Ветряную мельницу человек знает давно и возможности ее использования на свое благо, можно сказать, изучил досконально. Лопасти, приводимые в движение силой ветра, передают вращающий момент к различным механизмам – если раньше они крутили исключительно жернова (от чего и пошло понятие ветряная мельница), то сегодня они вращают практически все что угодно, в том числе и электрогенераторы. Но суть не в этом – на сегодняшний день ветряная мельница, или, как ее еще называют, ветряк, является экологически чистым, а главное, условно бесплатным источником энергии. Только ради этого следует ознакомиться с устройством и принципом работы ветряной мельницы – именно этим мы и займемся в данной статье вместе с сайтом сайт.
Как работает ветряная мельница фото
Ветряные мельницы: устройство и принцип работы
Ветряная мельница, как и все гениальное, работает весьма просто – если говорить понятным языком, то посредством различных механизмов вращение пропеллера, приводимого в движение ветром, передается к устройству, выполняющему ту или иную работу. Если же усложнять все это дело, то конструкцию подобных агрегатов можно представить в виде трех различных узлов, собранных в едином корпусе. Кстати, корпус может быть весьма большим и иметь практически любую форму. Разберемся с этими узлами мельницы подробнее, а заодно и изучим ее принцип работы.
Как видите, работает ветряная мельница довольно просто, несмотря даже на сложность ее механической системы – в принципе, в самом простом исполнении ее конструкцию назвать сложной можно разве что с натяжкой. Основная проблема ее изготовления заключается только лишь в точности изготовления ее деталей – если осилите этот момент в домашних условиях, то все остальное покажется простым делом.
Ветряная мельница своими руками: для чего она может понадобиться
Как и говорилось выше, перерабатывая энергию ветра с помощью ветряной установки, запустить можно достаточно много полезных приспособлений. Но так уж сложилось, что используют их в современном мире сравнительно редко и запускают с их помощью считанное количество приспособлений. Мощность, габариты и зависимость от погоды – вот еще одна проблема, с которой необходимо считаться. И именно эта проблема накладывает некоторые ограничения на область применения ветряных мельниц в современном мире.
О том, как самостоятельно сделать декоративную ветряную мельницу, смотрите в этом видео.
Это, наверное, и все, на что могут сгодиться ветряные мельницы – по большому счету, этого достаточно. Зерно с их помощью точно никто перемалывать не станет и уж тем более никто не будет использовать их для работы сложных станков. Разве что в качестве развлечения.
Как сделать ветряную мельницу своими руками: принцип изготовления
Как вы уже поняли, изготовить своими руками можно практически любую ветряную мельницу, но следует понимать, что от ее назначения могут изменяться некоторые детали конструкции. К примеру, наличие в мельнице генератора электрической энергии потребует от вас выделить в корпусе специальное место для его установки. В целом же, решая вопрос, как сделать ветряную установку, вам придется изготовить как минимум две ее части – если говорить о функциональных мельницах, то и того больше.
В заключение темы про ветряные мельницы скажу несколько слов о подобных установках, только гидравлического принципа действия – в смысле, водяной мельницы. Это не менее популярный дачный декор, который, как и в случае с ветряком, может даже приносить пользу – это, конечно, если ваш дачный участок расположен на берегу тихой речушки. В таком случае могут не только вырабатывать электроэнергию, но и качать воду для . В общем, на этот агрегат тоже нужно обратить внимание – возможно и для вас он окажется весьма полезной вещью, которую при желании также можно достаточно просто изготовить своими руками.
Прародители ветровых мельниц появились почти четыре тысячи лет назад в Египте. Изначально ветряная мельница имела постоянное направление лопастей и ременной привод к оси каменного жернова. Позже в конструкции появились шестерни и подшипники, поворотные механизмы. Такое устройство без радикальных изменений успешно использовалось до начала прошлого века и сейчас тоже имеет применение.
Причины успеха энергии ветра
Характеристики ветровой энергии уникальны. Заслуживают отдельного упоминания свойства, ставшие причиной длительного успеха ветряных мельниц. Сравнение характеристик источников энергии позволяет понять столь продолжительное и географически широчайшее применение энергии ветра:
Но есть у ветра и недостатки. Например, вошедшее в поговорку непостоянство. Направление ветра меняется так часто, что пришлось даже создавать мельницы с вращающимся корпусом. А изменение силы ветра от ураганной до штиля не позволяет рассчитывать на стабильность поступления энергии. Другие природные источники энергии тоже нестабильны и со своими недостатками. Солнце не дает энергии по ночам, а днем может уйти за тучи. Реки есть не везде, а там, где есть, могут пересохнуть или замерзнуть на месяцы.
Еще одним минусом является малая плотность ветра - 1,29 кг/м3. К примеру, плотность воды составляет почти тонну. Для получения одинаковой по величине энергии площадь лопастей у ветряной мельницы должна быть в 750 раз больше, чем у водяной. А для таких конструкций должен быть и соответствующий корпус.
Но, тем не менее, почти четыре тысячи лет ветер был востребован, как источник энергии, на Европейском, Азиатском и Африканском континентах. И сейчас о нем не забывают.
Как ветер крутит лопасти
Так как воздух имеет массу, то движение воздуха имеет кинетическую энергию. Когда на пути ветра, дующего в определенном направлении, появляется предмет, их взаимодействие можно описать с помощью векторов силы. Ветер будет отталкивать препятствие и отталкиваться сам в противоположенном направлении. При этом лопасть, закрепленная на оси конструкции, будет изгибаться вдоль оси вращения и крутиться на ней. Графически это выглядит следующим образом:
Ветер после соприкосновения отражается от лопасти, оставляя ей часть энергии:
- на изгиб лопасти по направлению ветра, чему конструкция противостоит с силой Fл2-1, создающей потенциальную энергию. На величину этой силы уменьшится вектор силы ветра Fв2-1;
- создавая кинетическую энергию вращения, на лопасть действует сила Fл2-2. При этом уменьшается вектор силы ветра Fв2-2, меняя его направление.
Величина кинетической энергии, передаваемой ветром через лопасти, зависит от массы взаимодействующего с лопастью воздуха, скорости его движения, направления относительно лопастей - чем перпендикулярней, тем лучше.
В самой мельнице, кроме конструкции лопастей, можно минимизировать потери на трение, применяя на оси подшипники, а передаточном механизме - шестерни, либо устанавливая генератор непосредственно на ось лопастей.
Зная, как работает мельница, можно попробовать изготовить ее самостоятельно. Хотя бы в декоративных целях.
Как рассчитать крылья мельницы
Сначала нужно решить, для чего и где строить мельницу. Обычно ветровая машина ставится на открытой местности , например - на даче. Если вокруг забора близко и плотно растут деревья, придется делать высокий корпус для ветряка. В этом случае обязательно потребуется фундамент.
Фундамент нужен и невысоким, но тяжелым корпусам. Для дачных дел достаточно по периметру будущего строения уложить на глубину до 0,7 метра бетон или плотные ряды кирпичей. Для декоративных сооружений достаточно подмостить и утрамбовать один слой кирпича, изолирующего сооружение от влаги.
Теперь надо решить, для чего следует строить мельницу . Вариантов много:
- для подъема воды из скважины;
- для получения электроэнергии;
- для отпугивания кротов;
- для хранения садовых инструментов;
- в декоративном назначении.
Порядок вариантов представлен по снижению требований к мощности устройства, т.е. по упрощению механизма. Определение требований к дизайну остается правом и обязанностью владельца.
Сразу запомним, что реальная мощность бытового ветряка не превышает 500 Вт при скорости ветра 5-8 м/с. Однако электроэнергию можно накапливать, включая при необходимости мощные потребители на короткий срок. Например, насос для подъема воды.
Главное в ветряке, это лопасти. В первую очередь для определения конструкции лопастей нужно знать о том, что чем больше мощность - тем большую площадь проекции на плоскость вращения должны иметь лопасти. Это достигается увеличением количества, длины, площади и угла разворота лопастей.
Для расчета средней мощности конструкции потребуется знание силы обычных для местности строительства ветров. Кроме того, лопасти мельницы должны быть перпендикулярны преобладающим направлениям ветра. Эти сведения следует узнать в сети Интернет по запросам "статистика скорости ветра" и "роза ветров" для своего региона.
Осталось подсчитать размер лопастей. Например, средний ветер 5 м/с, а потребляемая мощность электроприбора 100 Вт. Потери на преобразование кинетической энергии вращения оси мельницы в электрическую составят порядка 20% - 40%.
Коэффициент полезного действия можно посчитать, учитывая точные паспортные значения КПД генератора на оси, выпрямителя, стабилизатора, преобразователя постоянного тока в переменный напряжением 220 В. При расчете проценты потерь не суммируются, надо последовательно перемножить КПД каждого прибора, чтобы получить КПД системы преобразования вращения в электричество. Еще половина мощности ветра теряется на лопастях.
Снизить потери преобразования можно исключив, например, преобразователь постоянного тока в переменный, если исполнительное устройство может работать от аккумулятора. Отсутствие какого-либо другого устройства также возможно, если напряжение и ток не имеют большого значения для работы устройства - например, небольшая лампочка накаливания, еще практичнее - светодиодная.
Мощность ветрогенератора прямо пропорциональна плотности воздуха
, умноженного на скорость ветра в третьей степени (для 5 м/с - 125). Если разделить результат на удвоенную площадь проекции лопастей на плоскость вращения,получается мощность, которую может выработать генератор на оси вращения лопастей.
Для примера можно посчитать площадь проекции для 4 лопастей шириной 0,5 м, образовывающих при вращении круг диаметром 2 м, закрепленные под углом 60 градусов к плоскости вращения. Площадь по формуле d/2*sin(30)*0.5*4 равна 2/2*0,25*4=1 квадратному метру.
Такая конструкция, при наиболее распространенном в России среднем значении скорости ветра 5 м/с, получает от ветра энергию в количестве 1,29*125/2*1 = 80 Вт. Снять половину на преобразование во вращательное движение, убрать 25% на преобразование в электроэнергию и останется около 30 Вт для потребителей. Максимальная ветровая мощность при таком ветре на лопастях, полностью перекрывающих в проекции площадь круга, может вырасти в 3,14 раза. В итоге потребителю достанется максимум около 100 Вт. Не так уж и плохо.
Если в декоративных целях использовать светодиоды, размеры мельницы изменятся до смешных, был бы низкий ветер вдоль земли.
Без преобразования в электрическую используют энергию ветра для отпугивания мелких насекомых, живущих под землей. Достаточно опустить на 15 сантиметров в углубление деревянную ось, вращающуюся от ветряка, как вибрация почвы отпугнет их на несколько метров, не мешая хозяевам.
Разновидности лопастей ветряков
Конструкции лопастей бывают не только с вертикальным вращением, но и с горизонтальным. Лопасти могут иметь винтовую конструкцию , изменяемую парусность. Строились мельницы на века и так, чтобы в каждом строении была уникальность. Современные конструкции тоже поражают разнообразием.
Статистика и перспективы
В России конца 19 века работали около 200 000 мукомольных мельниц. Обычный ветряк вырабатывал мощность 3,5 кВт, большой с диаметром лопастей 24 метра - до 15 кВт. Суммарная вырабатываемая ими мощность в то время доходила до 750 мВт. Сейчас используются ветряные электрогенераторы и считанные единицы мельниц другого назначения. А энергии все они вырабатывают в 50 раз меньше, чем 100 лет назад, целых 15 мВт. Планы развития. конечно. создаются, ведь потенциал ветра над нашей страной составляет десятки миллиардов киловатт.
Пока планы не реализовались, можно перефразировать известное выражение Владимира Маяковского и сказать: "Если мельницы строят - значит - это кому-то нужно? Значит - кто-то хочет, чтобы они были?" Завораживающая красота работающих мельниц стала мощным вдохновляющим фактором для умельцев, создающих шедевры во дворах и на дачных участках.
Пейзаж с ветряными мельницами нам более знаком на полотнах европейских мастеров живописи восемнадцатого-девятнадцатого века.
Сейчас множество работающих ветряных мельниц можно увидеть только в Нидерландах. Правда, они там вовсе не муку мелют, хотя есть и такие. Они откачивают воду из одних каналов в другие. Как же была устроена ветряная мельница? Увидеть это можно разве что в Прибалтике и самих Нидерландах. Первое, что нужно сделать, чтобы она хорошо работала, - поймать ветер. Для этого ее крышу разворачивали в нужном направлении с помощью специального колеса и рычага. Колесо как раз и было связано с крышей. Когда крыша достигала требуемого положения, колесо стопорили специальной цепью. Затем отпускали специальный тормоз, и крылья мельницы начинали вращаться, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Вал, на котором крепились крылья, через деревянные передавал вращение на главную вертикальную ось.
Применение.
Далее устройство ветряной мельницы могло быть разным. С ее помощью откачивали воду, отжимали масло из семян, даже изготавливали с ее помощью бумагу и пилили лес, ну и, конечно, мололи муку. Мельница для муки делала свою работу с помощью все тех же каменных жерновов. С появлением парового и других видов двигателей она, можно сказать, утратила свое значение для промышленности. Но в наше время, когда люди учатся беречь энергию и природу, ветряная мельница возродилась в другом качестве, как дешевый и экологичный источник электроэнергии. Сотни ветряков, ее правнуков, работают в Голландии, Нидерландах и Германии. В США, Канаде и Австралии отдаленные фермерские хозяйства с успехом используют ветровые генераторы для производства электричества для нужд дома и хозяйства.
Декоративный элемент. Его строительство.
Сегодня ветряная мельница получила популярность в качестве декоративного элемента приусадебного хозяйства. Сделать ее несложно. Такая мельница, своими руками собранная возле загородного дома или дачи, украсит любой уголок сада. Начинается работа с изготовления фундамента. Роется яма на глубину 70 см, и закладывается кирпичный фундамент. Из 50х50 сваривается каркас по размерам 80х120х270. Каркас обшивается брусом 40х40. Можно конструкцию сверху обшить вагонкой. Каркас устанавливается на фундамент. Древесину сверху покрывают защитной пропиткой в несколько слоев. Изнутри корпус утепляется пенопластом и фанерой. Далее выполняется крыша. На стропила крыши стелется сплошная обрешетка, которая затем укрывается рубероидом в два слоя. На рубероид укладывается кровельный материал. Затем собирается механизм. Подбирается и устанавливается ось и два подшипника. Собираются лопасти из деревянных планок с сечением 20х40мм, которые скрепляются с помощью саморезов. Лопасти устанавливаются на ось. Верхняя часть фундамента также обшивается брусом. Внутреннее помещение можно использовать для хранения, например,
Мельницы.Конструкция водяной мельницы. - ч.3.Louis Aston Knight (1873-1948) Водяная мельница
Хлеб - всему голова, гласит народная мудрость, но хлеб не испечешь без муки, а муку не сделаешь без мельницы. Конечно, можно обойтись и без них, как обходятся люди, проживающие в пустынных районах земного шара. Они размалывают зерно ручными жерновами, но это примитивный ручной труд и в развитии своем, эти народы не далеко ушли от первобытных племен. По мере развития промышленности, водяное колесо стали применять не только для переработки зерна, но и в других сооружениях, которые так же назывались мельницами.Так именовались железоделательные, лесопильные, бумагоделательные, текстильные и ряд других предприятий. Водяная мукомольная мельница была одним из первых технических устройств, жизненно необходимых для человека. Получается, что без мельницы не может быть и прогресса в технике и развития человечества. На рисунке изображена конструкция современной мельницы
с приводом от подливного колеса 6 бункером 1 для зерна и желобом 2, по которому зерно подается к жерновам 3.Мука попадает в лоток 4 и оттуда ссыпается в мешок 5.
Конструкция водяных мельниц за многие века особенно не изменилась. Основные механические элементы остались неизменны. Основным материалом для постройки служила древесина. Из нее строили и амбар и колеса, и валы, и всю прочую снасть По устройству водяные мельницы разделялись на мутовчатые и колесные. Мутовчатые представляли собой прообраз современной турбины. Колесные мельницы бывают двух типов: верхнего и нижнего боя. Устройство водяных мельниц всех типов во многом одинаково. Из бревен рубили амбар. В половине амбара, на высоте плеча, настилали массивный потолок. На нем помещали жернова: нижний - лежак и верхний - бегун. В середине его - отверстие (глазок). Жернова огораживались кожухом. Жерновые камни должны были быть особого свойства. От них требовалась прочность, вязкость и пористость. Часто жернова приходилось везти издалека. В зависимости от водных запасов и силы реки мельницы бывали и с несколькими поставами, то есть при одном амбаре имелось два водяных колеса и два мукомольных агрегата. Строили мельницы без каких-либо чертежей. Вся "техническая документация" находилась у мастеров в памяти. Конечно, за образец брались уже имеющиеся в округе мельницы, но
приходилось что-то менять и добавлять новое в виду особенностей местности. Запруда делалась простейшими подручными средствами. Вспахивали участок целины и из дерна выкладывали плотину. Плотные, ровные пласты, которые тянулись на несколько сажень укладывали слой за слоем. Для крепления применяли жерди, колья, связки из хвороста.
Зимой в сильные морозы некоторые мельницы временно останавливались. Иногда над колесом делалось укрытие-"тепляк" в виде соломенного шатра, но помогало это мало. Весной, во время половодья плотину могло прорвать и ее возводили заново. Чтобы этого не случилось, плотины снабжали подъемным щитом-затвором, через которую уходили излишки воды. Энергию падающей на колесо с лопастями воды россияне научились использовать в начале второго тысячелетия. Водяные мельницы всегда были окружены ореолом таинственности, овеяны поэтическими легендами, сказаниями и суевериями. Мельницы-колесухи с омутом и водоворотом сами по себе небезопасные конструкции, что отражено в русской пословице: «Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет».
Производительность мельницы зависела от размера камня и скорости его вращения. Жернова брали диаметром от 50 до 120 сантиметров. На маловодных речках ставился небольшой бегун, и вращался он в пределах 60 оборотов в минуту. Река полноводнее могла крутить камень побольше, и совершал он до 150 оборотов. В зависимости от этого один постав размалывал от одного пуда (16 кг) до четырех пудов (64 кг) в час. На некоторых водяных мельницах не только мололи зерно. Здесь работали и крупорушки. Эти машины обдирали просо, гречиху, овес и делали из них крупу. На них же можно было снимать лузгу с подсолнечных зерен, подготовляя их к выжимке масла. Кроме пшеницы, ржи, ячменя, полбы мололи и другие зерновые культуры: горох, просо, крупу гречневую, овсяную, пшено, рожь на солод. Делались и специальные приспособления для толчения кудели, сукновальню для валяния домотканого сукна, чесальный барабан для шерсти.
водяная мельница - это один из ранних памятников человеческого знания. Она несет в себе и элементы техники и архитектуры, т.о. является "музеем под открытым небом" причем не в современном индустриальном пейзаже, а расположена в живописнейших уголках природы. И природу эту не загрязняет, являясь экологически чистым производством. Мельницы появились при римлянах. Они строили водяные мельницы с подливными и верхнебойными, или наливными, колесами. Первые приводились в действие импульсом падающей воды, вторые - ее весом. Самые древние приспособления для перемалывания зерна в муку и обдирания его в крупу сохранялись в России как семейные мельницы до начала ХХ в. и представляли собой ручные жернова из двух круглых в сечении камней из твердого кварцевого песчаника диаметром 40—60 см. Древнейшим типом мельниц считаются сооружения, где жернова вращались с помощью домашних животных. Последняя мельница такого типа прекратила свое существование в России в середине ХIХ в.
Самая существенная часть мукомольной мельницы —мельничный постав
или снасть - состоит из двух жерновов: верхнего, или бегуна, А
и - нижнего, или нижняка, В
. Жернова представляют каменные круги значительной толщины, имеющие в средине сквозное отверстие, называемое очком, а на мелющей поверхности т. н. насечку (см. ниже). Нижний жернов лежит неподвижно; его очко плотно закрыто деревянною втулкою, кружловиною g
, сквозь отверстие в центре которой проходитъ веретено С
; на вершине последнего насажен бегун посредством железного стержня CC
, укрепленного концами в горизонтальном положении в очке бегуна и называемаго параплицею, или порхлицею. В средине параплицы (и, следовательно, в центре жернова) с нижней ее стороны проделано пирамидальное или коническое углубление, в которое и входитъ соответственно заостренный верхний конец веретена С
. При таком соединении бегуна с веретеном, первый вращается при вращении последнего и, в случае надобности, легко снимается с веретена. Нижний конец веретена вставлен шипом в подшипник, укрепленный на балке D
. Последнюю можно поднимать и опускать и таким образом увеличивать и уменьшать раcстояние между жерновами. Веретено С
вращается помощью т. н. цевочной шестерни Е
; это - два диска, надетые на веретено в небольшом расстоянии друг от друга и скрепленные между собою, по окружности, вертикальными палочками. 
Цевочная шестерня вращается помощью лобового колеса F
, имеющего на правой стороне своего обода зубья, захватывающие за палочки цевочной шестерни и таким образом вращающие ее вместе с веретеном. На ось Z
надето крыло, которое и приводится в движение ветром; или, в водяной мельнице, - водяное колесо, приводимое в движение водою. Зерно вводится через ковш а
и очко бегуна в промежуток между жерновами. Ковш состоит из воронки а
и корытца b
, подвешенного под очком бегуна. Размол зерна происходит в промежутке между верхнею поверхностью нижняка и нижнею бегуна. Оба жернова одеты кожухом N
, который препятствует разбрасыванию зерен. По мере размола, зерна подвигаются действием центробежной силы и напором вновь прибывающих зерен) от центра нижняка к окружности, падают с нижняка и идут, по наклонному желобу, в пеклевальный рукав R
—для просеивания. Рукав Е сделан из шерстяной или шелковой ситяной ткани и помещен в закрытом ящике Q
, из которого выставляется его нижележащий конец. Сначала просеивается тонкая мука и падает в задней части ящика; более грубая высевается в конце рукава; отруби задерживаются на ситке S
, а самая грубая мука собирается в ящик T
.
Поверхность жёрнова разделена глубокими желобами, называемыми бороздами , на отдельные плоские участки, называемые мелющими поверхностями . От борозд, расширяясь, отходят более мелкие желобки, называемые оперением . Борозды и плоские поверхности распределяются в виде повторяющегося рисунка, называемого гармошкой . У типичного мукомольного жёрнова имеется шесть, восемь или десять таких гармошек. Система желобов и желобков, во-первых, образует режущую кромку, а во-вторых, обеспечивает постепенное ссыпание готовой муки из-под жерновов. При постоянном использовании жернова́ требуют своевременного подтачивания , то есть подравнивание краев всех желобов для поддерживания остроты режущей кромки.
Жернова используются парно. Нижний жёрнов устанавливается стационарно. Верхний жёрнов, он же бегун, — подвижный, и именно он производит непосредственное перемалывание. Подвижный жернов приводится в движение крестообразным металлическим «штифтом», установленным на головке главного стержня или ведущего вала, вращающегося под действием основного механизма мельницы (использующего энергию ветра или воды). Рельефный рисунок повторяется на каждом из двух жерновов, таким образом обеспечивая эффект «ножниц» при размалывании зерен.
Жернова должны быть одинаково сбалансированными. Правильное взаимное расположение камней критически важно для обеспечения помола муки высокого качества.
Лучшим материалом для жерновов служит особенная каменная порода - вязкий, твердый и неспособный полироваться песчаник, называемый жерновым камнем. Так как каменные породы, в которых все эти свойства развиты достаточно и при том равномерно, встречаются редко, то хорошие жернова весьма дороги.
На трущихся поверхностяхъ жернов делают 
насечку
, т. е. пробивают ряд углубленных бороздок, и промежутки между этими бороздками приводят в грубо-шероховатое состояние. Зерно попадает во время размола между бороздками верхнего и нижнего жернов и разрывается и разрезывается острыми режущими краями бороздок насечки на более или менее крупные частицы, которые размалываются окончательно по выходе из бороздок. Бороздки насечки служат также какъ бы путями, по которым размалываемое зерно подвигается от очка к окружности и сходить с жернова. Так как жернова, даже из лучшего материала, стираются, то насечка должна быть возобновляема время от времени.
John Constable (1776-1837). Мельница Флэтфорда. Вид со шлюза на Стуре
Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения берегов. За девять столетий до рождения Христа в Китае изобрели водяное колесо- деревянное колесо с лопастями, вращаемое потоком воды. Это была первая машина, работавшая без использования мускульной силы человека, и называлась она чадуфон. С помощью чадуфонов поднимали из реки воду для орошения. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, насаженных на обод большого колеса с горизонтальной осью. При повороте колеса нижние черпаки погружались в воду реки, затем поднимались к верхней точке колеса и опрокидывались в желоб.
Сначала такие колеса вращались вручную, но там, где вода бежит по крутому руслу, колесо стали снабжать специальными лопатками. С изобретением водяного колеса человек впервые получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой двигатель. Оставался один шаг до водяной мельницы. Китайцы утверждают, что этот шаг они сделали первыми и изобрели сначала водяную мельницу с горизонтальным колесом, затем придумали колесную зубчатую передачу и повернули водяное колесо в вертикальную плоскость.Но первым водяную мукомольную мельницу с вертикальным колесом и зубчатой передачей описал римский архитектор и механик Витрувий, живший в 1 веке до РХ:
«… на реках ставят колеса… К их ободам прибивают лопасти, которые будучи толкаемы течением реки приводят своим движением колесо во вращение и таким образом, набирая воду черпаками и поднимая ее кверху, доставляют нужное количество воды без помощи топчака, вращаясь от самого напора реки.
Таким же способом вертятся водяные мельницы, в которых все то же самое, кроме зубчатого барабана, насаженного на один конец оси. Вертикально поставленный на ребро, он вращается в одной плоскости с колесом. К этому большому барабану примыкает меньший, лежачий, тоже зубчатый с которым соединены жернова. Так зубцы барабана насаженного на ось, толкая зубцы лежачего, приводят жернова во вращение. Из висящего над этой машиной ковша на жернова сыплется зерно, из которого посредством того же вращения получается мука
».
Альбрехт Дюрер. Водяная мельница. 1489. Акварель и гуашь, бумага
Под напором течения колесо вращалось и само черпало воду. Получился простейший насос-автомат, не требующий для своей работы присутствия человека. 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 воды, но и для других надобностей, например, для перемалывания зерна. В равнинных местностях скорость течения рек мала для того, чтобы вращать колесо силой удара струи. Для создания нужного напора стали запруживать реку, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса.
Однако изобретение двигателя сразу породило другую задачу: каким образом передать движение от водяного колеса тому устройству, которое должно совершать полезную для человека работу? Для этих целей был необходим специальный передаточный механизм, который мог бы не только передавать, но и преобразовывать вращательное движение. Разрешая эту проблему, древние механики опять обратились к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Представим себе два колеса с параллельными осями вращения, которые плотно соприкасаются своими ободьями. Если теперь одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес.
François Boucher (1703— 1770) .Старая водяная мельница.
Стало быть, большее колесо будет делать по сравнению со связанным с ним меньшим во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если мы разделим диаметр одного колеса на диаметр другого, то получим число, которое называется передаточным отношением данной колесной передачи. Представим себе передачу из двух колес, в которой диаметр одного колеса в два раза больше, чем диаметр второго. Если ведомым будет большее колесо, мы можем с помощью этой передачи в два раза увеличить скорость движения, но при этом в два раза уменьшится крутящий момент. Такое сочетание колес будет удобно в том случае, когда важно получить на выходе большую скорость, чем на входе. Если, напротив, ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение.
В реальной практике передаточные колеса с гладким ходом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие, и колеса проскальзывают. Этот недостаток можно устранить, если вместо гладких колес использовать зубчатые. Первые колесные зубчатые передачи появились около двух тысяч лет назад, однако широкое распространение они получили значительно позже. Дело в том, что нарезка зубьев требует большой точности. Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, без рывков и остановок, зубцам необходимо придавать особое очертание, при котором взаимное движение колес совершалось бы так, как будто они перемещаются друг по другу без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут попадать во впадины другого. Если зазор между зубьями 
колес будет слишком велик, они станут ударяться друг о друга и быстро обломаются. Если же зазор слишком мал — зубья врезаются друг в друга и крошатся.
Расчет и изготовление зубчатых передач представляли собой сложную задачу для древних механиков, но уже они оценили их удобство. Ведь различные комбинации зубчатых колес, а также их соединение с некоторыми другими передачами давали огромные возможности для преобразования движения. Например, после соединения зубчатого колеса с винтом, получалась червячная передача, передающая вращение из одной плоскости в другую. Применяя конические колеса, можно передать вращение под любым углом к плоскости ведущего колеса. Соединив колесо с зубчатой линейкой, можно преобразовать вращательное движение в поступательное, и наоборот, а присоединив к колесу шатун, получают возвратно-поступательное движение. Для расчета зубчатых передач обычно берут отношение не диаметров колес, а отношение числа зубьев ведущего и ведомого колес. Часто в передаче используется несколько колес. В таком случае передаточное отношение всей передачи будет равно произведению передаточных отношений отдельных пар.
Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, появилась водяная мельница. Впервые ее детальное устройство описано древнеримским механиком и архитектором Витрувием. Мельница в античную эпоху имела три основные составные части, соединенные между собой в единое устройство: 1) двигательный механизм в виде вертикального колеса с лопатками, вращаемого водой; 2) передаточный механизм или трансмиссию в виде второго вертикального зубчатого колеса; второе зубчатое колесо вращало третье горизонтальное зубчатое колесо — шестерню; 3) исполнительный механизм в виде жерновов, верхнего и нижнего, причем верхний жернов был насажен на вертикальный вал шестерни, при помощи которого и приводился в движение. Зерно сыпалось из воронкообразного ковша над верхним жерновом.
Плотина. С. Жуковский, 1909 г.
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.
***
Жди горя с моря, беды от воды. Вода и мельницу ломает.
Каждый мельник на свою мельницу воду льет.
Когда нет коня, поехать на мельницу на осле — не позор.
Без воды мельница не мелет.
Большая мельница малой водой не вертится.
Вода всю мельницу унесла, а ты спрашиваешь, где желобок.
Вода и мельницу ломает.
Водой мельница стоит, да от воды ж и погибает.
Голова без ума, что мельница без воды.
Денег много - мельницу заведи.
Не мельница, а мутовка. Молоть не мелет, а только воду мутит.
Работающей мельнице некогда замерзать.
Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет (т. е. утопит человека).
Ум молодого, что мельница без воды.
Чем больше воды, тем лучше для мельницы.
В свое время ветряная мельница была важным строением, которое позволяло осуществлять большое количество операций. С ее помощью можно было легко измельчить зерно в муку или на корм для скота. Сегодня мельницами, которые работали бы от потока ветра или воды, никто не пользуются, но их с успехом применяют в ландшафтном дизайне. Ков принцип работы мельницы и можно ли ее собрать самостоятельно? Об этом речь пойдет в статье.
Принцип работы
Принцип работы ветряной мельницы можно описать довольно просто. В качестве движущей силы используются потоки воздуха, которые постоянно перемещаются. Ветер воздействует на три основных узла:
- лопасти;
- передающий механизм;
- механизм, выполняющий работу.
В мельницах, которые использовались раньше, лопасти могли достигать в длину несколько метров каждая. Это делалось для увеличения площади захвата ветра. Размеры подбирались в зависимости от того, какую функцию выполняла мельница. Если мощность мельницы требовалась больше, то и пропеллер был больше. Самыми большими лопастями оснащались мельницы, которые мололи муку. Это связано с тяжелыми жерновами, которые необходимо было вращать. Форма лопастей ветряка со временем совершенствовалась, и они создавались в согласии с законами аэродинамики, что дало возможность увеличить их эффективность.
Следующим модулем ветряка, который следует за лопастями является редуктор или передающий механизм. Иногда таким модулем служил только вал, на который были смонтированы лопасти. На втором конце вала находился инструмент, который выполнял работу. Но такой механизм ветряка не отличается особой безопасностью и надежностью. Остановить мельницу при необходимости попросту невозможно. Кроме того, вал мог легко сломаться, если его чем-то заклинило. Редуктор является более эффективным и изящным решением. Он подходит для того, чтобы преобразовать вращение лопастей в полезную работу различного характера. Кроме того, разъединив компоненты редуктора, можно легко прекратить взаимодействие.
Оборудование, которое могло применяться и применяется с мельницей является самым разнообразным. Кроме жерновов, это могут быть различные измельчители на основе лезвий, благодаря которым в короткие сроки можно приготовить корм для скота. На мельницах могло быть установлено столярное оборудование, которое приводилось в действие силой ветра.
Где можно использовать мельницу
Мельницы испытывают второе рождение, но это не объясняется возвратом к методам производства, которые использовались раньше. Все больше людей задается вопросом о принципе действия такой конструкции. Те, кто одним глазом видели небольшую ветряную мельницу, которая была установлена у кого-то в саду, захотели иметь мельницу и у себя на участке. Мельница может стать именно той изюминкой, которой не хватало для территории сада с деревьями. Мельница придает индивидуальности любому участку. Сложно найти две одинаковые мельницы, которые были бы сделаны своими руками. Каждый мастер вносит свои наработки.
Ветряную мельницу можно доработать и задействовать в качестве генератора электрической энергии. Это позволит освещать территорию двора с использование светодиодных лампочек и не платить за электричество. Для этого потребуются определенные знания физики и смекалка. Похожим образом можно задействовать мельницу, если на участке протекает небольшой ручеек.
Подход к ландшафтному дизайну должен быть умеренным. Без особых сложностей можно насадить разнообразие цветов и других растений, но смотреться это будет безвкусно. В каждом проекте должна быть своя изюминка. Ровно подстриженным газоном редко кого можно удивить. Мельница на участке даст возможность выделиться. Возле нее можно оборудовать небольшой уголок для отдыха после тяжелого дня, она может быть тайником для дорогих сердцу мелочей. О других возможностях использования такой мельницы рассказано ниже.
Дополнительные способы использования
Ветряная мельница может быть не только генератором и простым элементом, который украсит участок. У нее может быть и другое практическое применение. Именно поэтому стоит хорошо подумать, где именно ее можно установить. Например, если по садовому участку проведена система автоматического полива, то, скорее всего, может присутствовать люк, в котором находятся все водопроводные узлы. Такой люк невозможно скрыть под газонной травой, но, если этого не сделать, тогда он будет выделяться и портить вид. Как раз в этом случае на помощь придет мельница. Она может быть смонтирована непосредственно на крышку люка, чем скроет ее. При этом у посетителей не возникнет подозрений в том, что что-то не так.
Не всегда элементы канализации спрятаны в люки. Кроме того, на газоне могут быть и другие элементы, которые необходимо скрыть. За счет того, что материал для мельницы подбирается легкий, то он не может повредить элементы. Также корпус выполняется в виде колпака, поэтому может быть установлен сверху. Если соорудить мельницу больших габаритов, то этому нескончаемо рады будут дети. Они смогут использовать мельницу для игр с друзьями. Если конструкция будет применяться именно таким способом, то ее необходимо хорошо укрепить, чтобы она не травмировала чад. Кроме того, понадобится вход, который необходимо сделать с обратной стороны.
Для ухода за садом и газоном применяется немало инструмента. Удобнее, если он будет находиться непосредственно на участке и за ним не придется возвращаться в кладовку возле дома. В этом тоже может помочь мельница. Внутри мельницы можно оборудовать отличное помещение для хранения инвентаря. Чтобы он хранился как можно компактнее, можно соорудить различные садовые органайзеры. Мельницу можно соорудить из природного камня или огнеупорного кирпича. В этом случае можно все продумать так, чтобы она служила мангалом. Для этого также можно соорудить небольшой столик.
Обратите внимание! Проблемой для многих являются кроты, которые постоянно перерывают территорию сада. Можно частично решить этот вопрос с помощью мельницы. Она способна передавать вибрации от вращения. Делается это благодаря тому, что ножки вкапываются в землю минимум на 20 см. Дополнительно можно смонтировать в конструкции ветряка вибромоторы, которые будут отпугивать животных.
Изготовление своими руками
К изготовлению мельницы нельзя подходить легкомысленно. Хотя конструкция ветряка и может казаться довольно простой, но необходимо все правильно рассчитать. Только в этом случае можно получить действительно стоящее изделие, которое сможет украсить участок. Первым делом необходимо выбрать территорию, на которой будет установлена конструкция ветряка. Если поместить изделие между деревьев, то оно там затеряется и не будет радовать глаз, кроме того, сила ветра между деревьями меньше, поэтому вращение лопастей может практически отсутствовать, что будет плохо при наличии генератора внутри.
Обратите внимание! На открытую местность проще доставить требуемые материалы, а также легче проводить сборку лопастной конструкции ветряка.
После выбора участка под ветряк производится его уборка и подготовка. Первым делом выполняется очистка от различных элементов, которые могут мешать. Это касается старых веток, кустарников или большого сорняка. Если раньше на участке росло дерево, то потребуется выкорчевать пенек. После уборки убирается трава и снимается небольшой участок грунта в том месте, где будет располагаться мельница. Далее подготавливается фундамент, на который будет смонтирован ветряк.
Чертеж
Нет строгих правил по сборке собственного варианта мельницы. Основной задачей будет нарисовать хороший схематический рисунок. На нем должны быть видны все детали мельницы. В зависимости от выбранного участка и целей, которые назначены для мельницы подбираются размеры. Их необходимо указать непосредственно на эскизе. Пример виден на фото выше. Следующим шагом идет подбор материала для мельницы. В его качестве подойдет древесина, но ее необходимо обработать антисептиком, а также покрыть лаком, чтобы она не разбухала от воздействия влаги, а также не была изъедена вредителями.
Обратите внимание! Отличным решением для конструкции ветряка будет сосна. Она пропитана смолами, поэтому прекрасно отталкивает влагу. Стоимость такой древесины сравнительно невысока, поэтому она отлично подходит для задуманного.
Подготовка фундамента
Когда с размерами все ясно, можно перейти к изготовлению фундамента для ветряка. Это необязательная процедура, но она требуется, если ветряк будет значительных размеров и применяться, как служебное помещение. Выкапывается небольшая яма на глубину в 50 см. Слоем в 15 см делается подсыпка щебня, таким же пластом укладывается песок средней зернистости. Его необходимо хорошо утрамбовать и выровнять, чтобы ветряк стоял ровно. Далее выставляется опалубка на ту высоту, на которую будет возвышаться фундамент для ветряка. В большинстве случаев она не требуется.
Внутрь ямы под фундамент ветряка укладывается армирующая сетка. Она изготавливается из арматуры, которая переплетается между собой вязальной проволокой. Сверху производится заливка бетона. Его необходимо хорошо утрамбовать, чтобы не было пустот, из-за которых в фундаменте ветряка могли бы пойти трещины. Монтаж ветряка на фундамент можно производить по истечении нескольких недель.
Сборка
Первым делом для мельницы понадобится каркас. Его можно изготовить из деревянного бруса с размерами 5×5 см. Крепить его необходимо не к бетонному основанию, а к небольшому ростверку. Его можно изготовить из бруса с размером 10×10 см. Из бруса изготавливается квадрат или прямоугольник. Все будет зависеть от выбранной конструкции. Элементы прочно соединяются между собой. Необходимо проверить соответствует ли каждый гол 90°. После этого на фундамент под мельницу укладывается слой гидроизоляции из рубероида. Он необходим, чтобы влага от бетона не повредила древесину. На рубероид укладывается деревянная конструкция основы ветряка и прикручивается к основанию анкерами.
Следующим шагом будет установка каркаса из бревен. На четырех углах крепятся стойки под мельницу. Чаще всего стенки мельницы имеют трапециевидную форму, поэтому бруски крепятся не под прямым углом, а с небольшим уклоном. Для этого их необходимо предварительно обрезать. Фиксация к основанию производится металлическими уголками. Когда четыре стойки для мельницы находятся на своих местах, делается верхняя обвязка. Дополнительно крепятся поперечные распорки, которые увеличат прочность всей конструкции мельницы. Это как раз тот момент, когда необходимо укрепить места, где будет располагаться окно и двери.
Следующим шагом сооружается крыша мельницы. В ветряках отлично смотрится небольшая двускатная крыша. Из брусков сооружаются треугольные фермы, которые монтируются сверху мельницы. После этого производится обшивка всех стен ветряка, кроме лицевой. Обшивку ветряка можно осуществить деревянной вагонкой или блок-хаусом. Ближе к крыше с лицевой стороны ветряка фиксируется механизм, на который будет установлены лопасти. Это может быть труба, в которую запрессовано несколько подшипников. Закрепить ее можно на горизонтальные перекладины каркаса ветряка с помощью хомутов. В подшипники вставляется металлический вал от лопастей. Его можно изготовить из отрезка арматуры.
Одним из самых сложных элементов ветряка является пропеллер. Выше приведена примерная конструкция лопастей для ветряка. Размеры можно пропорционально увеличить в зависимости от того, какие габариты имеет конкретная конструкция ветряка. После этого пропеллер устанавливается на подготовленный ранее вал. Теперь можно зашить переднюю стенку ветряка. Далее в ветряк монтируется окно и двери, а также выполняется организация внутреннего пространства. В качестве кровельного настила для ветряка подойдет профнастил или металлическая черепица. Видео о сборке декоративного ветряка есть ниже.
Обратите внимание! Важно предусмотреть механизм, который будет стопорить вал ветряка. Это понадобится во время сильного ветра, чтобы лопасти ветряка не были повреждены.
Резюме
Как видно, ветряк или мельница может оказаться довольно полезным дополнением саду. Благодаря своему уникальному виду ветряк однозначно будет привлекать внимание прохожих и гостей. Кроме того, ветряк значительно упростит задачу по обслуживанию сада. Внутри мельницы можно разместить насосное оборудование и основные узлы управления, что сохранит их от неблагоприятных погодных условий.
