Текст книги "Создатели двигателей"

Автор книги: Лев Гумилевский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 26 страниц)

«Часто поднимали вопрос, – говорит Карно дальше, – ограниченна ли или бесконечна движущая сила тепла, существует ли определенная граница для возможных улучшений, граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом, или, напротив, возможны безграничные улучшения? Так же долго искали и теперь ищут, не существует ли агентов, предпочтительных водяному пару для развития движущей силы огня, не представляет ли, например, воздух в этом отношении большие преимущества? Мы ставим себе задачу подвергнуть все эти вопросы внимательному рассмотрению».

На эти основные вопросы и дает свои ответы Сади Карно. Они просты, кратки, ясны. Проникновение Карно в природу вещей, о которых он толкует, изумительно. Он говорит о тепловых двигателях вообще, хотя в его время не было никаких иных тепловых двигателей, кроме паровых. Он за полвека вперед предвидит не только возможность появления двигателей внутреннего сгорания, но указывает даже практический путь для их осуществления, тот самый путь, который через семьдесят лет привел инженера Рудольфа Дизеля к практическому успеху. Но прежде всего Карно излагает свою теорию тепловых двигателей и устанавливает основной закон науки о теплоте почти в тех же самых выражениях, в которых он формулируется и теперь, спустя сто лет.

«Во всех паровых машинах, – указывает Карно, – получение движения связано с одним обстоятельством, на которое нужно обратить особенное внимание: это восстановление теплового равновесия, переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой».

Указывая на то, что работа теплового двигателя зависит от перепада температуры, Карно заключает: для получения в двигателе работы необходимо иметь два источника тепла разных температур.

«Чтобы получить движущую силу, – восклицает он, – недостаточно только производить теплоту, нужно иметь также и холод!»

И далее он устанавливает основной закон науки о теплоте, известный как «начало Карно»:

«Везде, где существует разность температуры, везде, где может быть произведено восстановление теплового равновесия, может быть получена движущая сила. Водяной пар есть только средство для получения движущей силы, но он не единственное средство: все тела природы могут быть употреблены для этой цели. Все тела способны изменять объем, сжиматься и расширяться под действием тепла и холода; все они способны преодолевать при изменении своего объема известные сопротивления и развивать таким образом движущую силу».

Для разрешения вопроса о том, зависит ли работа теплового двигателя от тела, посредством которого она совершается, Карно сравнивает два процесса: процесс перехода тепла от источника с высокой температурой к источнику с низкой температурой, в результате чего получается некоторое количество работы, и обратный процесс, когда тепло переходит от тела с низшей температурой и телу с высшей температурой в результате совершения некоторой работы.

И вот здесь Карно устанавливает обратимость тепловых процессов, лежащую в основе учения о теплоте.

Установив теоретическую обратимость тепловых явлений и необходимость иметь разницу в температурах для превращения теплоты в работу, Карно положил начало термодинамике – науке о тепловых явлениях. Термодинамика стала фундаментом теплотехники – науки, изучающей конструкцию и работу всех машин, превращающих теплоту в работу и работу в теплоту.

Возвращаясь к вопросу о том, зависит ли работа теплового двигателя от рабочего тела, посредством которого эта работа совершается, Карно отвечает:

«Количество работы, могущее быть полученным от затраты теплоты, не зависит от рабочего тела, при помощи которого работа осуществляется. Это количество определяется только температурами тел, между которыми осуществляется в конечном счете перенос тепла».

После этого Карно разбирает вопрос о возможности применения в тепловых двигателях тех или иных рабочих тел. Он справедливо указывает, что наивыгоднейшими телами могут быть только пары и газ, обладающие большой способностью к расширению, и устанавливает основные правила: температура рабочего тела должна быть в начале рабочего процесса возможно более высокой, чтобы получить возможно больший перепад тепла, а стало быть, и возможно большее количество работы, а охлаждение должно производиться до температуры возможно более низкой.

Относя эти правила к работе паровых двигателей, Карно указывает, что в них редко применяется давление пара выше шести атмосфер. Такое давление соответствует температуре в 160 градусов. Между тем температура конденсатора обычно равна 40 градусам. Разность температур, используемая в паровых двигателях, таким образом, не бывает больше 120 градусов.

Если бы возможно было использовать весь перепад тепла от температуры сгорания топлива, равной 1000 градусам, до температуры охлаждающей воды, равной 10 градусам, то этот перепад составлял бы почти 1000 градусов и, несмотря на всяческие потери, в двигателе при одном н том же количестве сожженного топлива было бы получено в несколько раз большее количество работы.

Этот военный инженер умел размышлять и теоретически совершенно правильно указывал путь развития тепловых двигателей: надо было стремиться для экономичности и мощности их к увеличению перепада тепла.

Тщательно исследуя процесс работы теплового двигателя, Карно излагает далее условия, в которых этот процесс должен происходить, и создает так называемый «цикл Карно». Двигатель, работающий по этой схеме, должен иметь коэффициент полезного действия в 70 процентов. Не ограничиваясь теоретическими рассуждениями, Карно здесь же указывает, как, по его мнению, можно осуществить этот тепловой двигатель.

Прежде всего он предлагает заменить водяной пар воздухом в качестве рабочего тела.

«Водяной пар, – пишет он, – может быть образован только в котле, в то время как воздух можно нагревать сгоранием, происходящим в нем самом. Этим можно избегнуть не только большой потери в количестве тепла, но и в его температуре. Чтобы дать возможность воздуху сильнее расширяться и расширением вызвать большее изменение температуры, надо его брать в сжатом виде. Его следовало бы сжать каким-либо способом, раньше чем нагревать..

Было бы лучше, как нам кажется, сжимать воздух воздушным насосом, а затем пропускать его через закрытую камеру сгорания, куда топливо вводилось бы постепенно небольшими порциями при помощи механизма, который легко было бы построить, затем предоставить этому газу действовать в цилиндре с поршнем и выпускать его в атмосферу или даже заставлять его проходить под паровым котлом для использования оставшейся в нем теплоты».

Небольшое сочинение Карно было написано задолго до того, как техника капиталистического хозяйства вплотную подошла к созданию максимально экономичного двигателя. Между тем Карно указывал не только путь к созданию двигателя внутреннего сгорания и путь к усовершенствованию парового двигателя, но даже высказал идею использования отработавших продуктов сгорания для нагревания котла.

Конечно, Карно предвидел все трудности осуществления двигателя, возникавшего в его воображении. Он писал в заключение:

«Употребление атмосферного воздуха для получения движущей силы тепла на практике представит огромные, но все же преодолимые трудности. Если их удастся победить, то воздух обнаружит большие преимущества перед паром».

Семьдесят лет спустя последователь Карно, немецкий инженер Рудольф Дизель, преодолел эти огромные трудности и создал двигатель, руководствуясь указаниями Карно. Но как раз потому, что учение французского инженера предвосхищало требования экономики задолго вперед, его сочинение и не обратило на себя никакого внимания при своем появлении.

Только спустя десять лет на него случайно напал математик Клапейрон, только через двадцать лет идеи Карно были оценены английским физиком Вильямом Томсоном, и сочинение Карно получило признание в научных кругах. После того как перед техниками всех наций встала задача создания более совершенного двигателя, изобретатели и ученые все чаще и чаще стали обращаться к Карно, черпая в его небольшой книжке удивительные откровения.

Если до того конструкторы тепловых машин располагали только случайными наблюдениями, то теперь они имели в руках теорию тепловых явлений, открывавшую простор для практических выводов и заключений. История техники показывает, какую неоценимую помощь созданию тепловых двигателей и тепловых машин оказало сочинение Карно.

Карно напечатал свои «Размышления о движущей силе огня» и забыл о книге, ответив сам себе на интересовавший его вопрос.

Через два года он снова поступил на службу, но вскоре опять оставил ее. Он продолжал размышлять о многих вопросах, но странная и жестокая судьба постигла в это время самого Карно и его работы.

Весною 1832 года этот тридцатишестилетний человек заболел скарлатиной, чрезвычайно ослабившей его организм. Летом 1832 года он заразился холерой и 24 августа умер.

По правилам полагалось в целях борьбы с эпидемией сжигать все имущество больного, если оно находилось в соприкосновении с ним. Полиция сожгла заодно с одеждой и постелью Карно все его бумаги, тетради и рукописи.

Современники не имели никакого понятия о том, кого они хоронили и чьи рукописи подвергли уничтожению. Интересно, что как раз на своей родине Карно оставался неизвестным дольше всего.

О нем французы узнали впервые из речи одного оратора над могилой Томсона, когда тот напомнил, что знаменитый английский физик в своих лекциях говорил о Карно как о гениальном ученом.

Вильям Томсон и Рудольф Клаузиус, создавая современную термодинамику, дали впервые настоящую оценку сочинению Карно. Они указали, что Карно ввел в науку представления о круговых процессах, об их обратимости, о разности температур, как о необходимом условии работы тепловых двигателей, о независимости их от рода рабочего тела. Все эти представления лежат в основе современной термодинамики и выдвигают их автора на одно из первых мест среди физиков.

В 1872 году брат Карно передал во Французскую академию наук случайно не сожженные черновые записи и заметки умершего. Из них выяснилось, что Карно смотрел на природу теплоты вовсе не так, как современные ему физики. Он записал для себя:

«Теплота есть не что иное, как механическая работа или, вернее, движение, изменившее свою форму. Это есть движение частиц тела. Везде, где имеется затрата работы, имеется также появление тепла в количестве, строго пропорциональном количеству затраченной работы. Обратно: всюду, где есть затрата тепла, есть в то же время производство механической работы».

Взгляд на теплоту как на своеобразную форму движения частиц тела или молекул положен физиками в основу современной термодинамики. Крупнейшее достижение физики прошлого века светлый гений Карно предвосхитил так же легко и просто, как предсказал он весь дальнейший путь развития тепловых машин.

Если Карно не опубликовал своих дальнейших размышлений о природе тепла, то, очевидно, только потому, что ему помешала смерть. Он хотел довести свои мысли до предельной простоты, точности и ясности.

Но дело не в этом. Важно, что Карно установил основные законы превращения теплоты в работу, превращения тепловой энергии в механическую и показал будущим строителям тепловых машин и двигателей, что возможно для техники и чего нельзя добиться практически.

Теорией тепловых явлений мастера энергетической техники воспользовались очень широко и к началу XX века создали целый ряд самых разнообразных тепловых двигателей.

Однако потребность промышленности и транспорта в движущей силе была так велика, так разнообразна, так неотложна, что одновременно с созданием тепловых двигателей энергетическая техника поставила на службу человеку и целый ряд других двигателей.

Глава третья. Гидравлический двигатель

1. Водяные колеса

Фролов

В 1817 году французское правительство основало в Сент-Этьенне Высшую школу горных наук. Когда состоялся первый набор учащихся, о школе знали очень мало. На первый курс поступило всего только восемь человек, преимущественно уроженцев Сент-Этьенна.

Среди этих восьми человек находился сын учителя математики Сент-Этьеннской гимназии Бенуа Фурнейрон. Он хорошо выдержал приемный экзамен, но с включением его в число принятых было немало хлопот: мальчик родился 1 ноября 1802 года и, таким образом, не имел даже полных пятнадцати лет. Только ссылаясь на способности Фурнейрона, экзаменаторам удалось добиться согласия дирекции на зачисление его в школу.

Администрация школы не имела поводов сожалеть о своем решении. Мальчик учился отлично. Но семеро товарищей Фурнейрона провели бы, вероятно, свои школьные годы веселее, если бы между ними не было этого способного, но не очень приятного юноши. Он был угрюм, вечно недоволен, ужасно обидчив, страшно самолюбив л к тому же обладал острым и злым языком. Маленькие глазки, большой нос, грубые черты лица, медвежья сила и медвежья неловкость делали его еще более неприятным.

Сам Фурнейрон мало страдал от своего одиночества в школе; он упорно занимался и нисколько не тяготился отчуждением товарищей. Самолюбие толкало его стать первым в школе, а упрямство заставляло доводить до конца все свои предприятия.

Новая школа не имела точной программы. Даже не было определенной установки, кого, в сущности, она готовит: инженеров или техников, директоров горных промыслов или только мастеров. Все предоставлялось случаю, все зависело от самих учащихся и учителей. И если впоследствии Сент-Этьеннская школа завоевала репутацию первоклассного учебного заведения, то этим она была обязана подбору студентов первого выпуска й составу преподавателей. Среди них особое место занимал профессор Бурден.

Он читал студентам курс высшей математики и основы механики. Бурден, талантливый конструктор, к несчастью, не обладал практическим умом, настойчивостью, нужными для успешного осуществления даже гениальных идей. Бурден знал это и потому, может быть, предпочитал сеять свои идеи среди тех, кто с большим успехом мог бы их осуществить, нежели он сам.

Лектор он был блестящий. Свое изобретательское дарование он употреблял на то, чтобы конструировать всевозможные приборы для различных экспериментов, увлекавших учеников.

Некоторое увлечение Бурдена гидравликой, в частности водяными двигателями, в век пара казалось странным и старомодным. Это был «конек» учителя, с которого он уже не мог сойти, раз сев на него. Но надо сказать, что на самом деле в увлечении профессора Бурдена не было ничего смешного и тем более старомодного. Наоборот, оно показывало, что Бурден очень хорошо понимал запросы своего времени.

Несмотря на распространение парового двигателя, вододействующие колеса еще продолжали развиваться, главным образом в направлении увеличения их мощности.

В Англии, на родине Уатта, уже после его смерти, по проекту инженера Смитона было сооружено водяное колесо – одно из самых больших в мире. Диаметр его равнялся двадцати одному метру. Колесо делало один оборот в минуту, и мощность его достигала двухсот лошадиных сил. Поставленный в устье реки Клайд, на которой когда-то ловил рыбу маленький Уатт, этот железный гигант обслуживал бумагопрядильную фабрику.

Подобных же размеров водяное колесо англичане выстроили несколько позднее для откачивания воды из рудников на острове Мен. Оно приводило в движение штоки двух водяных насосов, поднимавших с глубины ста двадцати метров шесть кубических метров воды в минуту. Приводила в движение это колесо вода, собиравшаяся с горного кряжа в особые резервуары. Из резервуаров она подводилась к колесу подземными каналами, поднималась в башню и отсюда уже падала на колесо.

У нас на Нарвской мануфактуре мощность водяного колеса достигала 600 лошадиных сил.

Основной недостаток гидравлического двигателя заключается в его зависимости от наличия водяного потока. Промышленное предприятие должно располагаться возле реки, не считаясь с неудобствами, которые возникали от этого. Чтобы смягчить такую зависимость, приходилось строить иногда целые системы каналов, плотин, запруд, через которые вода из реки подавалась на промышленное предприятие.

Вододействующие колеса, как и ветряные мельницы, встречаются еще и сейчас в глухих уголках земного шара. При этом за две тысячи лет существования они не претерпели никаких существенных изменений. Изменялись лишь способ подведения к ним воды и материал, из которого они делались. В зависимости от способа подведения воды водяные колеса разделялись на подливные и наливные. Самые древние, подливные колеса ставились на реке так, что вода силою свободного течения действовала на нижние лопатки колеса. К наливному колесу вода подводилась сверху и работала своим весом, падая на лопатки. В зависимости от того, к какой части колеса подводилась вода, колеса назывались верхненаливными, средненаливными, заднебойными.

Разнообразие конструкций этих колес свидетельствует о том, что попытки найти наиболее выгодный способ использования водяного потока были основной заботой конструкторов в те времена, когда гидравлический двигатель был самым распространенным и почти единственным, если не считать ветряных мельниц, механическим двигателем.

В то же время не прекращались и попытки увеличить энергетическую эффективность водяных колес за счет их размеров и конструктивного совершенства.

История оставила нам немало рассказов о различных вододействующих установках, поражавших умы современников как своими размерами, так и остроумным устройством.

Наибольшую же известность получили русские гидромеханические сооружения на Урале и особенно – грандиозная гидросиловая установка Змеиногорского рудника на алтайских Колывано-Воскресенских заводах.

Об этой установке «Горный журнал», издававшийся в Петербурге, писал в 1827 году:

«Кто посещал Змеиногорский рудник, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человечества, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивленный путешественник спросит невольно: кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, каких не существует ни в одном из российских рудников? Изобретатель сего механизма есть берг-гауптман 6-го класса Кузьма Дмитриевич Фролов».

С начала XVIII века русское правительство обращало особое внимание на необходимость усиленного развития горнозаводского дела. Поиски руд начались у нас еще до Петра, причем уже тогда «разведывателями» были охвачены районы и далекого Севера и Урала с Зауральем. В XVII веке были основаны у нас и первые «вододействуемые» чугунные и медеплавильные заводы. Правда, некоторые из предприятий XVII века оказались недолговечными, но часть железоделательных заводов, в том числе и все крупные, имевшие гидротехнические сооружения в виде водяных колес, сохранились до XVIII века, когда началась бурная деятельность Петра по развитию металлургии в России.

Железоделательная промышленность достигла особенного развития на Урале. Уральское железо конкурировало на европейском рынке с самым высококачественным шведским железом и вывозилось даже в Англию, шедшую впереди других стран в своем промышленном развитии.

Для приведения в движение различных горнозаводских механизмов – «толчейных мельниц», измельчавших руду, воздуходувных мехов, водяных насосов – на Урале, на Алтае строились вододействующие колеса, принадлежащие к разряду гидравлических, то есть действующих водой, двигателей.

Гидравлические двигатели на Урале составляют славу товарища по школе и друга Ползунова – Кузьмы (Козьмы) Дмитриевича Фролова (1726–1800).

Так же как Ползунов, Фролов со школьного возраста, одновременно с изучением наук «словесных и арифметических» – геометрии, тригонометрии, механики и черчения, – непосредственно на производстве присматривался к делу и «руками по возможности применялся и о искусстве ремесла, в чем оное состоит, внятно уведомлялся и рассуждал: из чего лучше или хуже может быть».

Юноша был чрезвычайно привержен и к рассуждению и еще более к ручному труду. Он удивлял своих учителей способностью понимать с первого взгляда устройство машин и механизмов и «что потребно прибавливать или убавливать» во вновь проектируемом механизме для улучшения его работы. Однако, начав свою деятельность в качестве «горного ученика», Фролов не скоро стал собственно механиком. Первые тринадцать лет трудовой жизни, подобно Ползунову, он выполнял различные поручения горного начальства: то наблюдал за работами по промывке золота, то отправлялся для разведки новых рудных месторождений, причем иногда, в очень отдаленные местности.

Этот человек высокого роста, с большой черной бородой, одетый в длиннополый, стеснявший движения кафтан, был похож на сказочного русского богатыря. Он строил на Алтае машины для промывки руды, спроектировал, построил и пустил в ход водяные толчейные мельницы, измельчавшие руду. В Барнауле Фролов сделал водяные колеса для кузнечного молота. За годы своей инженерной деятельности на Алтае Фролов осуществил множество самых разнообразных конструкций, составивших ему известность не только на Урале, но и в Петербурге, куда его вызывали для инженерных работ на Онеге.

И только в 1781 году, когда Кузьма Дмитриевич был назначен управляющим Змеиногорского рудника, самого старого и самого богатого драгоценными металлами, ему предоставилась возможность начать перевооружение энергетического хозяйства рудника. Здесь он и проявил свой талант, изобретательность и ясное понимание необходимости увеличивать повсюду и всемерно мощность орудий производства для развития производительных сил страны.

Исключительно тяжелые условия работы в рудниках гнали отсюда крепостных людей. Никакими наказаниями, никакими угрозами невозможно было удержать их: они предпочитали пытки и казнь медленному умиранию от непосильного труда.

С недостатком рабочей силы Фролов столкнулся как с основным бедствием, вступив в должность управляющего. Причин этого бедствия он не понимал и думал, что все дело только в технической отсталости.

Устройство гидравлических колес Фролов хорошо изучил, строя водяной двигатель для молота барнаульской заводской кузницы. Это было небольшое деревянное колесо с прямыми лопатками на ободе. Вода падала сверху по направляющему желобу на лопатки колеса, и силою удара воды колесо вращалось. Через колесный вал движение передавалось на рукоять молота, который то поднимался, то падал. Молот плющил железо на наковальне. Такое же колесо, только гораздо больших размеров, и задумал построить для откачивания воды на одной из шахт (Вознесенской) Змеиногорского рудника новый его управляющий.

В 1783 году машина была готова. Внутри Змеевой горы, в самой шахте, механик поставил огромное деревянное колесо с механизмом для приведения в действие насосов.

Колесо вращала вода речки Змеевки, пущенная по подземному каналу. Внизу шахты были установлены насосы, которые поднимали воду с глубины в 60 метров. Но глубина шахты доходила до 100 метров, следовательно до поверхности оставалось еще 40 метров. Фролов устроил на высоте 60 метров для слива поднимаемой насосами воды наклонную подземную трубу. По этой трубе вода самотеком уходила в другую реку, Корбалиху, уровень которой был ниже уровня Змеевки.

Рабочие прозвали эту машину «слоновой» за ее небывалую величину.

Хотя машина была и очень мощной, одной ее не хватало для обслуживания всего рудника. Да к тому же она только откачивала воду, а руду из шахт по-прежнему выносили на спине. Этого допустить механик не мог.

Он понимал, что для увеличения производительности шахт нужны были новые машины, и принялся за составление проекта рудоподъемной машины.

Конечно, прежде чем взяться за новое дело, Кузьма Дмитриевич с пристальным вниманием начал изучать книги по механике, где имелись описания различных гидротехнических устройств. Книг таких тогда было мало, но они все-таки были. Нашлись они и в барнаульской библиотеке, которую отлично знал Ползунов.

Советуясь с другом своим по поводу прочитанного, руководствуясь отчасти и своим опытом, Фролов успешно справился с задачей. По его проекту в сарай, где стояла машина, был проведен желоб, по которому вода поступала из штольни, идущей от пруда. Желоб входил в деревянный ящик, называвшийся ларем. На дне этого ящика имелись три отверстия – «окна», закрывавшиеся каждое клапаном. Ящик устанавливался прямо над колесом, причем так, чтобы вода, пущенная из двух отверстий, падала как раз на его лопатки. Колесо машины было разделено по ширине обода на две равные части, то есть лопатки по колесу шли двумя параллельными рядами, но обращенные в противоположные стороны. Это нужно было для того, чтобы вращать колесо в ту или другую сторону. На валу колеса были накручены канаты, поднимавшие бадьи с рудой; при вращении вала они то сматывались, то наматывались, в зависимости от направления хода колеса. Третье отверстие на дне ларя открывали, когда нужно было колесо остановить. Вода поступала в ларь беспрерывно; следовательно, когда колесо стояло, то есть когда оба отверстия для стока воды на лопатки были закрыты, необходимо было прибывающей воде дать сток, иначе она полилась бы через край. Для предупреждения этого и служил третий клапан. Через него вода выливалась мимо колеса в подземный канал, идущий к другой машине – водоотливной, стоящей на Екатерининской шахте.

Колесо необходимо было останавливать и на то время, пока поднятую бадью разгружали, а нижнюю, находившуюся на дне шахты, нагружали рудой. Тяжелое, намокшее колесо, конечно, не сразу останавливалось в силу инерции, и конструктор сделал на другом конце вала второе колесо, поменьше и уже без лопаток, приладив к нему тормозные колодки. Когда рабочее колесо требовалось остановить, нужно было только прижать эти колодки к ободу второго колеса. Делалось это специальными рычагами, и с торможением справлялся любой рабочий.

Фролов установил на валу своей машины тормозное колесо без лопаток.

Из этого описания легко судить о конструктивной сложности машины и необычайной изобретательности русского механика.

Конечно, при постройке ее Фролову пришлось преодолеть немало трудностей, но ни одна из них не привела механика к разочарованию или к неверию в творческие силы своих помощников и свои собственные.

Испытания этого грандиозного сооружения дали превосходные результаты, и Кузьма Дмитриевич немедленно взялся за проектирование, а затем и строительство еще одной машины на той же Екатерининской шахте для откачивания воды из нижних выработок. Эта машина конструктивно была задумана еще смелее рудоподъемной. Колесо имело такие же гигантские размеры, как и на Вознесенской шахте. Оно было 15 метров в диаметре. Собрать такое колесо, да еще деревянное, поднять и насадить на вал представляло задачу трудную, требовавшую от строителя находчивости для борьбы с постоянно возникавшими затруднениями.

Колесо двигало поршни насосов, установленных глубоко на дне шахты в два ряда, по девять в каждом. Насосы переливали воду в корыта, стоявшие над ними, а из них верхние насосы перекачивали ее еще выше, в устроенные на этой высоте другие корыта. Вода поднималась, как по лестнице, со ступеньки на ступеньку. Такое устройство позволяло качать воду со стометровой глубины. Передача от колесного вала к поршням насосов была тоже очень сложной, причем сложность конструкции удваивалась от ее размеров и несовершенства дерева как машиностроительного материала.

Длинные тяги, идущие от кривошипа укрепленного на валу колеса, лежали на подвижных катушках на всем протяжении – от колеса до колодца с насосами. Кривошип, вращаясь по кругу, тянул всю цепь и вытягивал поршневые штоки насосов. Обратное движение происходило само собой: тяжелые шесты насосных приспособлений тянули всю систему вниз силой собственного большого веса.

Четвертая машина, поставленная на Вознесенской шахте, была копией построенной в 1783 году. Она имела такое же гигантское колесо и устроена была почти так же, как и екатерининская.

Когда все водопроводящие каналы были прорыты, машины и вспомогательные механизмы установлены, началась постройка плотины, чтобы собрать достаточное количество воды для работы всех этих машин.

Чтобы запрудить реку Змеевку, поперек течения забили сваи, заплели их фашинами, а в промежутки навалили камень и землю. Плотина высотой в 23 метра, длиной 128 метров и шириной от 96 до 21 метра подняла воду и образовала пруд площадью в 6 квадратных километров. Это была серьезная гидротехническая задача, которую Фролов разрешил блестяще.

Через плотину были проложены две канавы с каменным дном и стенками: одна – чтобы спускать лишнюю воду весной или после больших дождей, с подъемными ставнями для запора воды, если понадобится. Через другую канаву вода шла беспрерывно и служила для пуска воды на систему подземных каналов и желобов, подводивших воду к рабочим колесам машин.

В своем стремлении достигнуть предельной мощности Фролов построил самые большие в мире деревянные водяные колеса. Даже одно из чудес французского короля Людовика XIV – водяное колесо голландского архитектора Реннекена, подававшее воду в фонтаны Версальского парка, – уступало по величине и конструктивному совершенству змеиногорским сооружениям Фролова.

Поставленные на шахтах для разных производственных целей, водяные колеса Фролова имели диаметр, равный высоте нынешнего пятиэтажного дома. Как ни развито было на Руси плотничное дело, как ни велик был опыт строителей русских плотин и мельниц, нельзя не удивляться инженерному искусству и математической точности Фролова, сумевшего так рассчитать все части колеса, что оно не разваливалось на куски от собственной тяжести и от силы инерции во время работы. Поражали современников и все остальные части сооружения: насосы и приводы к ним, плотины и пруд.

Но дело не только в размерах и грандиозности сооружений Фролова, а в их конструктивном совершенстве, в необычайном умении русского механика использовать стихийную силу водного потока как источник энергии.

Повадки водяной стихии, свойства воды как силы Фролов знал, вероятно, как никто в мире. Он не ограничивался строительством водяных колес для нужд рудника. Для удовлетворения своей изобретательской страсти Кузьма Дмитриевич строил, например, водяные часы, где механизм приводился в движение водой, а показывали эти часы время с точностью маятниковых часов.

После смерти Ползунова Кузьма Дмитриевич с необычайным искусством исправил насосы в его машине.

Кузьма Дмитриевич до последних дней своей жизни гордился дружбой с великим русским теплотехником. По странной случайности, пережив на много лет своего друга, он умер в 1800 году в том же Барнауле, куда вызван был на заседание Горного совета.