В автомобиле вращение вала, идущего вдоль корпуса, преобразуется во вращение полуосей, несущих колеса и расположенных поперек.
Рассмотрим теперь, как же происходит передача вращения от одной оси к другой.
В простейшем случае два колеса с параллельными осями вращения плотно соприкасаются своими ободами. Если теперь одно из колес начнет вращаться (ведущее колесо), то благодаря трению между ободами начнет вращаться и второе.
При отсутствии скольжения колеса перекатываются одно по другому, т. е. пути, проходимые точками, лежащими на их ободах, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес. Стало быть, большее колесо будет делать, по сравнению со связанным с ним меньшим, во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его размеры превышают размеры последнего.