Взламывая технологии - [11]

Сверху и снизу

Среди вертикальных водных колес выделяют два основных типа: подливное (нижнебойное) и наливное (верхнебойное). В подливном колесе нижняя его часть погружена в поток, который бьет прямо по перекладинам. Это несколько более эффективный способ вращения, чем горизонтальное колесо, потому что в воду погружена только часть колеса, что уменьшает силу сопротивления, замедляющую вращение.

В наливном колесе делается желоб, который направляет воду так, чтобы она падала на лопасти в верхней части колеса, тем самым приводя его в движение. Этот вид водяного колеса намного эффективнее нижнебойного, его эффективность достигает 60 %.

Подъем воды

Нория — черпаковый подъемник, который используется для полива, а не как двигатель для механической работы. Лопасти колеса используют энергию воды, чтобы поворачивать его, а отдельные черпаки наполняются водой при каждом повороте. В верхней точке колеса вода выливается из черпаков в канал или акведук, откуда течет в нужном направлении. Во II в. до н. э. использовались колеса с деревянными черпаками, но в III в. н. э. римляне ввели керамические черпаки. Нории до сих пор используются в Сирии.

^{Неиспользуемое деревянное наливное колесо с деревянным желобом над ним, по которому вода лилась на лопасти колеса}

Пон-дю-Гар

Пон-дю-Гар — один из наиболее ярких примеров римской инженерной мысли. Этот трехъярусный акведук был построен в 19 г. до н. э., по нему вода протекала над рекой Гар на юге Франции и попадала в город Ним.

Пон-дю-Гар — это самый высокий римский акведук (49 м), сохранившийся до наших дней. Еще удивительнее, что он был построен без использования цемента. Вот уже 1600 лет по нему не течет вода, но он используется как мост через реку. Первым римским водопроводом был 16-километровый акведук Аква Аппия, построенный в 312 г. до н. э., по нему вода доставлялась в Рим. С ростом империи было построено множество акведуков, особенно в первые века нашей эры. Одна из инноваций — дюкер — позволяла перегонять воду через овраги. Это были глиняные или свинцовые трубы, в которых сила тяжести создавала дополнительное давление на участке спуска, обеспечивая силу, достаточную для того, чтобы загнать воду на противоположную сторону.

^{Высота акведука — 49 м от поверхности реки. Его нижний ярус состоит из шести арок шириной от 15 до 24 м, причем самая широкая арка перекинута через реку. Второй ярус акведука составлен из одиннадцати арок одинакового размера, а третий ярус, по которому текла вода, поделен на 35 небольших арок шириной по 4,5 м}

Простые механизмы

Простые механизмы позволяют облегчить выполнение той или иной задачи. Каждый такой механизм, независимо от сложности, можно рассматривать как совокупность более простых устройств, использовавшихся людьми еще на заре цивилизации. Простой механизм перенаправляет силу из одного места в другое: сила, прикладываемая к одной части машины, — усилие, заставляет двигаться другую ее часть, которая преодолевает силы сопротивления, или нагрузку. Направление силы может быть изменено, ее значение можно увеличить или уменьшить. Герон Александрийский, греческий инженер, живший в I в. н. э., описал шесть простых машин. Это рычаг, винт, наклонная плоскость, клин, ворот (колесо с осью) и блок.

Рычаг — это увеличитель силы. В самом простом его варианте при приложении малой силы к длинному концу рычага, который поворачивается вокруг зафиксированной точки (точки опоры), можно произвести большее усилие на более коротком его конце. В повседневной жизни можно найти огромное число примеров рычага, например рычагами являются тачка, гвоздодер, ножницы.

Благодаря наклонной плоскости (уклону, пандусу) проще поднять тяжелый предмет: он проходит большее расстояние, чем при вертикальном подъеме, но затрачивается меньшая сила.

^{Древнегреческий гениальный инженер Архимед известен своим описанием рычага: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Но он также создал винт Архимеда — машину, которая поднимает воду при вращении}

^{Клин переносит силу, прикладываемую к широкому его концу, на узкий (острый) конец. Этой перемещенной силы достаточно, чтобы расколоть материал}

^{Блок — это веревка, обвитая вокруг одного или нескольких колес. Простейший блок перенаправляет силу, приложенную к веревке, но дополнительные колеса увеличивают силу, что облегчает подъем грузов}

^{Рычаг (наверху) — это жесткая перекладина, которая вращается вокруг точки опоры. На рисунке массы компенсируются, так что перекладина находится в равновесии}

^{Наклонная плоскость используется для подъема тяжестей, заменяя короткое вертикальное движение длинным перемещением по наклонной плоскости}

^{Ворот преобразует прямолинейно прикладываемую силу во вращательное движение, и наоборот. Поворачивающаяся ось накручивает веревку и поднимает ведро наверх}

^{Винт — это наклонная плоскость, обернутая вокруг оси. Усилие прикладывается к оси, поворачивая ее, и плоскость перемещает груз вверх}

Клин — это еще одна форма наклонной плоскости. Тонкий конец клина давит на предмет с большей силой, чем требуется для приведения клина в движение. В результате клин рассекает предмет. Все ножи и топоры действуют как клинья.