1. Пионеры парусного судоходства – суда с прямоугольными парусами

Первым устройством, которое использовало энергию ветра на пользу людям, был парус. Сначала парусные суда, появившиеся в древнем Египте примерно в третьем тысячелетии до н. э., использовали прямоугольные паруса (рис. 1). Такие суда с успехом плавали по Нилу и пересекали морские просторы в течение тысячелетий, несмотря на примитивизм их конструкции.

Движение такого судна осуществлялось благодаря толканию ветром паруса, и судно, естественно, могло «полноценно» двигаться лишь в направлении ветра. Сила, которая движет таким судном, прямо пропорциональна силе давления ветра и площади паруса. При отсутствии ветра движение лодки обеспечивали гребцы.

Вместе с тем, опытные моряки заметили, что существует такое управление прямоугольным парусом, что судно будет двигаться почти против ветра. Физическое объяснение этого явления такое. Парус ориентируют под определённым острым углом к направлению ветра. Встретившись с парусом, сила давления ветрового потока на парус раскладывается на две силы. Одна из них направлена вдоль паруса – она не влияет на движение судна. Вторая сила толкает парусник перпендикулярно плоскости паруса. Эта сила снова разлагается на две силы – перпендикулярную и параллельную линии киля. Но на судах вдоль килевой линии устанавливают подводные приспособления (киль), предотвращающие уменьшение устойчивости судна. Сопротивление килю нивелирует действие силы, перпендикулярной килевой линии. В результате остаётся векторная разница между силой ветра и силами, потерянными в процессе преобразования неуправляемой энергии ветра в управляемую энергию движения парусника, (рис. 2).

2. Изобретение эпохи – парус «косой»
(треугольный и трапецеидальный)

Казалось бы, рассмотренный выше (рис. 2) аэродинамический эффект должен решать проблему движения судна при любых направлениях ветра. В принципе, так оно и есть, но «результирующая» сила, движущая судно вперёд, является слабой (рис. 2), и поэтому судно движется под углом к ветру («против ветра») слишком медленно.

Две тысячи лет назад появились «косые» паруса – треугольные (рис. 3) и трапецеидальные (рис. 4). Где именно они появились – неизвестно. Спор за первенство их изобретения ведут между собой арабы и индусы. А спорить здесь есть о чём, ибо это стало одним из важнейших изобретений в истории человечества.

Путём управления ориентацией такие паруса могут преобразовывать энергию ветра различных направлений в энергию движения лодки вперёд. «Косой» парус может как толкаться, так и тянуться ветром, и тяговая сила бывает больше силы толкания.

В те далёкие времена люди ещё не имели физического объяснения этому явлению. Только в 1738 г. были открыты законы движения жидкости и газа вокруг искривлённой поверхности. Первым, кто сформулировал эту теорию, был великий швейцарский математик, физик и биолог Даниил Бернулли (рис. 5).

Объединив законы механики Ньютона с законом сохранения энергии и законом неразрывности струи, Даниил Бернулли вывел следующее уравнение обтекания искривлённой поверхности идеальной жидкостью или газом: p+0,5ρυ² = const, где: p – давление потока (Н/м²), ρ – плотность потока (кг/м³), υ – скорость потока (м/с). Следствием данного уравнения является тот принцип, что увеличение скорости потока приводит к уменьшению его давления и, наоборот, уменьшение скорости потока увеличивает его давление.

Далее рассмотрим вид (профиль) лежащего треугольного паруса (рис. 6).

Будем считать, что воздушный поток обтекает парус слева направо. Тогда в крайней левой точке профиля поток разделяется на две части, которые объединяются в крайней правой точке. Согласно закону неразрывности струи, частицы струи должны проходить обе поверхности паруса за одно и то же время. Для этого они должны двигаться с разными скоростями. Верхний поток, проходящий более длинный путь, нежели нижний, должен двигаться быстрее нижнего потока. Поэтому давление на верхней поверхности паруса будет меньше давления на его нижней поверхности. Таким образом, возникает равнодействующая сила, направленная снизу вверх, которая называется «подъёмной силой».

Фактически же этот профиль располагается вертикально, и «подъёмная сила» является той дополнительной силой, которая не толкает, а тянет парусник в нужном направлении. Эта сила существенно больше соответствующей силы, которая обеспечивает движение «против ветра» суден с прямоугольными парусами (рис. 2).

Развитие парусного судоходства, усовершенствование парусного оснащения, достижения науки и искусства управления парусами способствовали Великим географическим открытиям и расширению мировой торговли.

В XVI–XVII вв. главные районы парусного судостроения перемещаются из Средиземноморья в страны Северного моря (Голландию, Англию).

В наше время парусники в практических целях не используются. Их заменили более управляемые и более безопасные транспортные средства – пароходы и теплоходы. Но парусники (яхты) не исчезли из поля зрения людей. Красота парусных гонок и техническая сложность управления парусниками стимулировали возникновение парусного спорта, который с 1900 года входит в программу каждых Олимпийских игр.

В число самых выдающихся яхтсменов в мировой истории парусного спорта входит наш земляк уроженец Житомирщины Валентин Манкин (1938–2014) – победитель трёх Олимпийских игр, чемпионата мира и двух чемпионатов Европы.

Отметим, что парус был не единственным преобразователем энергии ветра, которым пользовались наши далёкие предки. Так, например, великий древнегреческий математик и механик Герон Александрийский (рис. 8), который жил в III в. до н.э., описал ветротурбину с горизонтальной осью и четырьмя крыльями, которую использовали для нагнетания воздуха при игре на оргáне (рис. 9).

3. Мельницы

Ветротурбины с вертикальной осью применялись в Персии за 200 лет до нашей эры для помола зерна. Использование таких мельниц приобрело впоследствии широкое распространение в странах Ближнего Востока (рис. 10).

Данная конструкция отличалась очень низким коэффициентом полезного действия, несмотря на то, что лопасти изготавливались из лёгкого дерева и материи. Причина неэффективности проста – сила ветра, толкает одну половину колеса с лопастями, тормозит вторую половину. Несмотря на несовершенство конструкции, эти ветротурбины широко применялись в VI–X вв. н.э. и использовались как мельницы, а также как двигатели для насосных станций, подающих воду для бытовых нужд и орошения или полива.

Ветротурбины изготавливались из местных материалов, обслуживало их множество работников. Размеры ветротурбин определялись параметрами доступных материалов. Увеличение мощности достигалось не увеличением размеров ветротурбины, а увеличением их количества.

В V–VII вв. н.э. персы построили первые ветряные мельницы более совершенной конструкции – с горизонтальной осью вращения (крыльчатые). В большинстве случаев это были массивные сооружения, которые строились с использованием достаточно тяжёлых материалов.

С точки зрения аэродинамики, мельница с горизонтальной осью вращения ничем не отличается от паруса. Её лопасти – те же паруса, ориентированные таким образом, что «подъёмная сила» приводит не к поступательному движению судна, а к вращательному движению жерновов. Преобразование вращения лопастей во вращение жерновов осуществляется применением специальной конструкции из системы зубчатых шестерёнок (рис. 11).

В IX в. ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу в Х в. с крестоносцами, которые возвращались из своих воинственных ближневосточных походов. В средние века в Европе существовало много поместных законов, включая и право отказа в разрешении на строительство ветряных мельниц, заставляли арендаторов иметь площади для посева зерна у мельниц феодальных поместий. Сажать деревья вблизи ветряных мельниц запрещалось для обеспечения «свободного ветра».

В XIV в. голландцы стали ведущими в совершенствовании конструкций ветряных мельниц, которые в Голландии служили не только для помола зерна, но и для откачки воды из польдеров с тем, чтобы в плодородной дельте Рейна можно было заниматься земледелием.

Голландские ветряные мельницы имели обычную горизонтальную ось (рис. 12). Лопасти этих деревянных установок имели длину до 12 м, и мельницы могли работать при скорости ветра до 42 км/ч. Операторы, находясь в цокольном помещении мельницы, ориентировали крылья в соответствии с направлением и силой ветра.

Многие голландские ветряные мельницы имеют сейчас возраст более 500 лет, но всё ещё находятся в рабочем состоянии. В Голландии можно пройти курсы по эксплуатации ветряков!

По имеющимся статистическим данным (понятно, что очень приблизительным) до 1917 года в Российской империи функционировали порядка  200 000 ветряных мельниц, которые перемалывали в год 32 млн тонн зерна. В разных частях огромной российской территории (Русский Север, Сибирь, Донской край и др.) эти  мельницы отличались друг от друга как внутренним устройством, так и внешним видом.

Отметим, что с середины XIX в. Украина имела развитое мельничное хозяйство. О его масштабах свидетельствует следующая статистика: в одном только Черниговском наместничестве в те времена было около 2500 ветряных мельниц. Эти мельницы не только выполняли свою техническую функцию – мололи зерно, но и были неординарными произведениями народной архитектуры.

На рис. 13 представлен ландшафт вблизи села Водяники Звенигородского района Черкасской области с современными ветряными мельницами.

На протяжении веков мельницы привлекали внимание художников (рис. 14-15).

Далее начинается новая страница истории ветроэнергетики – её «электрическая эра». О ней – в следующем номере «Страны знаний».

Авторы благодарны:

- Вере Сеник за советы по улучшению изложения материала;
- к.т.н. Александру Пальти и к.ф.-м.н. Владимиру Дресвянникову за уточнение физического объяснения принципов функционирования прямоугольного и «косого» парусов;
- Ирине Иванченко за техническую помощь в создании некоторых иллюстраций.

С.А. Кудря, член-корреспондент НАН Украины, д.т.н., директор, заведующий отделом ветроэнергетики Института возобновляемой энергетики НАН Украины,
Б.Г. Тучинский, к.э.н., старший исследователь, с.н.с. отдела ветроэнергетики Института возобновляемой энергетики НАН Украины.