Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

 Увлекаемые течением, лопатки поворачивали колесо. 
Колесо это было необычным: во все стороны от центра на одинаковых расстояниях торчали из обода лопатки. Внизу лопатки погружались в воду, и вода их увлекала течением. Передвигаясь по течению, эти лопатки поворачивали колесо и в воду опускались следующие лопатки. Так колесо вращалось.
К такому колесу привязывали различные сосуды-черпаки. Они тоже погружались по очереди в воду, наполнялись, затем поднимались колесом наверх и сливали воду в желоба, откуда вода поступала на орошение полей.
С Востока водяные колеса проникли в Рим. Здесь их стали использовать не только для орошения, но и для снабжения городов питьевой водой из рек и каналов. Здесь же водяные колеса заставили вращать мельничные жернова.
В древнем мире, однако, применение двигателей — даже таких, как водяные колеса, — было не очень выгодным. Куда дешевле и проще было использовать труд рабов. Ведь, чтобы строить сооружения с колесами и желобами, нужны были материалы, за такими сооружениями надо было следить, ремонтировать их, затрачивать средства. А рабы были силой дешевой, их можно было эксплуатировать, не заботясь о последствиях.
В средние века водяные двигатели получили широкое распространение. Их приспособили не только к мельницам, но и к суконному производству, а затем они стали проникать в горную и металлургическую промышленность.
В древней Руси водяные колеса появились тоже очень давно. В различных исторических документах, начиная с XIII века, упоминается о водяных мельницах. В более позднем развитии русской промышленности водяные двигатели были весьма широко использованы. Талантливые русские механики создавали сложнейшие сооружения с применением водяных двигателей.
По указу Петра I бывалый солдат Яков Батищев построил в Туле первые оружейные заводы с водяными двигателями. Одно водяное колесо Батищева приводило в движение около тридцати станков, на которых сверлились пушечные стволы.
Интересное сооружение создал выдающийся русский механик Козьма Фролов.
 Система водяных колес, сооруженная Козьмой Фроловым. 
Во второй половине XVIII века на Змеиногорском руднике в Сибири Фролов соорудил мощную водосиловую установку.
На речке Змеевке была построена запруда, а за запрудой был прорыт двухкилометровый подземный канал с выходом к другой речке — Корбалихе. Вдоль канала Фролов поставил несколько установок с водяными колесами, для каждой из которых были использованы огромные подземные пещеры — выработки высотой до 21 метра. Вода падала сверху от запруды и вдоль канала с одного колеса на другое — по лесенке — проходила свой путь, сливаясь затем в речку Корбалиху. Несколько раз использовал Фролов один и тот же поток воды. С помощью водяных колес приводились в движение все механизмы рудника: насосы, рудоподъемники, дробильные фабрики и даже вагонетки с канатной тягой.
Водяное колесо дожило и до наших дней. Еще и сейчас где-нибудь в деревне вы можете увидеть водяную мельницу.
Существует три типа водяных колес. Если вы увидите, что вода падает на колесо сверху и поворачивает колесо силой тяжести, — знайте, что такое колесо называется верхнебойным.
А если вода падает на лопатки где-то посредине колеса, — такое колесо именуется среднебойным. Наконец, если никак нельзя заставить воду падать сверху, ставят нижнебойное колесо вроде тех, которые применялись еще в древнем Вавилоне.
 Верхнебойное водяное колесо. 
 Среднебойное водяное колесо. 
 Нижнебойное водяное колесо. 
Так выглядят самые древние и самые простые двигатели — водяные колеса. С помощью этих двигателей человек использовал энергию воды.
Но хорошо ли водяная энергия была использована? Не пропадала ли часть энергии зря? Столько ли энергии человек получал от двигателя, сколько вода могла этому двигателю сообщить?
Иными словами, — каков был коэффициент полезного действия такого двигателя, то есть какая доля подведенной к двигателю энергии могла быть снята с вала двигателя для полезной механической работы?
Коэффициент полезного действия обычно выражают либо в процентах, либо в долях единицы. О коэффициенте полезного действия — или КПД, как его сокращенно записывают, — мы будем часто говорить в этой книге.
Так вот, в случае водяных колес оказывалось, что лучше всего использовалась энергия воды в верхнебойном колесе, где вода падает. Коэффициент полезного действия (КПД) этого колеса доходил до 75 %. Среднебойное колесо имело КПД 65 %, а нижнебойное и того меньше.
Водяные колеса были маломощными двигателями. Обычно их мощность не превышала 5–6 лошадиных сил.
Итак, с незапамятных времен энергия воды служит человеку. Она и теперь является одним из основных и одним из богатейших источников двигательной силы.
В природе запас водной энергии очень велик; человек может им располагать, не задумываясь о том, что этот запас способен истощиться.
Вспомним, как происходит круговорот воды в природе. Солнце теплом своих лучей заставляет испаряться воду. Пар скапливается в облака, которые от — соприкосновения с холодными потоками воздуха конденсируются, то есть превращаются вновь в воду. Вода падает на землю, наполняя ручьи и реки. По естественным скатам поверхности земли вода находит сток к морю. Вот на пути этого течения человек и ставит свои водяные двигатели.
Запас энергии воды огромен.
Разве мыслимо, чтобы такие силы природы пропадали бесцельно?
Недаром наш великий учитель, основатель советского государства, Владимир Ильич Ленин уже в апреле 1918 года, когда страна стала восстанавливать свое хозяйство, намечая пути технического развития, обращал внимание инженеров и ученых на необходимость максимального использования водных сил природы.
Но как же современная техника использует водную энергию? Не с помощью же водяных колес — таких громоздких и маломощных двигателей, обладающих к тому же и низким коэффициентом полезного действия?
Нет. Современная техника ушла очень далеко от водяных колес, создав мощные водяные двигатели. Эти двигатели называются гидротурбинами («гидро» — по-гречески означает «вода», «турбо» — по-латыни означает «вихрь», «вращение»).
В 1750 году венгерский ученый Сегнер изобрел интересный прибор, который и сейчас еще вы можете увидеть в школьном кабинете физики. Этот прибор состоит из резервуара, штатива и двух отогнутых под прямым углом трубок. Когда вода, заливаемая сверху через горловину, будет вытекать из отогнутых трубок, резервуар начнет вращаться, как показано стрелкой. Это происходит потому, что, вытекая, вода как бы отталкивается от трубок, отчего трубки отходят в противоположную сторону. Прибор этот получил название: «сегнерово колесо».
 Сегнерово колесо. 
Этим прибором заинтересовался русский академик, знаменитый математик, Эйлер. Он понял, что на принципе «сегнерова колеса» могут работать водяные двигатели, и дал очень точный расчет таких машин.
В 1834 году французский инженер Фурнейрон, пользуясь расчетами Эйлера, построил первую водяную турбину, еще далеко несовершенную.
Почти в то же время — в 1837 году — уральский мастер Игнатий Сафонов, сооружавший ранее плотины для водяных колес, построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину.
Первая турбина, построенная Игнатием Сафоновым, работала еще не так, как хотелось мастеру. Ее коэффициент полезного действия был равен только 53 % — меньше, чем у хорошего водяного колеса. И вот, через два года Игнатий Сафонов построил и установил новую турбину на Ирбитском заводе, КПД которой уже равнялся 70 %.