История ветряной мельницы

Они стали символом Голландии, с ними воевал Дон-Кихот, о них слагались сказки и легенды… О чем речь? Конечно, о ветряных мельницах. Много веков назад они использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для того и другого.

Наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма является ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в I в. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использовать энергию ветра для своего амбициозного проекта по орошению.

В сообщениях мусульманских географов IX в. описываются персидские мельницы. Они отличаются от западных конструкций вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями (парусами). Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе, и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, т.к. паруса жестко связаны с осью, мельница не будет вращаться.

Еще один вид мельниц с вертикальной осью известен как китайская мельница или китайский ветряк, используемый в Тибете и Китае в начале IV в. Эта конструкция значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.

Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса, вращающиеся в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси. Парусов, покрытых тростником или тканью, было от 6 до 12. Эти мельницы использовались для помола зерна или добывания воды и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц.

Описание подобного типа горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, можно найти в китайских документах XIII в. В 1219 г. такая мельница была завезена в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем.

Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали в XVIII-XIX вв. и на территории Европы. Наиболее известными являются мельница Хупера и мельница Фаулера. Вероятнее всего, мельницы, существовавшие на территории Европы в те времена, были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции.

Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 г. Она была расположена в селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в XII в. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерна.

Имеются данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.

При монтаже корпуса мельницы эта деталь получала возможность вращаться по направлению ветра. В северо-западной Европе, где направление ветра меняется очень быстро, это позволяло работать более продуктивно. Основания первых подобных мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте.

Позже была разработана деревянная опора, получившая название эстакады (козлов). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время непогоды. Этот тип мельниц был наиболее распространенным в Европе вплоть до XIX в., до тех пор, пока их не заменили мощные башенные мельницы.

Козловые мельницы имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра, прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах. Исчезала и необходимость поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, т.к. применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах, начиная с XIV в.

Башенные мельницы появились к концу XIII в. Основным их преимуществом являлось то, что в башенной мельнице реагировала на наличие ветра только крыша башенного стана. Это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, а лопасти – большего размера, благодаря чему вращение мельницы становилось возможным даже при слабом ветре.

Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по ветру благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру из-за небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям. Данный тип конструкции получил распространение на территории Британской империи, Дании и Германии.

В странах Средиземноморья башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, т.к. изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.

Усовершенствованным вариантом башенной мельницы является шатровая мельница. В ней каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существовали мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, толем, листовым металлом. Эта легкая по сравнению с башенными мельницами шатровая конструкция делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить мельницы в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип использовали в качестве дренажной конструкции, но позже сфера использования значительно расширилась.

Большое значение в ветряных мельницах всегда имела конструкция лопастей (парусов). Традиционно парус состоит из каркаса-решетки, на который натянута парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности.

В условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.

Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце XVIII в. конструкции, автоматически приспосабливаемой к скорости ветра без вмешательства мельника. Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 г. В этих лопастях ткань заменили механизмом соединенных затворов.

Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, позволявшего мельнику открыть их во время вращения мельницы.

В ХХ в. благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.

Большинство ветряных мельниц имело четыре паруса. Наряду с ними существовали мельницы, оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании, Германии и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.

Мельница с четным числом парусов имела преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей можно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.

Необходимо отметить, что ветряные мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, кроме помола зерна, например, для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.

Общее количество ветряных мельниц в Европе во времена наибольшего распространения этого типа устройств достигало, по оценкам экспертов, количества около 200 тыс. Но эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 тыс. водяных мельниц, существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки зимой замерзали, а также на равнинах, где поток рек был слишком медленным.

С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем ветряные мельницы по-прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца XIX в.

Кроме ветряных мельниц, существовали и ветряные турбины – конструкции, специально разработанные для выработки электроэнергии. Первые ветряные турбины были построены в конце XIX в. профессором Джеймсом Блитом в Шотландии, Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде и Полем ля Куром в Дании.

Имелись также и ветряные насосы. Они использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с IX в. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.

В 1738-1740 гг. в голландском городке Киндердейк были построены 19 каменных ветряных мельниц для защиты низин от затопления. Они перекачивали воду с территории, расположенной ниже уровня моря, в реку Лек, впадающую в Северное море. Кроме перекачивания воды, ветряные мельницы использовались для выработки электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 г. стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.

Стоит также отметить, что ветряные мельницы в 1997 г. были внесены в Список объектов мирового наследия ЮНЕСКО.