Kinu cha maji: thamani ya ugunduzi, upeo, kifaa na kanuni ya uendeshaji

2024 Mwandishi: Henry Conors | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-02-12 13:10

Uvumbuzi wa kinu cha maji ulikuwa wa umuhimu mkubwa kwa historia na maendeleo ya teknolojia. Miundo kama hiyo ya kwanza ilitumiwa kufurika maji katika Roma ya kale, baadaye ilianza kutumika kupata unga na kwa madhumuni mengine ya viwanda.

Hadithi ya Uvumbuzi

Gurudumu la maji lilivumbuliwa na watu katika nyakati za zamani, shukrani ambayo mtu alipokea injini ya kuaminika na rahisi, ambayo matumizi yake yamekuwa yakipanuka kila mwaka. Mapema karne ya kwanza KK, mwanasayansi wa Kirumi Vitruvius alielezea muundo kama huo katika mkataba wake "Vitabu 10 juu ya Usanifu". Kitendo chake kilitokana na mzunguko wa gurudumu kutoka kwa athari ya mtiririko wa maji kwenye vile vile. Na matumizi ya kwanza ya vitendo ya ugunduzi huu ilikuwa uwezekano wa kusaga nafaka.

Historia ya vinu inaanzia kwenye vinu vya kwanza vilivyotumiwa na watu wa kale kupata unga. Vifaa kama hivyo mwanzoni vilikuwa vya mwongozo, kisha vilianza kutumia nguvu za kimwili za watumwa au wanyama ambao waligeuza gurudumu la unga.

Historia ya kinu cha maji ilianza kwa matumizi ya muundo wa gurudumu linaloendeshwa kwa nguvu ya mtiririko wa mto kutekelezamchakato wa kusaga nafaka kuwa unga, na msingi wa hii ilikuwa uundaji wa injini ya kwanza. Mashine za kale zilitokana na vifaa vya umwagiliaji vilivyoitwa chadufons, ambavyo vilitumiwa kuinua maji kutoka kwenye mto ili kumwagilia ardhi na mashamba. Vifaa kama hivyo vilijumuisha scoops kadhaa zilizowekwa kwenye ukingo: wakati wa kuzunguka, ziliwekwa ndani ya maji, kuinuliwa, na baada ya kuinua, waliipindua kuwa chute.

Mpangilio wa vinu vya upepo vya zamani

Baada ya muda, watu walianza kujenga vinu vya maji na kutumia nguvu ya maji kuzalisha unga. Aidha, katika maeneo ya gorofa, kwa kasi ya chini ya mtiririko wa mito, mabwawa yalipangwa ili kuongeza shinikizo, na hivyo kuhakikisha ongezeko la kiwango cha maji. Ili kupitisha harakati kwenye kifaa cha kinu, injini za gia zilivumbuliwa, ambazo zilitengenezwa kutoka kwa magurudumu mawili yaliyogusana na rimu.

Kwa kutumia mfumo wa magurudumu ya kipenyo tofauti, ambao shoka zao za mzunguko zilikuwa sambamba, wavumbuzi wa kale waliweza kuhamisha na kubadilisha harakati ambazo zinaweza kuelekezwa kwa manufaa ya watu. Zaidi ya hayo, gurudumu kubwa lazima lifanye mapinduzi machache mara nyingi kama kipenyo chake kinazidi cha pili, ndogo. Mifumo ya gia ya magurudumu ya kwanza ilianza kutumika miaka elfu 2 iliyopita. Tangu wakati huo, wavumbuzi na makanika wameweza kuja na tofauti nyingi za gia, kwa kutumia sio 2 tu, bali magurudumu zaidi.

Kifaa cha kinu cha maji cha enzi ya kale, kimeelezwaVitruvius, iliyo na sehemu kuu 3:

Injini inayojumuisha gurudumu wima yenye blade zinazozungushwa na maji.
Taratibu za upokezaji ni gurudumu la pili la wima lenye meno (usambazaji) ambalo hugeuza la tatu mlalo linaloitwa pinion.
Utaratibu wa kuwezesha unaojumuisha mawe mawili ya kusagia: la juu linaendeshwa na gia na kupachikwa kwenye shimoni lake la wima. Nafaka ya unga ilimiminwa kwenye funeli ya ndoo iliyo juu ya jiwe la kusagia.

Magurudumu ya maji yaliwekwa katika nafasi kadhaa kuhusiana na mtiririko wa maji: chini ya mkondo - kwenye mito yenye kiwango cha juu cha mtiririko. Ya kawaida ilikuwa miundo ya "kunyongwa", iliyowekwa kwenye mtiririko wa bure, iliyoingizwa ndani ya maji na vile vya chini. Baadaye, walianza kutumia aina za magurudumu ya maji ya kutoboa wastani na juu.

Ufanisi wa juu unaowezekana (ufanisi=75%) ulitolewa na kazi ya aina za juu au nyingi, ambazo zilitumika sana katika ujenzi wa vinu vya kuelea vya "mitumbwi" iliyopita kwenye mito mikubwa: Dnieper, Kura, nk

Umuhimu wa ugunduzi wa kinu cha maji ulikuwa kwamba mitambo ya kwanza ya kale ilivumbuliwa, ambayo baadaye ingeweza kutumika kwa uzalishaji wa viwandani, ambayo ikawa hatua muhimu katika historia ya maendeleo ya teknolojia.

Miundo ya majimaji ya zama za kati

Vinu vya kwanza vya maji huko Uropa, kulingana na data ya kihistoria, vilionekana wakati wa utawala wa Charlemagne (340 BK) huko Ujerumani nazilikopwa kutoka kwa Warumi. Wakati huo huo, mifumo kama hiyo ilijengwa kwenye mito ya Ufaransa, ambapo mwishoni mwa karne ya 11. tayari kulikuwa na viwanda 20 elfu. Wakati huo huo, tayari kulikuwa na zaidi ya elfu 5.5 kati yao nchini Uingereza.

Vinu vya maji katika Enzi za Kati vilienea kote Ulaya, vilitumika kusindika bidhaa za kilimo (vinu vya unga, vinu vya mafuta, vijazio), kwa kuinua maji kutoka migodini na katika uzalishaji wa metallurgiska. Mwishoni mwa karne ya 16 tayari kulikuwa na elfu 300 kati yao, na katika karne ya 18. - elfu 500. Wakati huo huo, uboreshaji wao wa kiufundi na ongezeko la ukuaji wa nguvu (kutoka 600 hadi 2220 farasi) ulifanyika.

Msanii na mvumbuzi maarufu Leonardo da Vinci, katika maelezo yake, pia alijaribu kubuni njia mpya za kutumia nishati na nguvu za maji kwa usaidizi wa magurudumu. Alipendekeza, kwa mfano, muundo wa saw wima, ambayo iliwekwa na mkondo wa maji iliyotolewa kwa gurudumu, yaani, mchakato ukawa automatiska. Leonardo pia alichora michoro ya chaguzi kadhaa za kutumia miundo ya majimaji: chemchemi, njia za kumwaga kinamasi, n.k.

Mfano wa kutokeza wa mtambo wa kufua umeme ulikuwa utaratibu wa usambazaji wa maji kwa chemchemi na usambazaji wa maji wa majumba ya Versailles, Trianon na Marly (Ufaransa), ambayo bwawa lake lilijengwa maalum kwenye mto. Seine. Kutoka kwenye hifadhi, maji yalitolewa chini ya shinikizo kwa magurudumu 14 ya kutoboa chini ya urefu wa m 12. Waliinua kwa usaidizi wa pampu 221 hadi urefu wa 162 m hadi mfereji wa maji, ambayo ilitoka kwenye majumba na chemchemi. Kiwango cha kila siku cha maji kilichotolewa kilikuwa m3 elfu 5^3.

Jinsi mashine ya kusagia maji inavyofanya kazi

Muundo wa kinu kama hicho umesalia bila kubadilika kwa karne nyingi. Nyenzo kuu kwa ajili ya ujenzi ilikuwa mbao, ambayo ghalani ilijengwa, magurudumu na shafts zilifanywa. Metal ilitumiwa tu katika sehemu fulani: axles, fasteners, mabano. Mara kwa mara, ghala lilijengwa kwa mawe.

Aina za vinu vilivyotumia nishati ya maji:

Iliyojaa - imejengwa juu ya mito ya milimani inayotiririka kwa kasi. Kwa muundo, zinafanana na turbine za kisasa: vilele vilitengenezwa kwenye gurudumu la wima kwa pembe hadi msingi, wakati mtiririko wa maji ulianguka, mzunguko ulitokea, ambapo jiwe la kusagia lilihamia.
Gurudumu, ambalo gurudumu la "maji" lenyewe lilizunguka. Aina mbili zilijengwa - kwa vita vya chini na vya juu.

Maji yalitoka kwenye bwawa hadi kwenye kinu cha juu, kisha yalielekezwa kando ya chute hadi kwenye gurudumu lenye mitaro, ambayo ilizunguka chini ya uzani wake. Wakati wa kutumia mapambano ya chini, kubuni na vile hutumiwa, ambayo huwekwa kwenye mwendo wakati wa kuzama kwenye mkondo wa maji. Ili kuboresha ufanisi wa kazi, bwawa lilitumiwa mara nyingi, ambalo lilizuia sehemu ya mto tu, inayoitwa boon.

Kielelezo hapa chini kinaonyesha kifaa cha kinu cha kawaida cha maji cha mbao: mwendo wa mzunguko hutoka kwenye kiendeshi cha chini (gurudumu) [6], juu kuna ndoo (bunker) [1] kwa nafaka na chute [2], kulisha kwa mawe ya kusagia [3]. Unga uliosababishwa ulianguka kwenye trei [4], na kisha kumwagika kwenye kifua au mfuko [5].

Marekebisho ya usambazaji wa nafaka yalifanywa na kisambazaji, kisanduku maalum chenye tundu lililoathiri usagaji wa unga. Baada ya kuipokea, ilihitajika kuchuja kupitia ungo maalum uliowekwa juu ya kifua, ambao ulizunguka kwa kutumia utaratibu mdogo.

Baadhi ya vinu vya maji vilitumika sio tu kusaga nafaka, bali pia kumenya mtama, buckwheat au oats, ambayo nafaka zilitengenezwa. Mashine kama hizo ziliitwa croupers. Wamiliki wa ujasiriamali walitumia miundo ya kinu kwa kukokota, kwa kukata nguo za nyumbani, kuchana pamba, n.k.

Vinu vya ujenzi nchini Urusi

Katika historia za kale za Kirusi, kutajwa kwa magurudumu ya maji na vinu kulitokea kutoka karne ya 9. Hapo awali, zilitumiwa tu kwa kusaga nafaka, ambazo ziliitwa "unga" na "mkate". Mnamo 1375, Prince Podolsky Korpatovich aliipatia monasteri ya Dominika haki ya kujenga kinu cha nafaka kwa hati. Na mnamo 1389, jengo kama hilo liliachwa kwa mke wa Prince Dmitry Donskoy kwa mapenzi.

Huko Veliky Novgorod, hati ya gome la birch inayotaja ujenzi wa kinu ilianza karne ya 14. Historia ya Pskov ya karne ya 16. sema juu ya ujenzi wa muundo kama huo kwenye Mto wa Volkhov, ambao wakazi wote wa eneo hilo walihusika. Bwawa lilijengwa ambalo liliziba sehemu ya mto, lakini liliporomoka kutokana na mafuriko makubwa.

Kwenye ardhi tambarare, vinu vya maji nchini Urusi vilijengwa kwa gurudumu la kujazia juu ya ardhi. Katika karne 14-15. vifaa whorled alianza kuonekana ambayogurudumu liliwekwa mlalo kwenye shimoni wima.

Miundo hii iliundwa na mabwana waliojifundisha bila michoro na michoro yoyote. Zaidi ya hayo, hawakunakili tu miundo iliyojengwa tayari, lakini kila wakati waliongeza ubunifu wao wenyewe kwenye kifaa chao. Hata wakati wa Peter Mkuu, mabwana kutoka nchi za Ulaya walianza kuja Urusi, ambao walionyesha ujuzi na ujuzi wao katika eneo hili.

Mmoja wa washirika wa Peter, mhandisi maarufu William Genin, ambaye alijenga mitambo mikubwa 12 katika Urals, aliweza kuhakikisha utendakazi wake kutoka kwa mitambo ya kuzalisha umeme kwa maji. Baadaye, nishati ya maji ilitumiwa sana na wataalamu katika ujenzi wa biashara ya madini na ufundi chuma kote Urusi.

Mwanzoni mwa karne ya 18, takriban viwanda elfu 3 vilifanya kazi katika eneo lote, ambavyo vilitumia usakinishaji wa majimaji kwa utendakazi wa uzalishaji. Hizi zilikuwa metallurgical, sawmill, karatasi, weaving na biashara nyinginezo.

Mchanganyiko maarufu na wa kipekee wa kutoa nishati kwa mtambo wa kuchimba madini na kuyeyusha ulijengwa mnamo 1787 na mhandisi K. D. Frolov kwenye mgodi wa Zmeinogorsk, ambao haukuwa na analogi ulimwenguni. Ilijumuisha bwawa, miundo ya ulaji wa maji, ambayo maji yalipitia aditi za chini ya ardhi hadi kwenye mfereji wazi (urefu wa mita 535) hadi kinu, ambapo gurudumu la sawmill lilizunguka. Zaidi ya hayo, maji yalitiririka kupitia chaneli inayofuata ya chini ya ardhi hadi kwenye gurudumu la maji la mashine ya kuinua madini kutoka mgodini, kisha hadi ya tatu na ya nne. Mwishowe, ilitiririka kupitia aditi yenye urefu wa zaidi ya kilomita 1 kurudi kwenye mto chini ya bwawa, njia yake yote ilikuwa zaidi ya kilomita 2,kipenyo cha gurudumu kubwa zaidi ni m 17. Miundo yote ilijengwa kutoka kwa vifaa vya ndani: udongo, mbao, jiwe na chuma. Jengo hilo limekuwa likifanya kazi kwa mafanikio kwa zaidi ya miaka 100, lakini ni bwawa la mgodi wa Zmeinogorsky pekee ndilo lililosalia hadi leo.

Utafiti katika uwanja wa majimaji pia ulifanyika na mwanasayansi maarufu M. V. Lomonosov, ambaye aliweka mawazo yake ya kisayansi katika vitendo, akishiriki katika uundaji wa biashara ya kioo ya rangi kulingana na uendeshaji wa ufungaji wa hydraulic na magurudumu matatu.. Kazi za wasomi wawili zaidi wa Kirusi - D. Bernoulli na L. Euler - zilipata umuhimu wa ulimwengu katika matumizi ya sheria za hidrodynamics na uhandisi wa majimaji na kuweka msingi wa kinadharia wa sayansi hizi.

Kutumia nishati ya maji katika Mashariki

Matumizi ya magurudumu ya maji nchini Uchina yalielezewa kwa kina kwa mara ya kwanza katika kitabu cha Sunn Yingxing mwaka wa 1637. Kinaeleza kwa undani matumizi yake kwa utengenezaji wa metallurgiska. Miundo ya Kichina kwa kawaida ilikuwa ya mlalo, lakini uwezo wake ulikuwa wa juu vya kutosha kuzalisha unga na chuma.

Matumizi ya nishati ya maji yalianza miaka ya 30. n. e., baada ya uvumbuzi wa afisa wa Uchina wa utaratibu wa kujibu kulingana na magurudumu ya maji.

Katika Uchina wa zamani, mamia ya vinu vilijengwa, vilivyoko kando ya mito, lakini katika karne ya 10. serikali ilianza kuwapiga marufuku kwa sababu ya kizuizi cha urambazaji wa mto. Ujenzi wa vinu uliongezeka polepole katika nchi jirani: Japani na India, huko Tibet.

Magurudumu ya maji katika nchi za Kiislamu

NchiMashariki, ambako watu wanadai dini ya Kiislamu, kwa sehemu kubwa ni eneo lenye hali ya hewa ya joto sana. Tangu nyakati za zamani, usambazaji wa maji mara kwa mara umekuwa muhimu sana. Mifereji ya maji ilijengwa ili kusambaza maji mijini, na kuiinua kutoka mtoni, vinu vilijengwa, ambavyo waliviita "norias".

Kulingana na wanahistoria, miundo ya kwanza kama hii ilijengwa miaka elfu 5 iliyopita huko Syria na nchi zingine. Katika Mto Orontes, mojawapo ya maji yenye kina kirefu zaidi nchini, ujenzi wa lifti ulikuwa umeenea kwa namna ya magurudumu makubwa ya viwanda vya kusaga maji, ambayo yalichukua maji kwa vile vile vingi na kusambaza kwenye mfereji wa maji.

Mfano wazi wa muundo kama huu ni lifti za jiji la Hama, ambazo zimesalia hadi nyakati zetu, ujenzi wake ulianza karne ya 13. Wanaendelea kufanya kazi hadi leo, wakiwa pambo na alama ya jiji.

Matumizi ya umeme wa maji katika tasnia mbalimbali

Mbali na kupata unga, wigo wa vinu vya maji ulienea hadi katika aina zifuatazo za viwanda:

ya kulainisha na kutoa maji kwa mazao mashambani;
kinu kilichotumia nishati ya maji kusindika kuni;
uchakataji wa metali na metali;
katika uchimbaji madini kwa ajili ya kusindika mawe au miamba mingine;
katika viwanda vya kusuka na pamba;
ya kunyanyua maji kutoka mgodini, n.k.

Mojawapo ya mifano ya zamani zaidi ya matumizinguvu ya maji - kiwanda cha mbao huko Hierapolis (Uturuki), mifumo yake iligunduliwa wakati wa uchimbaji na tarehe ya karne ya 6. n. e.

Katika baadhi ya nchi za Ulaya, wanaakiolojia wamegundua mabaki ya vinu vya zamani vya enzi za Roma ya Kale, ambavyo vilitumika kuponda Quartz yenye dhahabu iliyochimbwa migodini.

Sehemu kubwa zaidi inayotumia nishati ya maji ilijengwa, kulingana na data ya kihistoria, katika karne ya 1. kusini mwa Ufaransa chini ya jina Barbegal, ambayo ilikuwa na magurudumu 16 ya maji ambayo yalisambaza nishati kwa viwanda 16 vya unga, hivyo kutoa mkate kwa jiji la karibu la Alert. Kila siku, tani 4.5 za unga zilitolewa hapa.

Kinu kama hicho kwenye Janiculum Hill kilitoa vifaa mnamo tarehe 3 c. jiji la Roma, ambalo lilithaminiwa na Mtawala Aurelian.

Kutengeneza muundo wa maji kwa mikono yako mwenyewe

Kipengele cha usanifu kama vile gurudumu la maji kimepata umaarufu pamoja na madimbwi, miteremko au chemichemi. Bila shaka, miundo hiyo hufanya mapambo badala ya kazi ya vitendo. Kila mmiliki ambaye ana ujuzi wa kufanya kazi na sehemu za mbao anaweza kujenga kinu cha maji kwa mikono yake mwenyewe.

Inapendekezwa kuchagua ukubwa wa gurudumu wa angalau 1.5 m, lakini si zaidi ya 10 m, kulingana na eneo la tovuti. Nyumba ya kinu pia imechaguliwa kulingana na madhumuni yake ya baadaye: jengo la kuhifadhi orodha, eneo la kucheza la watoto na kupamba eneo.

Uzalishaji wa sehemu:

kama msingi wa gurudumu la maji, unaweza kuchukua baiskeli au mti ulioangushwa, ambao vile vile vimeunganishwa; katikatiinapaswa kuwa na bomba ambalo inazunguka;
bidhaa iliyokamilishwa imewekwa kwenye fani kwenye nguzo 2, ambazo zimetengenezwa kwa mihimili ya mwaloni, pembe za chuma, matofali;
hadi sehemu ya juu ya gurudumu inapaswa kutoshea chute ambayo maji hutiririka kwenye vile vile; inaletwa ama kutoka kwa bomba lenye pampu, au inakuja baada ya mvua;
sehemu zote zinapendekezwa kuchakatwa ili kuongeza muda wa huduma: mbao - zilizotiwa varnish, chuma - kupakwa rangi dhidi ya kutu;
kutoa maji, weka mifereji upande wa vitanda au kwenye chombo kingine;
katika hatua ya mwisho, jengo limepambwa kwa vipengee vya mapambo.

Miundo ya nyumbani au iliyotengenezwa tayari

Kuweka kinu cha mapambo ya maji mashambani kutakuwa nyongeza nzuri kwa mandhari.

Vinu maarufu vya upepo vya kihistoria

Kinu kikubwa zaidi cha maji kinachofanya kazi "Lady Isabella" kinapatikana karibu na kijiji cha Lexie kwenye Isle of Man katika Bahari ya Ireland. Muundo huu ulijengwa mnamo 1854 na mhandisi aliyejifundisha Robert Casement kwa heshima ya mke wa gavana mkuu wa eneo hilo, na madhumuni ya ujenzi wake ilikuwa kusukuma maji ya chini kutoka kwa mgodi wa ndani kwa uchimbaji wa maliasili (zinki, risasi, n.k..).

Chaneli ziliwekwa maalum, ambapo maji kutoka kwenye mito ya milimani yalipitia kwenye daraja na kulishwa kuzungusha gurudumu lenye kipenyo cha m 22, ambalo bado linachukuliwa kuwa kubwa zaidi ulimwenguni, shukrani kwa watalii wengi. tayari wamefurahia mafanikiomiaka.

Mojawapo ya vivutio asili vya Ufaransa ni kinu cha zamani cha maji kilicho karibu na jiji la Vernon (Ufaransa). Upekee wake upo katika ukweli kwamba hutegemea nguzo 2 za daraja la mawe la zamani ambalo mara moja liliunganisha kingo za Seine. Tarehe halisi ya ujenzi wake haijulikani, hata hivyo, kulingana na vyanzo vingine, ilijengwa wakati wa upinzani wa Richard the Lionheart na ilikuwa ya umuhimu wa kimkakati. Mnamo 1883, msanii maarufu Claude Monet alimfukuza kwenye moja ya turubai zake.

Uundaji wa kinu cha maji ni hatua muhimu katika historia ya maendeleo ya teknolojia, kwa sababu inachukuliwa kuwa muundo wa kwanza ambao ungeweza kutumika kwa madhumuni anuwai kwa usindikaji wa bidhaa za kilimo na zingine, ambayo ilikuwa hatua ya kwanza kuelekea mashine. uzalishaji duniani.