Как люди осваивали воду

Если сравнить цель, стоявшую перед древними и стоящую перед современными гидрологами и гидротехниками, то окажется, что она не изменилась. Если ее сформулировать в общей форме: освоение и регулирование водных объектов. Однако задачи, которые решаются в рамках этой общей цели, неимоверно расширились. Кроме тысячелетних потребностей в воде для сельского хозяйства, водоснабжения населенных пунктов, защиты от наводнений и использования водных объектов как транспортных артерий, появилось множество других задач: промышленное водоснабжение, теплоэнергетика, рекреация, разбавление сточных вод, рыбоводство, марикультура, подводная добыча полезных ископаемых — вот далеко не полный перечень областей использования и применения воды.

Находясь еще только на грани перехода от прачеловека к человеку, это существо, как и многие животные, использовало воду не только для утоления жажды, но и для других процедур типа купания. По мере совершенствования, появления новых навыков, развития производства орудий охоты и труда человек стал потреблять все больше и больше воды для разнообразных нужд: в гончарном деле, в обработке шкур убитых животных, в выплавке металла. По мере развития цивилизации, освоения новых полей деятельности человеку требовалось все больше и больше воды. Развитие цивилизации можно измерять в литрах потребляемой на душу населения воды. Сейчас в самой развитой стране мира — США — на душу населения потребляется в сутки около 7000 л воды, тогда как в некоторых развивающихся странах — не более 30 л, т. е. в 200 раз меньше. Человек каменного века потреблял, видимо, менее 10 л воды в сутки. Зато римляне в период расцвета Римского государства потребляли до 700 л воды на человека в сутки, т. е. намного больше, чем сейчас потребляют в ряде развивающихся стран, и больше, чем потребляли жители Рима в средние века. А в период правления императора Траяна (98-117 гг), когда население Рима достигало 1 млн. человек, на каждого жителя приходилось до 1000 л воды в сутки (заметим, что 1968 г — только 475 л). Поэтому в литрах воды можно оценивать расцвет и упадок цивилизаций, стран и городов.

Археологические находки, древнейшие записи дают представление о широком использовании ирригации и гидротехнических сооружений в древности. В Междуречье 7-8 тыс. лет назад создавались насыпи для устройства поселений, защищенных таким путем от наводнений. Они были окружены полями, на которых проводилось орошение и осушение земель. Около 6 тыс. лет назад там появляются первые города, окруженные полями с искусственным орошением. Так же давно искусство орошения возникло в долине реки Хуанхэ в Китае. В государствах Шумер и Аккад 5-6 тысячелетий назад проводились работы по регулированию рек Тигра и Евфрата, строились большие каналы, использовавшиеся не только для орошения, но и для водоснабжения населенных пунктом, и как транспортные системы. Возникают законы, регулирующие водопользование. В одной из статей ассирийского свода законов, составленного 3500 лет назад, говорилось: «Пусть каждый совершит работу на своем поле и оросит свое поле».

Последнее тысячелетие до нашей эры оказалось периодом расцвета гидротехнического искусства. В это время создаются многие выдающиеся гидротехнические сооружения, руины или иные свидетельства о которых дошли до нашего времени. К этому же периоду относится ряд изобретений, связанных с водой. Начинают использоваться водяные мельницы. Первые такие мельницы были в государстве Урарту. Один из жерновов урартской мельницы хранится в музее города Тбилиси. Появляется водоподъемное сооружение типа «журавля», использующее принцип рычага, водоподъемное колесо и архимедов винт, которые применялись в Древней Греции, где существовали крупные ирригационные системы.

Искусственное орошение и система водоснабжения населенных пунктов вначале обычно совмещались. Но по мере роста городов и городского населения возникла необходимость строить отдельные системы водоснабжения населенных пунктов. Это был второй скачок в росте водопотребления на душу населения. Системы водоснабжения использовались для удовлетворения бытовых нужд, а также некоторых других хозяйственных потребностей, например в ремесленном производстве. Хорошо известны водопроводы Экбагана в Ассирии, построенные по приказу легендарной царицы Семирамиды, водопроводы в Иерусалиме, на острове Самое, в Карфагене. Афины в период расцвета, когда их население достигало 200 тыс. человек, имели 8 водопроводов. Во многих местах Южной Европы и Северной Африки и сейчас можно встретить руины римских водопроводов. Первый водопровод в Риме был построен в 313 г. до н. э. В самом начале нашей эры 9 водопроводов давали до 88 ведер воды на каждого жителя, или примерно 700 л в сутки, а в конце XIX в. идеальным считался расход 12,5 ведра на человека в сутки, средний же расход поды на человека принимался равным 5,5-6,75 ведра в сутки, т. е. примерно 40-50 л. Большие достижения римлян в строительстве гидротехнических сооружений стали возможными благодаря изобретению ими бетона, в котором вода играет существенную роль, а также свинцовых и керамических водопроводных труб.

Вместе с появлением практических задач и попыток их решения возникла наука о воде — гидрология, возраст которой, по мнению американского гидролога Раймонда Нейса, насчитывает 5000 лет. Вначале это был просто накопленный опыт ирригационных работ. Но как раз 5000 лет назад египтяне начали ежегодно фиксировать высоту паводка на Ниле, отмечая ее на скалах, стенах сооружений, ступенях береговых лестниц. Затем они стали создавать специальные колодцы, прямо связанные с рекой: в центре их ставились колонны с делениями, по которым и определялась высота паводка. По высоте паводка оценивался будущий урожай, а на основе оценки урожая можно было установить размер налога.

В это же время зарождаются основы гидравлики — науки о законах равновесия и движения воды. Кто из нас не помнит закона Архимеда? Вода стала использоваться для измерения времени — была изобретена клепсидра, водяные часы. А знаменитый Ктесибий из Александрии сумел создать много весьма сложных водяных механизмов.

После гибели Рима в 4 в. в Европе начался средне вековой период застоя и опустения, были забыты многие достижения греческой и римской культуры, а произведение Витрувия было прочитано и комментировалось только через полторы тысячи лет. Ирригационные системы во многих странах Европы приходили в упадок, водопроводы оказались разрушенными. Загрязненная вода вызывала опустошительные эпидемии в грязных вонючих средневековых городах, откуда они распространялись на сельскую местность. Вымирали целые города и районы. А в это время на еще не открытом Американском материке ацтеки строили свои гидротехнические сооружения, искусно организуя водоснабжение городов, защищаясь от наводнений, создавая гидропонную ирригацию вокруг возведенного среди озера города Теночтитлана — будущего Мехико. Появившиеся через сто лет после завершения сооружения крупнейшего Чапультепекского акведука воины Кортеса не пощадили многие гидротехнические сооружения ацтеков.

Источник

Энергия воды

Людям повезло, что на нашей планете находятся достаточно большие залежи полезных ископаемых, способных стать источниками энергии. Но запасы эти не безграничны и постепенно истощаются. Очевидно, что когда-то месторождения природного газа, угля и нефти могут иссякнуть.

Поэтому к самым значительным изобретениям в области энергетики относятся те, которые связаны с открытием новых источников энергии, позволяющих экономить запасы природного сырья. За это их и называют альтернативными источниками энергии. В наши дни такими источниками могут послужить как известные ранее — энергия солнца, текущей воды, ветра, приливов и отливов, подземного тепла (геотермальная энергия), так и открытые сравнительно недавно — энергия плазмы, химических процессов, атома.

Использование энергии движущейся воды — древнейшее открытие

Трудно точно сказать, когда люди научились использовать энергию движущейся воды. Считается, что более 2 тыс. лет вода была фактически единственным источником постоянной энергии вплоть до изобретения в XII в. ветряных мельниц. Еще в древние времена человек заметил, что если до половины погрузить в реку колесо с лопастями, то оно начнет вращаться. Тем самым энергия текущей воды даже в примитивной гидроустановке (от греч. «hydor» — «вода») превращалась в механическую энергию. Так, например, существует исторический документ, который утверждает, что на реке Сене (Франция) в 1682 г. была возведена крупнейшая по тем временам гидроустановка. Она состояла из 13 колес диаметром по 8 м и обеспечивала работу более 200 насосов, которые приводили в действие фонтаны в дворцовых парках.

Как работает водяная мельница

Несмотря на то, что эффективность древних гидроустановок была низкой, она все равно была несопоставимо большей по сравнению с тем, на что были способны люди или животные. Кроме того, эта энергия являлась бесплатной и была подарена самой природой.

Одним из самых древних примеров использования человеком энергии воды является водяная мельница. Водяное колесо в ней насажено на вал жернова. Вода вращает колесо — вращается и жернов, мелет зерно.

По мере развития технологии область применения водяных колес расширилась: их стали использовать не только для помола зерна, но и для приведения в действие станков или насосов. До изобретения парового двигателя число гидроустановок неуклонно росло, но затем наступило затишье. Однако в начале XX в. начался период бурного строительства гидростанций, но уже для выработки с помощью движущейся воды электроэнергии.

Эволюция водяного колеса

Главной деталью древней гидроустановки являлось водяное колесо. Струя воды увлекала за собой лопасти колеса. Оно могло быть расположено как вертикально, так и горизонтально. Водяные колеса, вращающиеся только за счет силы, создаваемой потоком воды, получили название подливных.

В результате множества технических усовершенствований в Средние века появились более эффективные верхненаливные колеса, которые вращались за счет действия веса падающей на них воды. Диаметр таких колес мог достигать 10 м, но даже при этом КПД водяного двигателя оставался низким. Вращаясь со скоростью чуть более 10 об/мин, колеса использовали менее двух третей энергии воды, и их мощность редко превышала 10 кВт.

Струйные и радиальные турбины

В современных гидроустановках водяное колесо заменено более скоростной водяной турбиной. За почти двухсотлетнюю историю эксплуатации было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Наиболее эффективными оказались так называемые струйные и радиальные турбины. По принципу действия струйные турбины схожи с верхненаливными колесами — струя воды под сильным напором ударяла в лопасти турбины и заставляла ее вращаться.

Радиальные турбины чаще используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад по высоте в 10—15 м. В XX в. такие турбины получили широкое распространение в связи с развитием гидроэлектростанций.

Первую гидротурбину подобной конструкции, которая имеет практическое применение, создал французский инженер Бенуа Фурнейрон (1802—1867). В 1832 г. он получил патент на свое изобретение.

В турбине Фурнейрона вода подается в спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Поток воды из кожуха поступает на вогнутые лопатки ротора, расположенного в центре «улитки», и вращает его. Ротором в такой конструкции является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Это колесо и является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Кстати, турбины Фурнейрона были установлены на первой в мире крупной гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде в Канаде.

Энергия приливов и отливов

Еще одним способом извлечения энергии из водных ресурсов планеты являются приливно-отливные станции. Оказалось, что вода морей и океанов, поднимающаяся более чем на десять метров во время приливов, несет с собой практически неограниченный запас энергии. Для ее использования в узких береговых проходах ставят преграду — плотину. Проникая через отверстия в такой плотине, вода вращает колеса или турбины, причем как во время прилива, так и во время отлива.

Существуют также такие гидростанции, на которых во время прилива вода перетекает в закрытый бассейн через шлюзы в дамбе или плотине. Затем шлюзы закрывают, уровень воды в море падает, а задержанная вода, вытекая из бассейна, вращает водяные колеса или гидротурбины.

Это интересно!

Энергию приливов впервые в заметных количествах стали использовать уже во второй половине XVI в. Так, например, жители Лондона (Англия) столкнувшись с перебоями водоснабжения, установили водяные колеса на реке Темзе. Вращаемые то в одну, то в другую сторону приливами, они заставляли работать насосы, закачивающие воду в трубы, по которым она текла в город.

Самая первая и крупнейшая приливно-отливная станция «Ля Ране» была построена в 1966 г. в устье реки Ране (Франция). Протяженность плотины станции составляет 800 м. Благодаря тому, что перепад высот прилива и отлива в этом месте составляет от 12 до 18 м, мощность «Ля Ране» доходит до 240 МВт.

Источник

Как человечество осваивает океаны? Проникновение в глубины

История человечества насчитывает сотни тысяч лет, и почти все это время океаны оно не осваивало. Практически никак. Люди болтались на поверхности. Уже много тысяч лет назад — сначала на бревнах, потом на разнообразных плотах или лодках — наши предки научились далеко отплывать от берегов морей или плавать по рекам и озерам. Но лишь по поверхности. Под воду, на дно, люди попадали, только утонув.

Но уже несколько тысяч лет, еще со времен Гомера, на греческих островах Додеканеса люди зарабатывали себе на жизнь нырянием за морскими губками. В море выходили лодки с командами ныряльщиков. В воду опускали ящик без дна и через гладкую воду искали на дне губку. Когда находили, ныряльщик проделывал дыхательные упражнения, дабы запасти воздух, брал привязанный веревкой гладкий камень веса примерно 15 кг «скандалопетра» (с греческого — «веревка-камень») и прыгал в воду, ныряя на глубину до 30 метров.

В Японии ныряльщицы ама («женщины моря») тоже имеют очень долгую историю. Считается, что профессия существует свыше 3000 лет, а первое письменное упоминание о ней есть в китайском сочинении «Предание о людях ва», написанном в III веке н.э.

Ама ныряют тоже на глубину до 30 метров, ищут и добывают разнообразных морских животных и раковины. Их еще называют «ныряльщицами за жемчугом». Процесс ныряния у ама организован почти так же, как у средиземноморских ныряльщиков за губками — дыхательные упражнения, камень, обвязанный веревкой, и ныряние.

В Японии долгое время существовало кастовое общество. В этом обществе крестьяне, ремесленники (люди низкого происхождения) вообще никаких прав не имели. И в то же время каста ныряльщиц за жемчугом — ама — считалась лишь чуть ниже касты благородных самураев.

В еках началась техническая революция. Для исследования глубин люди придумали водолазные костюмы, затем появились подводные лодки, была изобретена батисфера. Глубина моря, доступная человеку, разом увеличилась от пары десятков метров до 1−1,5 км, люди впервые увидели зачаровывающий мир вечной ночи морских глубин. Ама из префектуры Миэ
Фото: ru.wikipedia.org

15 августа 1934 года Уильям Биб и Отис Бартон опустились на глубину 932 метра. В 1949 году Отис Бартон поставил при помощи батисферы рекорд погружений — 1375 метров. Но толстостенный тяжеленный железный аппарат, поднимаемый и опускаемый при помощи лебедки, полностью зависящий от команды поддержки на судне, не нашел дальнейшего развития. Слишком уж опасно.

Далее стали развивать самоходные глубоководные аппараты. Швейцарец Огюст Пиккар создал первый батискаф FNRS-2 в 1948 году. Первый батискаф FNRS-2
Фото: Источник

Устройство батискафа — в какой-то мере объединение стратостата и батисферы. Кстати, ранее созданный Пиккаром FNRS-1 был именно стратостатом.

Батискаф состоит из батисферы и поплавка. Прочная батисфера — массивный шар с иллюминатором из толстого стекла, чтобы сдержать тысячи тонн наружного давления на больших глубинах. Батисфере батискафа придает плавучесть поплавок.

Для того чтобы стратостат мог лететь, в его баллон накачивают водород или гелий.
Для создания положительной плавучести в поплавок батискафа наливают бензин или какую-то другую плохо сжимающуюся жидкость.

При погружении на очень большие глубины был обнаружен очень неприятный эффект. Бензин действительно почти не сжимается. Но с каждой новой тысячей атмосфер внешнего давления, с каждым километром глубины он все же сжимается на 3%. При погружении на максимальную глубину земного океана, в Марианскую впадину, бензин оказался сжатым настолько сильно, что уменьшился в объеме на 30% — настолько же уменьшилась и его подъемная сила. Батискаф не пошел ко дну, только сбросив часть аварийного балласта.

Батискаф FNRS-2 совершил всего два погружения. Второй раз, совершая беспилотное погружение, он погрузился на глубину 1380 метров, но оказался поврежден на поверхности, при буксировке в штормовых условиях, после чего его разобрали. Батискаф FNRS-3
Фото: ru.wikipedia.org

Далее был построен батискаф FNRS-3. В 1953 году он совершил целый ряд погружений, последовательно на все большую глубину — вплоть до 4000 метров.

Затем был построен батискаф «Триест», который 23 января 1960 года погрузился на дно Марианской впадины, поставив тем самым абсолютный рекорд погружений, глубже уже не погрузиться.

Так как предел погружений был достигнут, встал вопрос: а зачем это вообще надо?

Кроме научной ценности получаемых данных, у батискафов оказалась уйма работы. Только они могут погружаться на сверхбольшие глубины и обследовать там различные затонувшие объекты. Батискаф «Триест»
Фото: ru.wikipedia.org

Батискафы обследовали погибшие на огромной глубине подводные лодки, а изменения, вносимые в конструкцию подводных лодок, позволяли в дальнейшем избежать новых трагедий.
Батискафы искали затонувшие водородные бомбы США.
Батискафы сделали для различных фильмов, в том числе и для фильма «Титаник», абсолютно уникальные кадры палубы и уцелевших до сих пор на чудовищной глубине кают и коридоров затонувшего лайнера.

В XIX веке людям были доступны глубины до 30 метров, а уже в XX веке человек увидел происходящее на глубине 10 километров.

Пока погружения на сверхглубины дороги и опасны, а потому редки, но батискафы находят на дне океана удивительные вещи. Человечество обследовало всего около 1% морского дна, и мы почти ничего не знаем о донных глубоководных месторождениях. «Триест» и корабль сопровождения ВМС США эскортный миноносец Lewis, 23 января 1960 г.
Фото: ru.wikipedia.org

Но как только найдут какие-нибудь месторождения, которые будет выгодно разрабатывать даже посредством батискафов, это вызовет новую революцию в развитии глубоководных аппаратов.

В конце концов, ради прибылей люди способны на совершенно невероятные риски. Это Жак и Огюст Пиккары старались ради науки. В наше время шелест наличных стимулирует открытия намного сильнее.

Источник