Maszyny napčdowe z drewna i niektóre ich zastosowaniazastosowania

Poprzez przeszãoĤþ ocenia sič teraĮniejszoĤþ (maksyma rzymska)¹⁷²

3.4.1. Koãa wodne

Koãa wodne budowano gãównie z drewna dčbowego , ale takİe z so-snowego , modrzewiowego, Ĥwierkowego i jodãowego. Najprawdopo-dobniej najstarsze koãa wodne miaãy wirnik o pionowej osi obrotu, do którego woda byãa doprowadzana rurĈ lub korytem o znacznym na-chyleniu. W literaturze takie rozwiĈzanie jest okreĤlane mianem mãyna greckiego (czasem równieİ tureckiego lub buãgarskiego – rys. 3-43). Ten

172 Tãumaczenie M.S. W oryginale: Ex praeteritis praesentia aestimantur.

Rys. 3-42. Przykãady Ĥmigieã z lat czterdziestych i pičþdziesiĈtych XX wieku:

a – dwuãopatowe Ĥmigão z lignofolu (prod. ERCO, typ Compreg 3D40-111), b – zbliİenie Ĥmigãa trójãopatowego z lignofolu (prod. ERCO), c – Ĥmigão ze sklejki bukowej (prod. Sensenich, typ 74FK49), d – widok z boku Ĥrodkowej czčĤci Ĥmigãa klejonego (prod. ROBY, typ R100-217-74T), e – sposób mocowa-nia ãopat Ĥmigãa w metalowych tulejach (prod. ERCO)

sposób wykorzystania energii wodnej nie wymaga wprawdzie zastoso-wania przekãadni, wymaga jednak duİej prčdkoĤci zasilajĈcej wody oraz jest mniej sprawny od klasycznych kóã wodnych o poziomej osi obrotu.

Koãa wodne o pionowej osi obrotu sĈ spotykane w literaturze technicznej do XVII wieku, po tym okresie niemal zupeãnie ustčpujĈ miejsca koãom o poziomej osi obrotu.

Filon z Bizancjum (ok. 280-ok. 220 p.n.e.) jest autorem najstarszej wzmianki o zastosowaniu koãa wodnego (SUWAâA 2006). Fundamental-ne dzieão Filona Mechanike syntaxis, skãadajĈce sič z dziewičciu rozdzia-ãów, przetrwaão do naszych czasów jedynie we fragmentach. Natomiast najstarszy zachowany techniczny opis konstrukcji silnika wodnego po-chodzi z I wieku p.n.e. i jest autorstwa Witruwiusza – architekta cesarza Oktawiana Augusta (por. przypis 2 na s. 10). Opisany przez niego mãyn z koãem wodnym o osi poziomej jest wyposaİony w przekãadnič zčbatĈ, napčdzajĈcĈ kamieę mãyęski. W opisie silnika wodnego i jego zastosowa-nia autor podaje:

1. Koãa o konstrukcji opisanej poniİej sĈ równieİ budowane nad rzeka-mi. Na obwodzie koãa rozmieszczone sĈ ãopatki, na które napiera prĈd wody i wraz ze swoim ruchem wprawia w ruch koão; przez wodč odby-wa sič caãa praca, bez İadnego udziaãu czãowieka.

Rys. 3-43. Warianty konstrukcji mãyna greckiego (rekonstrukcja): a – z ãopat-kami prostymi, b – z ãopatãopat-kami wklčsãymi

2. Mãyny wodne dziaãajĈ na tej samej zasadzie. Wszystko w nich jest takie same, oprócz koãa zčbatego, które jest zamocowane na drugim koęcu waãu i umieszczone pionowo. To koão obraca sič w tej samej pãaszczyĮnie, co koão wodne . Z tym [opisywanym] duİym koãem wspóãpracuje mniejsze, równieİ zčbate, ale usytuowane poziomo.

Przez zčby koãa zčbatego na osi koãa wodnego napčdzane jest poziome koão napčdzajĈce kamienie mãyęskie. Rynna zsypowa, zawieszona nad urzĈdzeniem, zasila mãyn ziarnem i mĈka jest wytwarzana przez ruch obrotowy¹⁷³ (WITRUWIUSZ 27-13 p.n.e., Liber X, Capitulum V).

Mechanizm mãyna wedãug opisu Witruwiusza przedstawiono na ry-sunku 3-44 b.

Najbardziej imponujĈce i jednoczeĤnie najbardziej znane rzymskie zastosowanie kóã wodnych miaão jednak miejsce kilka wieków póĮniej w Barbegal w pobliİu Arles, w dzisiejszej poãudniowej Francji. Od IV wieku n.e. funkcjonowaã tam imponujĈcy zespóã mãynów zboİowych wykorzystujĈcy 16 nasičbiernych kóã wodnych (rys. 3-44 a). WydajnoĤþ tego kompleksu jest szacowana na okoão 28 t mĈki na dobč (ORâOWSKI

1989). Mãyn wyposaİony w nasičbierne koão wodne jest zwykle nazywa-ny w literaturze Ĥwiatowej mãynem rzymskim lub mãynem Witruwiusza.

Z punktu widzenia sposobu doprowadzania wody zasilajĈcej koãa wodne o poziomej osi obrotu sĈ klasyÞ kowane jako: podsičbierne, Ĥród-sičbierne oraz naĤród-sičbierne.

Koãa podsičbierne (rys. 3-45 a) byãy budowane przy bardzo maãych róİ-nicach poziomów (poniİej 1 m) i Ĥrednich przepãywach rzčdu 0,1-5 m³/s.

Przetwarzaãy one 20-35% energii kinetycznej przepãywajĈcej wody. Koãa tego typu byãy zazwyczaj wičksze i miaãy Ĥrednicč do 3 m, na obwodzie byãy wyposaİone w ãopatki, na które napieraã nurt pãynĈcej wody. OĤ obracanego w ten sposób koãa znajdowaãa sič powyİej poziomu rynny doprowadzajĈcej wodč, a koão obracaão sič w kierunku przeciwnym do przepãywu wody. Im wyİsze jest koão wodne, tym wičkszĈ ma spraw-noĤþ, jednak i ono ma swoje ograniczenia:

Kóã skrzynczastych wysokich niech sič strzegĈ mãynarze, bo chociaİ takowe sĈ mocniejsze do meãcia sãabĈ wodĈ, wszakİe te niewygody z sobĈ przyno-szĈ. PierwszĈ, İe groble wysokiej potrzebujĈ albo gotowĈ w niebezpieczeę-stwo zerwania wysokĈ wodĈ wprawujĈ. DrugĈ, İe nierychãy obrót waãu

173 Tãumaczenie M.S. Oryginalny tekst zamieszczono na s. 347.

Rys. 3-44. Rzymskie mãyny wodne: a – hipotetyczny wyglĈd zespoãu mãynów zboİowych w Barbegal (IV wiek n.e.), b – rekonstrukcja mechanizmu mãyna na podstawie opisu WITRUWIUSZA (27-13 p.n.e.)

czyniĈ, gdyİ waã pičþãokciowego [5 ãokci § 2,98 m] koãa skrzynczastego 2 razy sič póĮniej obróci niİ waã koãa póãtrzecia ãokciowego, jako 2 razy jest wičksze od niego. Zaczym maão obrotów kamienia wydajĈ i mlewo czyniĈ niespore (SOLSKI 1690, Ksičga I, Zabawa II, Nauka 1).

Kóã Ĥródsičbiernych (rys. 3-45 b, w wariancie 1 i 2) uİywano przy wičkszych spadach (2,5-8 m), lecz przy maãej iloĤci wody (0,1-0,9 m³/s).

Wykorzystywaãy one okoão 50-60% jej energii. Obrót koãa powodowaãa energia potencjalna znajdujĈcej sič w korytkach wody.

Najstarszymi konstrukcyjnie sĈ najprawdopodobniej koãa nasičbierne, w których obrót byã powodowany energiĈ kinetycznĈ i potencjalnĈ wody spadajĈcej z poãoİonej powyİej rynny doprowadzajĈcej wodč do kory-tek umieszczonych na obwodzie koãa. W ten sposób ruch obrotowy koãa odbywaã sič zgodnie z kierunkiem pãynĈcej rzeki. Koãa nasičbierne byãy uİywane przy znacznych róİnicach poziomów (3-12 m) i przy dopãywie wody 0,1-0,8 m³/s; mogãy uzyskaþ sprawnoĤþ rzčdu 60-80%.

Mechanizm napčdowy typowego mãyna wodnego skãadaã sič z koãa wodnego, które przekazywaão napčd na waã. Miaã on Ĥrednicč 500 mm lub wičkszĈ i byã ãoİyskowany Ĥlizgowo w ãoİyskach drewnianych smarowanych tãuszczem zwierzčcym. Na przeciwlegãym koęcu waãu, wewnĈtrz budynku, znajdowaão sič koão przekãadni gãównej (tzw. koão palczaste), nieco mniejsze od koãa wodnego. Jego osadzone na obwodzie zčby lub tzw. palce zazčbiaãy sič z palcami (paãeczkami) cewów, wprowa-dzajĈc je w ruch. PierĤcienie cewów byãy osadzone na pionowej drewnia-nej (rzadziej metalowej) osi, zwadrewnia-nej wrzecionem, prostopadãej do waãu gãównego. Dolny koniec wrzeciona opieraã sič na panewce umieszczonej na poziomej belce, górny koniec wrzeciona byã zamocowany w paprzycy.

Paprzyca to İeliwna sztabka trójramienna przenoszĈca napčd na İarna, Rys. 3-45. Rodzaje kóã wodnych : a – podsičbierne (walne), b – Ĥródsičbierne (w dwóch wariantach: 1 – o wičkszej sprawnoĤci, 2 – o mniejszej sprawnoĤci), c – nasičbierne (korzeczne)

zamocowana w wyİãobieniach (gniazdach) znajdujĈcych sič w oku gór-nego, ruchomego kamienia mãyęskiego (bieguna).

Zygmunt Gloger w Encyklopedii staropolskiej ilustrowanej pisze:

Dawni Niemcy wzičli z wãoskiego mulino wyraz swój mulin, a Polacy zro-bili z tego mãyn. Kiedy sič to staão, nikt latami tego dziĤ nie okreĤli [...] Gdy zaczčto w Polsce spisywaþ dokumenta, mãyny nie naleİaãy juİ do osobli-woĤci, bo np. w r. 1149 Pakosãaw darowuje nie mãyn ze wsiĈ, ale wieĤ z mãynem w Dobrzy: „Pachoslaus villam dedit et molendinum in Dobra”.

Bolesãaw Wstydliwy przywilejem z r. 1258 pozwoliã stawiaþ mãyny po obu stronach rz. Nidy (GLOGER 1900-1903, t. III, s. 221).

Jak pisze SUWAâA (2006), w Polsce pierwsze koão wodne zbudowano w 1145 roku w âčczycy do napčdu mãyna, a w XVI wieku byão ich okoão 3000. UrzĈdzenia te, stosowane gãównie do napčdu mãynów zboİowych, rozpowszechniãy sič na ziemiach polskich w drugiej poãowie XI wieku (na ģlĈsku). WydajnoĤþ typowego Ĥredniowiecznego mãyna wodnego wynosiãa okoão 4 kg mĈki na godzinč. Najwaİniejsze podczas eksploata-cji mãyna byão zapewnienie staãego i równomiernego dopãywu wody na koãa mãyęskie. Wykorzystywano do tego celu miejsca z natury korzystne dla lokalizacji urzĈdzeę mãyęskich i dodatkowo sztucznie regulowano przepãyw wody, spičtrzajĈc jĈ, tworzĈc sztuczne zbiorniki wyposaİone w system Ĥluz. Mãynarze byli na ogóã wysokiej klasy specjalistami, potra-Þ Ĉcymi regulowaþ nurt wodny oraz budowaþ i obsãugiwaþ zespóã İarna oraz ich skomplikowany zespóã napčdu. Mãynarz byã powszechnie uwa-İany za fachowca w dziedzinie budowy maszyn [Kto chce dla potrzeb go-spodarskich mieþ sãuszny w domu mãynnik na meãcie sãodów i kasz rozmaitych [...] niech go da w ten sposób zrobiþ mãynarzowi [...] (S^OLSKI 1690, Ksičga I, Zabawa II). Cytowany juİ G^LOGER (1900-1903) podaje: [...] zawód mãynarski miaã u ludu polskiego wičksze, niİ inne rzemiosãa, powaİanie. O randze za-wodu mogĈ Ĥwiadczyþ ludowe porzekadãa, które oddajĈ szacunek, ale w których teİ przejawia sič zazdroĤþ wobec mãynarzy bčdĈcych najczč-Ĥciej czãonkami elity Þ nansowej wsi:

O! Nie ma jak to mãynarzom, bo na sãoęce nie wychodzĈ, Tylko sobie siedzĈ w chãodzie, karzĈ robiþ na sič wodzie lub

Taki sobie mãynarz dobry, jak i wojewoda,

Wojewodzie robiĈ ludzie a mãynarzowi woda (KOCHANOWSKI 2005).

Wielki Mãyn wybudowany w XIV wieku w Gdaęsku byã w czasach póĮnego Ĥredniowiecza najwičkszym zakãadem przemysãowym w Euro-pie (rys. 3-46).

Wielki Mãyn poczĈtkowo byã wyposaİony w 12, póĮniej zaĤ w 18 wiel-kich kóã napčdzanych wodĈ z kanaãu Raduni. Koãa byãy rozmieszczone po obu stronach budynku w dwóch rzčdach po dziewičþ. Mãyn byã zlo-kalizowany na niewielkiej wyspie otoczonej ramionami kanaãu dopãywo-wego, mieĤciã sič w budynku o wymiarach 4 × 26 m i o wysokoĤci 26 m.

Budynek i kanaã doprowadzajĈcy wodč istniejĈ do dziĤ. Aby osiĈgnĈþ wymagany dla tak duİej liczby kóã spadek wody, wykopano kanaã o dãu-goĤci 13 km doprowadzajĈcy wodč z rzeki Raduni spod Pruszcza. Po-chylenie kanaãu byão mniejsze od pochylenia rzeki, dlatego przy mãynie uzyskano róİnicč poziomów okoão 5 m, co z kolei pozwalaão osiĈgnĈþ imponujĈcĈ jak na czasy sprzed rewolucji przemysãowej ãĈcznĈ moc na wszystkich koãach rzčdu 103 kW (WIģLICKI 1996).

SpecjalnĈ odmianč koãa wodnego podsičbiernego wykorzystywano w mãynach pãywajĈcych; koão wodne byão zainstalowane na jednej ãodzi lub mičdzy dwiema poãĈczonymi ze sobĈ i zakotwiczonymi ãodziami, a w ruch wprawiaã je prĈd wodny w rzece. Przykãad takiego rozwiĈzania przedstawia rysunek 3-47.

Rys. 3-46. Wielki Mãyn w Gdaęsku, rycina Aegidiusa Dickmanna z 1617 roku

Drewniane koãa wodne napčdzaãy najróİniejsze urzĈdzenia w zakãa-dach przetwórczych (np. mãyny zboİowe i prochowe, folusze¹⁷⁴, piãy, mãoty itp.). Pod koniec Ĥredniowiecza koãa wodne staãy sič najwaİniej-szym Įródãem mocy mechanicznej, osiĈgajĈc Ĥrednie moce rzčdu 3-6 kW.

Jak podaje sãynna angielska kronika D^OMESDAYBOOK (1086), w Anglii w XI wieku funkcjonowaãy aİ 5624 mãyny wodne. Drewniane silniki wodne przyczyniãy sič w znacznej mierze do uprzemysãowienia Europy. Na ry-sunku 3-48 przedstawiono koão wodne napčdzajĈce miechy wedãug Sa-lomona de Causa.

Na rysunku 3-49 przedstawiono folusz wedãug Pseudo-Juanelo Tur-riano z 1595 ±10 roku. W instrukcji budowy maszyny napisano:

A to jest rynna, która doprowadza wodč do koãa, B to koão, C to ãopatki, oĤ koãa to D. Dwie krzywki E.E sĈ zamontowane na niej [na osi], podrzucajĈ one bijaki F.F na dole. Pod bijakiem jest rĈczka, która umoİliwia zacze-pienie krzywki. Musi byþ zachowana ostroİnoĤþ, İeby mãoty nie uderzaãy w stčpč, równieİ nie mogĈ uderzaþ za mocno, bo zniszczĈ sukno. Mãoty powinny zostawiaþ wolne miejsce na 4 palce od Ĥciany i na szerokoĤþ dãoni od podstawy, kiedy folujĈ. G to jest Ĥciana, H to podstawa, a bijaki uderzajĈ na wprost w Ĥcianč. Na sukno z góry napãywa bieİĈca woda z kierunku K [brak na rysunku]. L to sukno. Koãki utrzymujĈ stčpč [chodzi

prawdo-174 Folusz (pilĤniarka) – Ĥredniowieczna maszyna uİywana do produkcji sukna.

Tkaniny przeznaczone na sukno wytwarzano w formie grubej weãny, tzw. weãny zgrzebnej, a nastčpnie poddawano folowaniu (spilĤnianiu). Folowanie, zwičkszajĈce zwartoĤþ tkaniny, polegaão na umieszczeniu jej w foluszu, czyli urzĈdzeniu napč-dzanym najczčĤciej wodĈ, gdzie stčpory uderzaãy w sukno leİĈce w stčpie (wydrĈ-İonej kãodzie). Po folowaniu skurczone o 1/4 sukno naciĈgano na ramy i suszono na sãoęcu. Sãowo pochodzi od holenderskiego vollen (folowaþ).

Rys. 3-47. Mãyn pãywajĈcy wedãug AGRICOLI (1555-1557)

podobnie o zastrzaãy]. SwojĈ ramč majĈ takİe bijaki, które zawieszone sĈ jak serca dzwonów, zabezpieczone sĈ koãkami M.N. R to statyw stčpy.

Mãoty O.P majĈ byþ zrobione z dčbu ostrolistnego [Quercus ilex L.]. Resz-ta z jakiegoĤ dobrego drewna¹⁷⁵.

Sporo informacji o technologii folowania, a przy okazji równieİ o za-sadach budowy kóã wodnych , zawiera trzytomowy podrčcznik Rčkodzieão fabryki sukiennej, która w Krakowie 1786, dla wielu poİytków i zatrudnienia ubogich pracĈ jest ustanowione, autorstwa Wacãawa Sierakowskiego (1740--1806). Warto zacytowaþ dwa fragmenty:

O folowaniu

TrwaãoĤþ sukien nad wszystkie inne materyje, które sič nie folujĈ, okazuje doskonaãoĤþ oraz i koniecznĈ potrzebč tej folusza machiny.

175 Tãumaczenie M.S. Oryginalny tekst zamieszczono na s. 349.

Rys. 3-48. Koão wodne zastosowane do napčdu miechów (DE CAUS 1615)

Najdokãadniej w warsztacie sukno robione, gdy sič z warsztatu zdejmie, bydĮ musi brudne, wietkie [wĈtãe] i grube. Ani sič obejdzie bez dziurek, szpar, chociaİ przez dobrĈ czeladĮ robione i ãadĈ dobrze dobijane. Po folo-waniu jak zaraz jest jaĤniejsze, mocniejsze, pičkniejsze i mičksze i bardzie zbite, chociaİ skãadajĈce je nici poãowč swej istoty [gruboĤci] straciãy. Za-iste zawsze by magZa-ister [majster] bydĮ przy folowaniu powinien.

O machinie folusza

Folusze róİne bydĮ mogĈ, obracane woãmi, koęmi, osãami – lecz te bardzo drogie, wiatrem – ten niestateczny. Ale İe wody koniecznie trzeba do folowa-nia, zaraz w takich foluszach trzeba stawiaþ pompy, których utrzymanie dro-go kosztuje. Dla tych wičc niewygód najlepsze sĈ folusze obracane wodĈ.

Powinien wtedy folusz bydĮ stawiany albo na rzece, albo na potoku, ale lepiej na potoku, bo nie jest tak podlegãy wylewom wody, które nie do-puszczajĈ folowaþ. Toİ iİ ãatwiej wodĈ z potoka folusznik wãadaþ sobie moİe, podãug upodobania i potrzeby, a zatym nie tak sĈ sukna wydane na zdziurawienie, muãem zatrzepanie, zalanie etc., jak bywa na rzekach.

W foluszach stawianych na rzekach woda najczčĤciej spodem obraca koão, bo spadku nie ma. Z potoku zaĤ woda zawsze spada z wierzchu. Zaczym lepiej jest folusz stawiaþ na potokach, bo ma i poruszenie równe i z góry spadajĈcĈ Rys. 3-49. Koão wodne zastosowane do napčdu folusza wedãug Pseudo-Ju-anelo Turriano (1595 ±10) (NORDON 1986)

wodč, która jest tčİsza. Ale najlepiej jest zgadzaþ sič z okolicznoĤciami, jak moİna tak stawiaþ. Zawsze na takiej wodzie stawiaþ go naleİy, aby równo w zimie, jak w lecie robiãa, bo sič na takiej i sukna lepiej przewracajĈ i roz-grzewajĈ. WodĈ mčtnĈ nigdy sukna dobrze nie wymyje, wody twarde, któ-re nie rozpuszczajĈ mydãa, nie dobrze i folujĈ – lepsze nierównie mičkkie.

W machinie folusza doĤþ jedno koão, które obracane wodĈ, rĈczkami stčpy wynosi.

W foluszu te trzy robiĈ sič rzeczy: to jest 1° sukna sič folujĈ, 2° tãuszcz z nich wyprowadza sič, 3° pãuczĈ sič na czysto [tom III, rozdziaã O folo-waniu] (NOWAK 1961, s. 205).

Dalszy rozwój silników wodnych jest juİ ĤciĤle zwiĈzany z rozwojem turbin wodnych. PodstawĈ ich rozwoju byãy prace teoretyczne Daniela Bernoulliego (1700-1782) i Leonharda Eulera (1707-1783) – wynalazcy aparatu kierowniczego, oraz doĤwiadczenia Johanna Andreasa Segnera (1704-1777) (mãynek Segnera z 1750 roku) i Claude’a Bourdina – auto-ra nazwy turbina (1824). PierwszĈ turbinĈ, któauto-ra znalazãa zastosowanie w przemyĤle, byãa turbina z promieniowym przepãywem wody Benoîta Fourneyrona (1827), kolejnĈ – z przepãywem osiowym Louisa Dominiqu-e’a Girarda (1828), zainstalowana po raz pierwszy w Dawspudzie w Pol-sce. PopularnoĤþ turbin rosãa powoli, jednak juİ w latach dwudziestych XX wieku wyparãy one prawie wszystkie koãa wodne .

3.4.2. Wiatraki

Wiatr jest powszechnym zjawiskiem i ãatwo dostčpnym Įródãem ener-gii, byã wykorzystywany przez ludzi do celów technicznych tysiĈce lat przed pojawieniem sič maszyn parowych, poczĈtkowo tylko do İeglu-gi, póĮniej równieİ do zapewnienia dmuchu dymarkom¹⁷⁶ oraz do na-pčdu róİnego rodzaju urzĈdzeę (pomp, mãynów, obrabiarek itp.). Obok energii pãynĈcej wody byã gãównym motorem rozwoju przemysãowego w dawnych wiekach. Silniki wiatrowe znalazãy zastosowanie w napčdzie urzĈdzeę, które nie muszĈ pracowaþ w trybie ciĈgãym i mogĈ oczeki-waþ na wiatr o odpowiedniej prčdkoĤci. Wiatraki nadajĈ sič wičc bardzo dobrze do przepompowywania wody nawadniajĈcej pola, do mielenia

176 Dymarki (piece do wytopu rudy) na ziemiach polskich byãy lokalizowane w miejscach odsãoničtych, otwór doprowadzajĈcy powietrze wyposaİano w wiatroãa-py ukierunkowujĈce i zwičkszajĈce prčdkoĤþ strugi powietrza sãuİĈcego do nadmuchu.