Зарождение машинной техники, использование энергии воды и ветра

Водяные двигатели в мануфактурный период стали господствующими во всех видах производства: горном деле и металлургии; бумажном, текстильном, лесопильном, мукомольном, маслобойном и др.

Продолжалось совершенствование гидроустановок и расширение их применения для водоснабжения и комплексной механизации производственных процессов в горнодобывающей и перерабатывающих отраслях производства. От античности и средневековья мануфактурный период унаследовал нижнебойные (подливные) водяные колеса, в которых водяной поток воздействовал на их лопасти в нижней части и вращал за счет своей кинетической энергии. Это был самый простой вид гидродвигателя, в котором использовалось естественное течение потока, не требующее специальных сооружений.

Потом появились более мощные среднебойные колеса, в которых вода по желобу подавалась в среднюю часть колеса и за счет подъема увеличивалась потенциальная (запасенная) энергия падающего потока. С XVI в. стали применяться самые мощные верхнебойные или наливные колеса, в которых водяной поток, поднятый плотиной на большую высоту, падал на колесо сверху. В этом случае кроме мощных плотин требовалась система лотков (ларей) для направления потоков воды, а также «вешнячный» прорез для сброса излишних паводковых вод.

В Западной Европе применялись водяные колеса всех типов, при этом во Франции отдавали предпочтение нижнебойным. В конце XVII в. голландским инженером Раннекеном была построена водоподъемная установка в г. Марли (под Парижем) для обслуживания фонтанов Версаля. Она включала 14 нижнебойных водяных колес диаметром 12 м, приводящих в действие 253 поршневых насоса, закачивавших воду из р. Сена. В 1582 г. Голландец Питер Моррис устанавливает в Лондоне водяное колесо, питавшее энергией насос, который снабжал город водой из реки Темзы.

Российские мастера-гидротехники пошли по пути создания более мощных и совершенных вододействующих колес верхнебойного типа, устройство которых, требовало особого технического мастерства. Одну из первых гидротехнических установок построил в середине XVI в. в Соловецком монастыре игумен Филипп (в миру Ф.С. Колычев), впоследствии митрополит Московский. Кроме мельницы и крупорушки, с помощью которых мололи и просеивали зерно, от единого привода приводилось в действие и квасоделательное устройство.

Устройство различных гидротехнических сооружений и потребность регулирования водных потоков привели к развитию гидравлики, основоположником которой считается Леонардо да Винчи, и гидромеханики, развитой в работах итальянского ученого Эванжелиста Торричелли и француза Блеза Паскаля. В России в области гидравлики и гидродинамики работали такие выдающиеся деятели науки как Даниил Бернулли и Леонард Эйлер. Бернулли, в частности, принадлежит выдающийся труд «Гидродинамика, или Записки о силах и движениях жидкостей...», опубликованный в 1738 г., а Эйлеру — такие фундаментальные работы, как «Более полная теория машин, приводимых в движение действием воды» (1754) и «Общие принципы движения жидкостей» (1755).

Водяное и ветряное колеса, веками служившие человеку и являвшиеся универсальными двигателями по техническому применению, не были универсальными по своему использованию в промышленности и на транспорте. Водяное колесо было привязано к водяным источникам, которые не отличались стабильностью, были подвержены паводкам, замерзанию и пересыханию. Не менее серьезными недостатками обладал и ветряной двигатель.

Вместе с тем из практики создания ветряных и гидравлических двигателей был извлечен значительный технический и научный опыт, заложивший основы конструктивно-технологических знаний. Он базировался на естественнонаучных открытиях XVII в. и техническом опыте разработки различных механизмов, элементов привода и передаточных систем.