طاحونة مائية: قيمة الاكتشاف والنطاق والجهاز ومبدأ التشغيل

2024 مؤلف: Henry Conors | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-12 03:32

كان لاختراع الطاحونة المائية أهمية كبيرة لتاريخ التكنولوجيا وتطورها. تم استخدام الهياكل الأولى من هذا القبيل لفيضان المياه في روما القديمة ، وبعد ذلك بدأ استخدامها للحصول على الدقيق ولأغراض صناعية أخرى.

قصة اختراع

تم اختراع عجلة المياه من قبل الناس في العصور القديمة ، بفضلها حصل الشخص على محرك موثوق به وبسيط ، يتوسع استخدامه كل عام. في وقت مبكر من القرن الأول قبل الميلاد ، وصف العالم الروماني فيتروفيوس مثل هذا الهيكل في أطروحته "10 كتب في العمارة". استند عملها على دوران العجلة من تأثير تدفق الماء على ريشها. وأول تطبيق عملي لهذا الاكتشاف كان إمكانية طحن الحبوب.

يعود تاريخ المطاحن إلى أحجار الرحى الأولى التي استخدمها القدماء للحصول على الدقيق. كانت هذه الأجهزة في البداية يدوية ، ثم بدأوا في استخدام القوة الجسدية للعبيد أو الحيوانات التي تدير عجلة الطحين.

بدأ تاريخ طاحونة المياه باستخدام تصميم عجلة مدفوعة بقوة تدفق النهر لتنفيذهاعملية طحن الحبوب إلى دقيق ، وكان أساس ذلك إنشاء المحرك الأول. تطورت الآلات القديمة من أجهزة الري المسماة chadufons ، والتي كانت تستخدم لرفع المياه من نهر لري الأرض والحقول. تتكون هذه الأجهزة من عدة مجارف مثبتة على حافة: أثناء الدوران ، تم غمرها في الماء ، ثم رفعها ، وبعد رفعها ، قلبوها في مجرى.

ترتيب طواحين الهواء القديمة

بمرور الوقت ، بدأ الناس في بناء طواحين مائية واستخدام قوة الماء لإنتاج الدقيق. علاوة على ذلك ، في المناطق المسطحة ، وبسرعة منخفضة لتدفق الأنهار ، تم ترتيب السدود لزيادة الضغط ، وبالتالي ضمان زيادة مستوى المياه. لنقل الحركة إلى جهاز المطحنة ، تم اختراع المحركات الموجهة ، والتي تم تصنيعها من عجلتين على اتصال مع الحافات.

باستخدام نظام عجلات بأقطار مختلفة ، كانت محاور دورانها متوازية ، تمكن المخترعون القدامى من نقل وتحويل الحركة التي يمكن توجيهها لصالح الناس. علاوة على ذلك ، يجب أن تُحدث العجلة الأكبر عددًا أقل من الثورات بقدر ما يتجاوز قطرها الثانية الصغيرة. بدأ استخدام أنظمة تروس العجلات الأولى منذ ألفي عام. منذ ذلك الحين ، تمكن المخترعون والميكانيكيون من ابتكار العديد من التروس المختلفة ، ليس فقط باستخدام 2 ، ولكن باستخدام المزيد من العجلات.

وصف جهاز طاحونة المياه من العصر القديمفيتروفيوس ، يحتوي على 3 أجزاء رئيسية:

1. محرك يتكون من عجلة عمودية بها ريش تدور بالماء.
2. آلية النقل عبارة عن عجلة مسننة رأسية ثانية (ناقل حركة) تدير عجلة ثالثة أفقية تسمى ترس صغير.
3. آلية التشغيل تتكون من حجرين رحى: الجزء العلوي مدفوع بترس ومثبت على عمودها الرأسي. تم سكب حبوب الطحين في قمع دلو يقع فوق حجر الرحى العلوي.

تم تركيب عجلات مائية في عدة مواضع بالنسبة لتدفق المياه: في اتجاه مجرى النهر - على الأنهار ذات معدل التدفق العالي. الأكثر شيوعًا كانت الهياكل "المعلقة" ، المثبتة على تدفق حر ، مغمورة في الماء بواسطة الشفرات السفلية. بعد ذلك ، بدأوا في استخدام أنواع متوسطة وعالية الثقب من عجلات المياه.

تم الحصول على أقصى قدر ممكن من الكفاءة (الكفاءة=75 ٪) من خلال عمل الأنواع العلوية أو السائبة ، والتي كانت تستخدم على نطاق واسع في بناء طواحين عائمة "الزورق" التي كانت تجري على الأنهار الكبيرة: دنيبر ، كورا ، إلخ

تكمن أهمية اكتشاف طاحونة المياه في اختراع أول آلية قديمة يمكن استخدامها لاحقًا للإنتاج الصناعي ، والتي أصبحت مرحلة مهمة في تاريخ تطور التكنولوجيا.

الهياكل الهيدروليكية في العصور الوسطى

أول طواحين مائية في أوروبا ، وفقًا للبيانات التاريخية ، ظهرت في عهد شارلمان (340 م) في ألمانيا واقترضت من الرومان. في الوقت نفسه ، تم بناء هذه الآليات على أنهار فرنسا ، حيث بحلول نهاية القرن الحادي عشر. بالفعل كان هناك حوالي 20 ألف مطحنة. في نفس الوقت ، كان هناك بالفعل أكثر من 5.5 ألف منهم في إنجلترا.

كانت مطاحن المياه في العصور الوسطى منتشرة في جميع أنحاء أوروبا ، فقد تم استخدامها لمعالجة المنتجات الزراعية (مطاحن الدقيق ، مطاحن الزيت ، آلات ملء الفراغات) ، لرفع المياه من المناجم وفي الإنتاج المعدني. بحلول نهاية القرن السادس عشر كان هناك بالفعل 300 ألف منهم ، وفي القرن الثامن عشر. - 500 ألف. وفي نفس الوقت تم التحسين التقني وزيادة نمو القوة (من 600 إلى 2220 حصان).

كما حاول الفنان والمخترع الشهير ليوناردو دافنشي ، في ملاحظاته ، ابتكار طرق جديدة لاستخدام طاقة وقوة الماء بمساعدة العجلات. اقترح ، على سبيل المثال ، تصميم المنشار العمودي ، والذي تم تشغيله بواسطة تيار من الماء يتم توفيره للعجلة ، أي أصبحت العملية آلية. رسم ليوناردو أيضًا رسومات للعديد من الخيارات لاستخدام الهياكل الهيدروليكية: النوافير وطرق تصريف المستنقعات وما إلى ذلك.

من الأمثلة الصارخة لمحطة الطاقة الكهرومائية آلية إمداد المياه للنوافير وإمدادات المياه في القصور في فرساي وتريانون ومارلي (فرنسا) ، والتي تم بناء سد لها خصيصًا على النهر. سين. من الخزان تم توفير المياه تحت الضغط لـ14 عجلة خارقة للقاع بطول 12 م ، قاموا برفعها بمساعدة 221 مضخة بارتفاع 162 م إلى القناة التي تتدفق منها إلى القصور والنوافير.كان الحجم اليومي للمياه المزودة 5 آلاف متر مكعب^3.

كيف تعمل طاحونة مائية

تصميم مثل هذه المطحنة لم يتغير لقرون عديدة. كانت المادة الرئيسية للبناء هي الخشب ، حيث تم بناء الحظيرة ، وصُنعت العجلات والأعمدة. تم استخدام المعدن فقط في بعض الأجزاء: المحاور ، السحابات ، الأقواس. من حين لآخر ، كانت الحظيرة مبنية من الحجر.

أنواع المطاحن التي تستخدم طاقة مائية:

1. Whorled - مبني على أنهار جبلية سريعة التدفق. حسب التصميم ، فهي تشبه التوربينات الحديثة: تم صنع الشفرات على عجلة عمودية بزاوية مع القاعدة ، عندما انخفض تدفق المياه ، حدث الدوران ، ومنه تحرك حجر الرحى.
2. عجلة ، حيث تدور عجلة "الماء" نفسها. تم بناء نوعين - مع معركة سفلية وعلوية.

جاءت المياه من السد إلى المطحنة العلوية ، ثم تم توجيهها على طول المزلقة إلى العجلة ذات الخنادق ، والتي تدور تحت ثقلها. عند استخدام القتال السفلي ، يتم استخدام تصميم ذي شفرات ، والتي يتم تشغيلها عند غمرها في مجرى مائي. لتحسين كفاءة العمل ، تم استخدام السد في كثير من الأحيان ، مما يمنع سوى جزء من النهر يسمى النعمة.

يوضح الشكل أدناه جهاز طاحونة مائية خشبية نموذجية: تأتي الحركة الدورانية من المحرك السفلي (العجلة) [6] ، في الأعلى يوجد دلو (قبو) [1] للحبوب و a المزلق [2] ، وإطعامه لأحجار الرحى [3]. سقط الدقيق الناتج في الدرج [4] ، ثم انسكب في الصندوق أو الكيس [5].

تم تعديل إمداد الحبوب بواسطة موزع ، وهو صندوق خاص به فتحة أثرت على دقة طحن الدقيق. بعد استلامه كان لابد من غربلة منخل خاص مركب فوق الصدر يتأرجح بآلية صغيرة.

تم استخدام بعض طواحين المياه ليس فقط لطحن الحبوب ، ولكن أيضًا لتقشير الدخن أو الحنطة السوداء أو الشوفان ، والتي تُصنع منها الحبوب. هذه الآلات كانت تسمى الكروبيرس. استخدم أصحاب المشاريع هياكل المطاحن لسحق الجر ، وتلبيد القماش المنزلي ، وتمشيط الصوف ، وما إلى ذلك.

طواحين البناء في روسيا

في السجلات الروسية القديمة ، يأتي ذكر عجلات المياه والطواحين من القرن التاسع. في البداية ، تم استخدامهم حصريًا لطحن الحبوب ، والتي أطلقوا عليها اسم "الدقيق" و "الخبز". في عام 1375 ، منح الأمير بودولسكي كورباتوفيتش دير الدومينيكان الحق في بناء مطحنة حبوب بموجب ميثاق. وفي عام 1389 ، ترك هذا المبنى لزوجة الأمير ديمتري دونسكوي بالإرادة.

في فيليكي نوفغورود ، تعود وثيقة لحاء البتولا تشير إلى بناء مطحنة إلى القرن الرابع عشر. سجلات بسكوف من القرن السادس عشر. أخبر عن بناء مثل هذا الهيكل على نهر فولكوف ، الذي شارك فيه السكان المحليون بالكامل. تم بناء سد يسد جزءا من النهر لكنه انهار بسبب الفيضانات الشديدة.

على الأرض المسطحة ، تم بناء طواحين المياه في روسيا بعجلة تعبئة علوية. في 14-15 قرنا. بدأت الأجهزة الفاسدة بالظهور فيهاتم وضع العجلة أفقيًا على عمود رأسي.

تم إنشاء هذه التصميمات بواسطة أساتذة علموا أنفسهم بدون أي رسومات ومخططات. علاوة على ذلك ، لم ينسخوا الهياكل التي تم إنشاؤها بالفعل فحسب ، بل أضافوا في كل مرة ابتكاراتهم الخاصة إلى أجهزتهم. حتى في زمن بطرس الأكبر ، بدأ أساتذة الدول الأوروبية في القدوم إلى روسيا ، والذين أظهروا مهاراتهم ومعرفتهم في هذا المجال.

تمكن أحد شركاء بيتر ، المهندس الشهير ويليام جينين ، الذي بنى 12 مصنعًا كبيرًا في جبال الأورال ، من ضمان تشغيلها من محطات الطاقة الهيدروليكية. في وقت لاحق ، تم استخدام الطاقة المائية على نطاق واسع من قبل المتخصصين في بناء شركات التعدين وتشغيل المعادن في جميع أنحاء روسيا.

في بداية القرن الثامن عشر ، كان يعمل حوالي 3 آلاف مصنع في جميع أنحاء الإقليم ، والتي تستخدم التركيبات الهيدروليكية لتشغيل الإنتاج. كانت هذه الصناعات المعدنية ، والمناشير ، والورق ، والنسيج وغيرها من المشاريع.

تم بناء المجمع الأكثر شهرة وفريدة من نوعها لتوفير الطاقة لمصنع التعدين والصهر في عام 1787 من قبل المهندس K. D. Frolov في منجم Zmeinogorsk ، والذي لم يكن له مثيل في العالم. تضمنت سدًا ، هياكل سحب المياه ، والتي تمر منها المياه عبر فتحات تحت الأرض إلى قناة مفتوحة (بطول 535 مترًا) إلى مطحنة ، حيث تدور عجلة المنشرة. علاوة على ذلك ، تدفقت المياه عبر القناة الجوفية التالية إلى العجلة المائية للماكينة لرفع الخام من المنجم ، ثم إلى الثالث والرابع. في النهاية ، تدفقت خلال فترة تزيد عن كيلومتر واحد عائدة إلى النهر أسفل السد ، وكان إجمالي مسارها أكثر من 2 كم ،قطر أكبر عجلة 17 م وجميع الهياكل مبنية من مواد محلية: الطين والخشب والحجر والحديد. يعمل المجمع بنجاح منذ أكثر من 100 عام ، ولكن فقط سد منجم Zmeinogorsky نجا حتى يومنا هذا.

تم إجراء بحث في مجال الهيدروليكا من قبل العالم الشهير M. V.. اكتسبت أعمال اثنين من الأكاديميين الروس - د. برنولي وإل أويلر - أهمية عالمية في استخدام قوانين الديناميكا المائية والهندسة الهيدروليكية ووضعت الأساس النظري لهذه العلوم.

استخدام الطاقة المائية في الشرق

تم وصف استخدام عجلات المياه في الصين لأول مرة بالتفصيل في كتاب Sunn Yingxing عام 1637. وهو يوضح بالتفصيل استخدامها في إنتاج المعادن. كانت الهياكل الصينية عادة أفقية ، لكن سعتها كانت عالية بما يكفي لإنتاج الدقيق والمعادن.

بدأ استخدام الطاقة المائية لأول مرة في الثلاثينيات. ن. هـ ، بعد اختراع مسؤول صيني لآلية تبادلية تعتمد على عجلات مائية.

في الصين القديمة ، تم بناء عدة مئات من المطاحن الواقعة على طول الأنهار ، ولكن في القرن العاشر. بدأت الحكومة في حظرهم بسبب إعاقة الملاحة النهرية. توسع بناء المطاحن تدريجياً في الدول المجاورة: اليابان والهند ، في التبت.

عجلات مياه في الدول الإسلامية

دولالشرق ، حيث يعتنق الناس الدين الإسلامي ، هو في الغالب منطقة ذات مناخ شديد الحرارة. منذ العصور القديمة ، كانت إمدادات المياه المنتظمة مهمة للغاية. تم بناء قنوات لتزويد المدن بالمياه ، ولرفعها عن النهر ، وبُنيت طواحين أطلقوا عليها اسم "النوراس".

حسب المؤرخين فإن أولى هذه الهياكل شُيدت قبل خمسة آلاف عام في سوريا ودول أخرى. على نهر العاصي ، وهو من أعمق نهر في البلاد ، انتشر بناء المصاعد على شكل عجلات ضخمة من طواحين المياه ، والتي جرفت المياه بالعديد من الشفرات وزودتها بالقناة.

مثال حي على مثل هذا الهيكل هو مصاعد مدينة حماة ، التي نجت حتى عصرنا ، والتي يعود تاريخ بنائها إلى القرن الثالث عشر. استمروا في العمل حتى يومنا هذا ، كونهم زخرفة ومعلمًا من معالم المدينة.

استخدام الطاقة الكهرومائية في الصناعات المختلفة

بالإضافة إلى الحصول على الدقيق ، امتد نطاق طواحين المياه إلى الأنواع التالية من الصناعات:

• لتحسين وتوفير المياه للمحاصيل في الحقول
• منشرة تستخدم الطاقة المائية لمعالجة الأخشاب ؛
• تعدين ومعالجة المعادن
• في التعدين لمعالجة الأحجار أو الصخور الأخرى ؛
• في مصانع النسيج والصوف ؛
• لرفع المياه من المنجم ، إلخ.

أحد أقدم الأمثلة على الاستخدامالطاقة المائية - منشرة في هيرابوليس (تركيا) ، تم اكتشاف آلياتها أثناء الحفريات وتعود إلى القرن السادس. ن. ه

في بعض الدول الأوروبية ، اكتشف علماء الآثار بقايا المطاحن القديمة من عصر روما القديمة ، والتي كانت تستخدم لسحق الكوارتز المحتوي على الذهب المستخرج من المناجم.

تم بناء أكبر مجمع يستخدم طاقة المياه ، وفقًا للبيانات التاريخية ، في القرن الأول. في جنوب فرنسا تحت اسم Barbegal ، التي تحتوي على 16 عجلة مائية توفر الطاقة لـ 16 مطحنة دقيق ، وبالتالي توفر الخبز لمدينة أليرت القريبة. كل يوم ، تم إنتاج 4.5 طن من الدقيق هنا.

قام مجمع مطاحن مماثل في جانيكولوم هيل بتزويد الإمدادات في القرن الثالث الميلادي. مدينة روما التي قدّرها الإمبراطور أوريليان

إنشاء هيكل مائي بيديك

اكتسب عنصر معماري مثل عجلة المياه شعبية إلى جانب حمامات السباحة أو الشلالات أو النوافير. بالطبع ، تؤدي هذه الهياكل وظيفة زخرفية وليست عملية. كل مالك لديه المهارات اللازمة للعمل مع الأجزاء الخشبية يمكنه بناء طاحونة مائية بيديه.

يوصى باختيار عجلة بحجم لا يقل عن 1.5 متر ولكن لا يزيد عن 10 متر حسب مساحة الموقع. يتم اختيار منزل المطحنة أيضًا وفقًا لغرضه المستقبلي: مبنى لتخزين المخزون ومنطقة لعب للأطفال وتزيين المنطقة.

إنتاج الأجزاء:

• كأساس لعجلة مائية ، يمكنك ركوب دراجة أو شجرة محطمة ، متصلة بها الشفرات ؛ في المركزيجب أن يكون لها أنبوب يدور حوله ؛
• المنتج النهائي مثبت على محامل على دعامتين ، وهما مصنوعان من عوارض من خشب البلوط ، وزوايا معدنية ، وطوب ؛
• في الجزء العلوي من العجلة يجب أن يتلاءم مع المزلق الذي يتدفق من خلاله الماء إلى الشفرات ؛ يتم إحضارها إما من خرطوم بمضخة ، أو تأتي بعد المطر ؛
• يوصى بمعالجة جميع الأجزاء لزيادة عمر الخدمة: خشبي - ملمع ، معدن - مطلي ضد التآكل ؛
• لتصريف المياه ، ووضع القنوات في اتجاه الأسرة أو في حاوية أخرى ؛
• في المرحلة النهائية تم تزيين المبنى بعناصر زخرفية.

سيكون إنشاء طاحونة مائية للزينة في الريف إضافة جمالية رائعة للمناظر الطبيعية.

طواحين الهواء التاريخية الشهيرة

أكبر طاحونة مياه عاملة "ليدي إيزابيلا" تقع بالقرب من قرية ليكسي على جزيرة مان في البحر الأيرلندي. شيد هذا الهيكل عام 1854 من قبل المهندس روبرت كاسيمنت الذي علم نفسه بنفسه تكريما لزوجة الحاكم العام المحلي ، وكان الغرض من بنائه هو ضخ المياه الجوفية من منجم محلي لاستخراج الموارد الطبيعية (الزنك ، الرصاص ، إلخ..).

تم وضع قنوات خاصة تمر من خلالها المياه من الأنهار الجبلية عبر الجسر ويتم تغذيتها لتدوير عجلة قطرها 22 م والتي لا تزال تعتبر الأكبر في العالم بفضلها الكثير من السائحين تمتعت بالفعل بالنجاحسنوات.

من المعالم السياحية الأصلية لفرنسا طاحونة مائية قديمة تقع بالقرب من مدينة فيرنون (فرنسا). يكمن تفرده في حقيقة أنه يرتكز على عمودين من جسر حجري قديم كان يربط ذات يوم ضفاف نهر السين. التاريخ الدقيق لبنائه غير معروف ، ومع ذلك ، وفقًا لبعض المصادر ، تم تشييده خلال فترة معارضة ريتشارد قلب الأسد وكان ذا أهمية استراتيجية. في عام 1883 خلدها الفنان الشهير كلود مونيه على إحدى لوحاته.

إنشاء طاحونة الماء خطوة مهمة في تاريخ التطور التكنولوجي ، لأنه يعتبر التصميم الأول الذي يمكن استخدامه لأغراض مختلفة لمعالجة المنتجات الزراعية وغيرها ، والتي كانت الخطوة الأولى نحو الآلة إنتاج في العالم.