Ручные помпы XV века

Ручная помпа XV века — это механическое устройство для перемещения жидкостей (преимущественно воды) с помощью мускульной силы человека, получившее распространение в Европе в XV столетии. Относится к классу поршневых насосов простого действия, в которых рабочий ход создаётся возвратно-поступательным движением поршня, приводимого в движение рукояткой или рычагом. В XV веке ручные помпы стали важным элементом городского водоснабжения, горного дела, пожаротушения и корабельного хозяйства, заменив более примитивные водоподъёмные устройства (черпаки, архимедовы винты, цепные насосы).

История

Античные предшественники

Принцип действия поршневого насоса был известен ещё в античности. Первое описание поршневого водоподъёмного устройства — «насос Ктесибия» — датируется III веком до н. э. (Александрия). Устройство состояло из двух цилиндров с поршнями, клапанов и воздушного колпака, обеспечивающего непрерывную подачу воды. Однако после падения Римской империи технологии централизованного водоснабжения и сложные гидравлические механизмы в Западной Европе пришли в упадок. В Средние века водоснабжение городов и замков обеспечивалось в основном водовозами, колодцами и простейшими воротами с вёдрами.

Возрождение интереса к гидравлике в XV веке

В XV веке, в период Ренессанса, в Европе началось возрождение интереса к античным инженерным знаниям. Этому способствовали:

• Переводы и распространение трудов древнеримского архитектора Витрувия (I век до н. э.), который в трактате «Десять книг об архитектуре» описал водоподъёмные машины, включая поршневой насос.
• Рост городов и увеличение плотности населения, что потребовало более эффективных и гигиеничных способов подачи воды.
• Развитие горного дела (особенно в Саксонии, Богемии, Тироле), где требовалось откачивать грунтовые воды из шахт.
• Появление артиллерии и рост значения пожаротушения в плотно застроенных средневековых городах.

Первые документальные свидетельства о применении ручных поршневых помп в Европе относятся к началу — середине XV века. Одним из наиболее известных ранних образцов является помпа, описанная в рукописи «Bellifortis» (1405 год) Конрада Кейзера фон Айхштета, где изображено устройство для подачи воды с использованием поршня и клапанов. В 1450-х годах итальянский архитектор и инженер Франческо ди Джорджо Мартини в своём трактате «Trattato di architettura» (1470-е годы) подробно описал несколько типов ручных и ножных помп, включая двухцилиндровую конструкцию, обеспечивающую непрерывную подачу воды.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Ручная помпа XV века, как правило, состояла из следующих частей:

1. Цилиндр (корпус): Металлический (бронзовый, чугунный, реже кованое железо) или деревянный (выдолбленный ствол дерева, обшитый железными обручами) цилиндр, в котором перемещался поршень. Внутренняя поверхность цилиндра должна была быть гладкой для обеспечения герметичности.
2. Поршень (плунжер): Деревянный или металлический диск, плотно прилегающий к стенкам цилиндра. Для герметизации часто использовалась кожаная манжета или пакля, пропитанная жиром.
3. Шток поршня: Металлический или деревянный стержень, соединяющий поршень с рукояткой.
4. Рукоятка (рычаг): Длинный рычаг, качающийся на опоре, позволяющий оператору с выигрышем в силе перемещать поршень вверх-вниз.
5. Клапаны: Обычно два клапана — всасывающий (в нижней части цилиндра или на всасывающей трубе) и нагнетательный (на выходе из цилиндра). Клапаны представляли собой кожаные или металлические заслонки, открывающиеся под давлением воды и закрывающиеся под собственным весом или под действием пружины.
6. Всасывающая труба: Труба, опускаемая в источник воды (колодец, река, шахта).
7. Нагнетательный патрубок: Труба, по которой вода подавалась к месту потребления (в бак, на орошаемый участок, в пожарный рукав).

Принцип работы

Работа помпы основана на создании разряжения (вакуума) в цилиндре при движении поршня вверх.

1. Ход всасывания: Оператор поднимает рукоятку вверх, поршень движется вверх. В цилиндре под поршнем создаётся пониженное давление. Под действием атмосферного давления вода из источника поднимается по всасывающей трубе, открывает всасывающий клапан и заполняет цилиндр.
2. Ход нагнетания: Оператор опускает рукоятку вниз, поршень движется вниз. Вода в цилиндре сжимается, всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан открывается. Вода выталкивается в нагнетательный патрубок.
3. Цикл повторяется. Для непрерывной подачи воды часто использовались двухцилиндровые помпы, где один цилиндр всасывал, пока другой нагнетал, и наоборот.

Классификация и виды

По материалу изготовления

• Деревянные помпы: Наиболее дешёвые и распространённые в сельской местности и небольших городах. Корпус изготавливался из выдолбленного ствола дуба или вяза, поршень — из дерева с кожаной обивкой. Быстро изнашивались, требовали частого ремонта.
• Металлические помпы: Изготавливались из бронзы или чугуна. Бронзовые помпы были дорогими, но долговечными и герметичными. Чугунные помпы появились позже, к концу XV века, с развитием литейного дела. Использовались в городах, замках и на кораблях.

По назначению

• Водоподъёмные (колодезные): Устанавливались над колодцами или на берегах рек. Предназначались для подачи воды в жилые дома, бани, фонтаны.
• Рудничные (шахтные): Использовались для откачки воды из горных выработок. Отличались большей мощностью и прочностью, часто имели длинные штоки и рычаги, приводимые в движение несколькими рабочими.
• Пожарные: Мобильные помпы, устанавливаемые на телеги или сани. Имели два цилиндра для непрерывной подачи воды и короткий, но мощный рычаг, приводимый в движение двумя-четырьмя пожарными. Вода подавалась по кожаным рукавам к месту пожара. Первое упоминание о пожарной помпе в Европе относится к 1518 году (Аугсбург), однако конструкции XV века уже существовали.
• Корабельные (трюмные): Небольшие помпы для откачки воды из трюма корабля. Отличались компактностью и устойчивостью к солёной воде.

Применение и значение

Водоснабжение городов и замков

В XV веке ручные помпы стали важным элементом систем водоснабжения. В крупных городах (Нюрнберг, Аугсбург, Лондон, Париж) помпы устанавливались на общественных колодцах и водонапорных башнях. В замках и монастырях помпы позволяли поднимать воду из подземных источников на верхние этажи, в кухни и бани. Например, в замке Карлштейн (Чехия) в XV веке была установлена помпа, подававшая воду в часовню.

Горное дело

Развитие горного дела в XV веке (добыча серебра, меди, олова) потребовало эффективных средств водоотлива. Ручные помпы, часто объединённые в каскады (несколько помп, установленных на разных уровнях шахты), позволяли откачивать воду с глубины до 50–100 метров. Это стало важным шагом в развитии горной техники, предшествовавшим более мощным водяным колёсам и паровым машинам.

Пожаротушение

Ручные пожарные помпы стали первыми специализированными средствами пожаротушения, способными подавать воду под напором. До их появления пожары тушили вёдрами и баграми. Помпы позволяли создавать струю воды, способную достигать верхних этажей зданий. В 1470-х годах в Нюрнберге были приняты первые городские постановления о пожарной безопасности, предписывающие иметь на каждом квартале ручную помпу.

Кораблестроение

На кораблях XV века (каравеллы, каракки) ручные помпы были необходимы для откачки воды, просачивающейся через корпус. Они заменили более примитивные черпаки и ведра. Помпы устанавливались в трюме и приводились в движение одним или двумя матросами.

Ограничения и недостатки

• Ограниченная высота всасывания: Из-за атмосферного давления (около 10 метров водяного столба) ручная помпа могла поднимать воду с глубины не более 8–9 метров. Для больших глубин требовались каскады или другие типы насосов.
• Низкая производительность: Один человек мог перекачать от 10 до 40 литров воды в минуту в зависимости от конструкции и усилия.
• Износ и негерметичность: Кожаные манжеты и клапаны быстро изнашивались, требовали частой замены. Деревянные корпуса рассыхались и трескались.
• Необходимость физической силы: Работа с помпой требовала значительных физических усилий, особенно при большой высоте подъёма или при использовании пожарных помп.

Интересные факты

• В 1450-х годах итальянский инженер Джованни Фонтана (Giovanni Fontana) описал в своей рукописи «Bellicorum instrumentorum liber» автоматическую помпу, работающую за счёт энергии ветра или воды, однако практического распространения такие устройства в XV веке не получили.
• В 1475 году в городе Брюгге (современная Бельгия) была построена одна из первых городских водонапорных станций, где ручные помпы приводились в движение водяным колесом.
• В 1490-х годах Леонардо да Винчи в своих записных книжках разработал несколько усовершенствованных конструкций поршневых насосов, включая двухцилиндровые и с воздушным колпаком, однако не все его проекты были реализованы на практике.
• Самая старая сохранившаяся ручная помпа XV века (около 1480 года) находится в музее города Нюрнберг (Германия). Она изготовлена из бронзы и имеет два цилиндра.

Источники

• Витрувий. «Десять книг об архитектуре» (I век до н. э.).
• Конрад Кейзер фон Айхштет. «Bellifortis» (1405).
• Франческо ди Джорджо Мартини. «Trattato di architettura» (1470-е).
• Леонардо да Винчи. «Атлантический кодекс» (конец XV века).
• Уайт, Линн. «Средневековая технология и социальные изменения» (1962).
• Гиллеспи, Чарльз. «Словарь научной биографии» (1970–1980).
• «История техники» под редакцией А. А. Зворыкина (1962).