POZNÁVÁNÍ TECHNICKÝCH PAMÁTEK Z HLEDISKA MECHANICKÝCH JEVŮ Technical knowledge of monuments in terms of mechanical phenomena Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc., Bc. Petr Zezulka, Bc. Jana Skřivánková Vysoká škola logistiky v Přerově, katedra přírodovědných a humanitních disciplín e-mail
[email protected],
[email protected],
[email protected] Abstrakt Ač se to na první pohled nezdá, s fyzikou a fyzikální jevy se setkáváme na každém kroku. Pro mnoho žáků a studentů je studium fyziky nezajímané a nudné. Cílem tohoto příspěvku je představit některé fyzikální jevy a zároveň doporučit jejich praktickou prohlídku na nějakém turisticky zajímavém výletním místě. Cestováním, zábavou a poznáním představit to, co má jasné zákonitosti, bylo zde dlouho před námi a bude tu i dlouhou dobu po nás. Před průmyslovou revolucí v osmnáctém století probíhalo získávání energie hlavně ze síly vody. Důmyslnými zařízeními byla tato energie přeměňována na mechanickou energii, která začala lidem usnadňovat jejich práci. Tato zařízení byla stále zdokonalována, hlavně díky technickým možnostem používání a opracování oceli. Abstract Although we doesn't look like it, with physics and physical phenomena we encounter at every step. For many students the study of physics is not interestig and it is boring. The aim of this article is to present some physical phenomenon and recommend their practical tour at some interesting tourist place. By traveling entertainment and cognition to imagine what it has clear laws were here long before us and will be here a long time after us. Before the industrial revolution in the eighteenth century was carried out mainly generate energy from the power of water. Sophisticated devices, this energy is transformed into mechanical energy that people started to facilitate their work. These devices have been still improved, mainly due to the technical possibilities of the use and processing of steel. Klíčová slova Mechanika, vodní mlýn, vodní pila, hamr, transmise Key Works Physics, mechanics, water mill, water sawmill, hammer ÚVOD České země v minulosti patřily vždy k evropské průmyslové špičce. Dík specifickým hydrologickým poměrům, byl vodní pohon o malých výkonech v Čechách a na Moravě velmi rozšířen. Největší podíl na tom měla vodní díla s výkonem od 2 do 30kW instalovaného výkonu. Energie vody byla jednou z prvních (po zvířecí), kterou dokázal v minulosti člověk použít a úspěšně přeměnit na mechanickou práci. Dřívější styl života se od našeho současného velmi lišil. Tak, jak se měnila společnost, hospodářské poměry a řemesla, tak také přibývalo provozoven, kde bylo možno vodní energii využít – mlýny, pily, valchy, tkalcovny, hamry, strojní obrobny, apod. Mechanika je obor fyziky, který se zabývá mechanickým pohybem. Mezi nejčastěji používané veličiny v mechanice patří energie, síla, rychlost a zrychlení. Mechanika patří k nejstarším částem fyziky a od počátku byla úzce spojena s technickými aplikacemi, např. s
- 153 -
tvorbou mechanických strojů. Na všech mechanických zařízeních můžeme aplikovat Newtonovy zákony, tj. Zákon setrvačnosti, Zákon síly a Zákon akce a reakce. Stroj je obecné označení pro účelová, obvykle mechanická nebo elektromechanická zařízení, jimiž člověk rozšiřuje své síly a možnosti. Od jednodušších nástrojů se liší větší složitostí a často i tím, že mají vlastní pohon, čili využívají jiné než svalové energie. Jednoduché stroje jsou mechanická zařízení, která transformují mechanické síly. Jiné stroje slouží k přeměně jednoho druhu energie na jiný, nejčastěji na točivý mechanický pohyb (motory).1 VODNÍ MLÝNY Historické objekty vodních mlýnů představují z pohledu cestovního ruchu velice zajímavé a atraktivní výlety. Z pohledu mechaniky to je soustava mechanických převodů, které z jednoho zdroje otáčivého pohybu pohání všechny části mlýnu. Vodní mlýn tedy nelze chápat jako pouhý "dům s kolem", ale jako celistvou a často velmi rozlehlou technickou soustavu. Budovatelé a provozovatelé vodních mlýnů ovlivňovali i tvářnost krajiny a provoz na řece. Mlynáři bývali kritizováni za bezohledné „zadržování vody“ (v retenčních nádržích resp. jezech) v dobách sucha Vodní mlýn vyžaduje k efektivnímu fungování převýšení hladin, proto jej nelze postavit kdekoliv. Zpravidla je můžeme nalézt v místech, kde je tok vody v řece strmější. Stavitelé mlýnů museli tak pečlivě volit jejich umístění. Obecně se však dá říci, že čím větší je spád toku na daném místě, tím kratší mohou být kanály na přívod a odvod vody. Pokud nebyl spád dostatečný, musel být na vodoteči zbudován jez. Provoz mlýna (vlastní mletí) vyžadoval určitý průtok vody, který byl někdy větší, než mohla poskytnout daná malá vodoteč (potok, říčka). V takovém případě bylo nutno na vodoteči nad mlýnem zbudovat retenční (zádržnou) nádrž. V té se postupně shromáždila voda, která následně byla vypouštěna v čase mletí pro zajištění dostatečného průtoku. Obecně se průtok Q spočítá jako součin průtočné plochy S a průměrné rychlosti proudění vody v, vyjádřeno vztahem Q = S .v Mezi obvyklé příslušenství mlýnů patří zejména: Přívodní kanál (tzv. náhon) Odvodní kanál (tím voda odtéká od kola) Retenční rybník Stavidla Základem mechanické části je vodorovná hřídel, na které je umístěno vodní a paleční kolo. Paleční kolo a pastorek tvoří převod a otáčí kolmou hřídelí, která pohání mlecí kameny a přes vačku a páku pohání prosévací zařízení.
Návštěvník zde může pozorovat následující mechanické jevy: otáčivý pohyb - na mlýnském kole, mlecím zařízení (a) změny rychlosti a úhlu otáčivého pohybu – paleční kolo (b) změnu otáčivého pohybu na přímočarý – vačka (c) páka – ovládání stavidla (d) a) Otáčivý pohyb (též rotační), neboli rotace je takový pohyb tuhého tělesa, při kterém se všechny body tělesa otáčejí kolem jedné společné osy se stejnou úhlovou rychlostí. Kinetická energie Ek tuhého tělesa při otáčivém pohybu je rovna Ek = ½ Jω2, kde J je moment setrvačnosti tělesa vzhledem k ose otáčení a ω je úhlová rychlost, se kterou se 1
Stroje (Encyklopedie Brockhaus-Jefron, 1890)
- 154 -
těleso otáčí. Moment setrvačnosti J válce, lze vyjádřit vztahem J = ½ mr2, kde r je poloměr válce a m hmotnost válce. Úhlová rychlost ω popisuje otáčivý pohyb tělesa, je definována jako časová změna t středového úhlu φ opsaného otáčejícím průvodičem, kolmým k ose otáčení. Je vyjádřena vztahem ω= . b) Mechanický převod je součást mechanického stroje, který přenáší sílu mezi pohyblivými částmi stroje, které nejčastěji konají otáčivý pohyb (kola). Kolo, které je roztáčeno vnější silou, se nazývá hnací kolo, kolo které je roztáčeno hnacím kolem, se nazývá hnané kolo. Kola nemají společnou osu otáčení. Velikost převodu vyjadřuje převodový poměr i, který je dán vztahem , kde f1 je frekvence otáčení hnacího kola, f2 je frekvence otáčení hnaného kola, r1 je poloměr hnacího kola, r2 je poloměr hnaného kola, z1 je počet zubů hnacího kola, z2 je počet zubů hnaného kola. Frekvence f udává počet opakování periodického děje (v našem případě otáček) za jednotku času. c) Vačka je součást strojů, která zajišťuje převod otáčivého pohybu na posuvný, a to v přesně vymezeném okamžiku. Vačka má obvykle vejčitý tvar. O vačku je opřeno zdvihátko, které k ní přitlačuje pružina. Při otáčení vačky se zdvihátko pohybuje podle tvaru vačky. Tvarem vačky lze mechanicky „naprogramovat“ dobu a výšku zdvihu v závislosti na jejím natočení. V praxi je tvar vačky odvozován výpočtem z předem stanovené zdvihové křivky zdvihátka. Její tvar bývá vyladěn tak, aby měla alespoň dvě první derivace v celém průběhu spojité. Velký význam má průběh křivky zrychlení. Příliš velká a rychle rostoucí kladná zrychlení způsobují nadměrný hluk a opotřebení dílů. Velká záporná zrychlení překonávají při vyšších otáčkách sílu přítlačné pružiny, čímž dochází k přerušení vazby, k rázům a vibracím. d) Páka je jednoduchý stroj, jehož 3 nejdůležitější části jsou osa rotace, rameno břemene a rameno síly. Páka se otáčí kolem osy otáčení, rameno břemene působí na těleso (břemeno), na rameno síly působí člověk nebo stroj. Páka se využívá nejčastěji pro zmenšení síly, protože velikost potřebné síly je nepřímo úměrná délce ramene. Čím delší rameno, tím potřebujete menší působící sílu. Podmínka rovnováhy na páce nastane, jestliže výsledný moment sil M působících na páku je nulový. Moment M je vyjádřen součinem síly F a ramene a, tj. M = F . a. V případě, že na rameno a1 působí síla F1 a na rameno a2 působí síla F2, pak podmínku rovnováhy na páce vyjadřuje vztah: F1 . a1 = F2 . a2
Obr. 1 - Rovnováha na páce - velikost sil (http://cs.wikipedia.org/wiki/P%C3%A1ka_(jednoduch%C3%BD_stroj))
- 155 -
Obr.2 - Schéma vodního mlýnu (Alois Obšel, 2011) Velká většina mechanických dílů je vyrobena ze dřeva, na rozdíl od dnešní doby, kdy jsou mechanické díly vyráběny z oceli či jiných kovových slitin. Zánik vodních mlýnů v průběhu 19. a 20. století byl způsoben nástupem vynálezů různých druhů vodních turbín, které využívaly energii z vody s vyšší účinností. Turbíny se začaly používat na výrobu elektrické energie a zdrojem energie pro mlýny se stal elektromotor. Přístupné objekty vodních mlýnů je možné navštívit různě po celé České a Slovenské republice, například ve Valašském muzeu v Rožnově pod Radhoštěm, v Zubrnicích u Děčína, ve Vranově nad Dyjí, v Hrádku u Klatov, v Ratibořicích, na Slovensku potom v Múzeu oravskej dědiny v Zuberci-Brestové. Ze známých vodních děl je možné navštívit Nové mlýny a řece Dyji pod Pavlovskými vrchy, vodní mlýn ve Slupi v blízkosti Znojma, který je národní kulturní památkou, Vodňanský, Wesselsky mlýn, (dříve Pazderův) v Loučkách, Vodní mlýn ve Svobodných hamrech, vodní mlýn Hoslovice u Strakonic, který je nejstarší dochovaný mlýn v ČR. VODNÍ PILA Objektů vodních pil není tolik, jako vodních mlýnů, přesto nabízejí zajímavý kulturní i technický zážitek. Dřevo jako stavební materiál se používalo odpradávna a lidé vymýšleli, jak lidskou práci při opracovávání nahradit prací mechanickou. Stejně jako u vodních mlýnů se nabízela voda, která poskytovala ve své době dostatek energie. Hlavním strojem je svislá rámová pila celodřevěné konstrukce. Kláda se upevní na vozík a i s vozíkem prochází rámem pily. Jediný list pily odřízne jeden kus řeziva. Po
- 156 -
dokončení řezu se vozík ručně nebo samočinně navrací do výchozí polohy. Vedle rámové pily je pilnice vybavena kotoučovou pilou pro omítání řeziva – odřezávání jeho oblinek. Prostor v krovu pily nad vazebními trámy se běžně využíval pro uskladnění a přirozené sušení malého množství řeziva. Pro snazší „expedici” sušeného řeziva je štít střechy opatřen vrátky (kladka, kladkostroj). Pohyb pilového rámu zajišťuje klikový mechanismus ve spodním podlaží budovy pily. Kliková hřídel je poháněna pastorkem, do jehož příček zapadá dvojřadé ozubení palečního kola hlavního pohonu. I poměrně malé otáčky vodního kola tak zabezpečují rámové pile dostatečný zdvih. Vedle pastorku je na klikové hřídeli uložen dřevěný setrvačník, který zrovnoměrňuje chod pily. Chvění pily omezuje vyvažovací závaží - kámen, zatesaný do setrvačníku a klíny upevněný v proti poloze kliky. Součástí setrvačníku je i řemenice pohonu omítací pily. Pohon omítací pily je veden od řemenice na klikové hřídeli rámové pily koženým pásem na transmisi, od níž další pás pohání vlastní pilu. Náhon vede vodu na vodní kolo hlavního pohonu. Zpětný chod vozíku pohání pomocné vodní kolo na konci náhonu Voda je na něj ale vedena až po dokončení řezu samočinně se přepínající klapkou. Současně se tím vypíná chod pily. Návštěvník zde může pozorovat následující mechanické jevy:
otáčivý pohyb na náhonovém a palečním kole změny rychlosti a úhlu otáčivého pohybu – paleční kolo, transmise kladka, kladkostroj – vrátek změnu otáčivého pohybu na přímočarý – kliková hřídel setrvačnost – setrvačník
V předchozí kapitole byly blíže popsány první tři jevy, v této kapitole si přiblížíme setrvačnost, klikovou hřídel a kladku. Zákon setrvačnosti (první Newtonův zákon) praví: Jestliže na těleso nepůsobí žádné vnější síly nebo výslednice sil je nulová, pak těleso setrvává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu. V původním znění z latiny: Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare.2 První Newtonův zákon říká, že síla není příčinou pohybu, tělesa se mohou pohybovat i bez působení sil. Tento pohyb však musí být rovnoměrný a přímočarý (nemění se velikost rychlosti ani směr). Těleso si tedy zachovává svůj pohybový stav z okamžiku, kdy na něj přestala působit poslední síla. Tato snaha setrvávat v okamžitém pohybovém stavu se nazývá setrvačností tělesa. Setrvačností se těleso brání proti změně svého pohybového stavu, tzn. proti zrychlení. Zákon platí i v obrácené verzi: Jestliže je těleso v klidu nebo se pohybuje rovnoměrně přímočaře, pak na něj nepůsobí žádná síla nebo je výslednice působících sil nulová. To je užitečné při určování sil, které působí na těleso. Důležité také je, že zákon mluví pouze o vnějších silách. Vnitřní síly nemají žádný vliv na celkový pohyb tělesa, přesněji řečeno na pohyb jeho těžiště. Tento Newtonův zákon platí pouze v inerciálních soustavách. Setrvačnost je vyjadřována hybností p, vektorovou veličinou, která závisí na hmotnosti tělesa m a rychlosti tělesa v, tj. vektor je dán vztahem p=m.v, směr hybnosti je stejný jako směr rychlosti. Změna hybnosti způsobená silou F za čas je rovna impulzu síly I. Časová změna hybnosti je tedy rovna působící síle F, vyjádřeno vztahem
2
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687
- 157 -
. Impulz síly je dán součinem síly F a časového intervalu
, vyjádřeno vztahem
I=F . Kliková hřídel je technická součástka zařízení, sloužící k přeměně přímočarého vratného pohybu na otáčivý nebo naopak. Je složena z krátkých, válcových čepů, navzájem pevně spojených rameny. Čepy umístěné v ose otáčení hřídele se nazývají klikové čepy, čepy které jsou k této ose vyoseny se nazývají ojniční čepy. Na ojniční čepy se nasazují ojnice, které mění typ pohybu. Délka přímočarého pohybu je dána vzdáleností os ojničních a klikových čepů. Přesazení čepů můžou být realizována v jedné rovině u plochého klikového hřídele, nebo ve více rovinách u prostorového klikového hřídele. Pro rychloběžné stroje (viz. Mechanismus vodní pily) obsahuje klikový hřídel navíc protizávaží naproti čepu ojnice, které slouží k dynamickému vyvážení setrvačných rotačních sil.
Obrázek 3 Schéma klikové hřídele vodní pily (http://en.wikipedia.org/wiki/Sawmill) Kladka je volně otočné kolo s drážkou po obvodě pro vedení provazu, lana nebo řetězu. Může být upevněna na nějaké konstrukci (pevná kladka), anebo na laně zavěšena (volná kladka). Pevná kladka umožňuje volný pohyb lana, případně vozíku po lanu jako u lanovky. Umožňuje také změnu směru lana a tím i působení síly, kterou lano přenáší. Volná kladka zdvojnásobuje sílu, která na lano působí, musí ovšem působit po dvojnásobně delší dráze. Spojením pevné a volné kladky, případně několika takových párů, vzniká kladkostroj. Kladka patří mezi jednoduché stroje. Kladkostroj je kombinace pevné a volné kladky, případně několika párů kladek. Ty mohou být uloženy nad sebou ve společném třmenu, nebo vedle sebe na společné ose. Kladkostroj kombinuje výhody volné a pevné kladky, znásobuje působící sílu, která přitom může působit směrem dolů. Při použití více kladek se potřebná síla F vypočte podle vzorce: F=
,
kde G je hmotnost břemene a volných kladek, n je počet volných kladek.
- 158 -
Obrázek 4 Schéma kladky a kladkostroje - rozklad sil (http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Four_pulleys.svg) Poměry sil na pevné kladce (1) a na kladkostroji se dvěma, třemi a čtyřmi kladkami. FZ = působící síla; s = dráha; FL = výsledná síla; h = zdvih břemene
Obrázek 5 - Schéma vodní pily (http://pilapenikov.sweb.cz/) Objekty vodních pil je možné navštívit v jižních Čechách v osadě Penikov nebo na Moravě ve Valašském muzeu v Rožnově pod Radhoštěm. K nejznámějším vodním pilám patří Čeňkova pila v Srní v Kašperských horách a Doupkův mlýn – vodní pila Penikov na Dačicku. HAMR Hamr byl provozovnou neodmyslitelně spojenou se zpracováním železa. Hamr je název používaný jak pro budovu, tak i kovací stroj, který dnes nazýváme kruhoběžným padacím bucharem. Byly to vlastně velké strojní kovárny. Stejně jako ve dvou předešlých případech, se lidé snažili usnadnit si práci a používali vodu jako zdroj energie. Základem bylo náhonové kolo, v hřídeli náhonového kola byly umístěny kolíky, které přes páku zvedaly vlastní hamr. U modernějších hamrů náhonové kolo pohánělo transmisi, která pomocí
- 159 -
systému řemenic rozváděla otáčivý pohyb na více hamrů (kladiv). Změna otáčivého pohybu z transmise na přímočarý se prováděla přes zvedací kolíky v hřídeli nebo přes klikovou hřídel. Návštěvník zde může pozorovat následující mechanické jevy: -
otáčivý pohyb na náhonovém kole změnu otáčivého pohybu na přímočarý – kolíky na náhonové hřídeli, kliková hřídel
-
páka – pohyb hamru
Tyto mechanické jevy byly představeny v předchozích kapitolách.
Obrázek 6 Schéma chvostového hamru (http://mve.energetika.cz/) Funkční hamry můžeme v České republice vidět na několika místech, například v Dobřívi (Expozice Okresního vlastivědného muzea), ve Valašském muzeu v Rožnově pod Radhoštěm. Další je k vidění ve Svobodných Hamrech u Hlinska, jako součást expozice skanzenu Vysočina. Další možností je navštívit Buškův hamr v Trhových Svinech nebo hamry v Poběžovicích a Železné Rudě. Funkční hamr je možné vidět v Dobřínách na Rokycansku, původní hamr je možné shlédnout ve Valašském muzeu v Rožnově pod Radhoštěm, Svobodné hamry, známý je také Buškův hamr – Trhové Sviny. PŘEVOD SIL – TRANSMISE Transmise sloužily a někde dodnes slouží k rozvodu hnací síly od jednoho velkého zdroje na větší počet současně pracujících strojů. Například od vodního kola nebo později od spalovacího motoru případně elektromotoru na mlýnské stolice, pilu a další technologické stroje. Naopak v malých dílnách umožňovaly, aby byl jeden menší hnací zdroj využíván střídavě pro pohon několika občas pracujících strojů. Transmise mohla být zavěšená pod stropem, nebo mohla být vedena po podlaze. Transmise mohla být vedena i z jedné budovy do druhé, po sloupech nebo podzemním kanálem. V prvopočátcích byly používány transmise dřevěné s palečnými a cévovými koly. S rozvojem průmyslu je však rychle nahradily hřídele ocelové s dřevěnými, později litinovými nebo plechovými řemenicemi. Starší mlýny kamenné používaly transmise pomaloběžné, stejně tak jako hamry. Pily bývaly osazovány zpravidla transmisemi rychloběžnými. Postupem doby vznikly velmi propracované systémy pohonu, které však doslova ucpaly dílny. Pod stropem vznikla spleť hřídelů, předloh, přesouvacích vidlic a spojek. Nad hlavami dělníků vedlo křížem krážem tolik řemenů, že vytvářelo dojem
- 160 -
houští. Nedostatečně kryté části byly pak velmi vážným nebezpečím a příčinou mnohých smrtelných úrazů. To si vynutilo dodržování závazných bezpečnostních předpisů, které zakazovaly spojování řemenů šrouby, použití nekrytých klínů na rotujících součástech a nutnost zabránit pádu či švihnutí přetrženého řemene. Postupem času byl transmisní pohon nahrazen samostatnými, nezávisle ovládanými elektromotory u každého stroje.
Obrázek 7 Schéma transmise (http://mve.energetika.cz/prevody/transmise.htm)
Obrázek 8 Dobový obrázek využití transmise (http://mve.energetika.cz/prevody/transmise.htm)
- 161 -
Kombinacemi dopravy, ubytováním, pro možnost rekreačního využití se zabývá článek „Clusters in tourism“[1] Možnostmi využití opuštěných těžebních lokalit v turismu se zabývá článek “Possibilities of using of abandoned mining sites in tourism”. [2] ZÁVĚR Naši předkové nám zanechali díky své vynalézavosti a šikovnosti jedinečné dědictví, které dnes můžeme díky muzejním sbírkám či nadšeným sběratelům obdivovat a zároveň se učit. Pozorování mechanických jevů a zákonitostí na zmíněných objektech je snazší a není řízeno ani ovlivněno žádnou moderní technologií dnešní doby. Na odkrytých mechanických součástech daných zařízení jsou jasně vidět souvislosti, návaznosti a změny pohybů, rychlostí, sil a momentů. Při návštěvě, prohlídce a poslechu výkladu průvodce na těchto památkách návštěvník snadno pochopí, jak mechanika vstupovala a nadále vstupuje do každodenního života každého z nás a jak mechanické zařízení a stroje usnadňují každodenní osobní i pracovní život. LITERATURA 1. Schejbal, C.: Possibilities of using of abandonded mining sites in tourism. – Acta geoturistica, TU Košice, 2011, No.2 2. Schejbal, C.: Clusters in tourism. – Acta geoturistica, TU Košice, vol. 3, 2012, No. 1 3. Stroje. - Encyklopedie Brockhaus-Jefron, 1890 4. http://cs.wikipedia.org/wiki/P%C3%A1ka_(jednoduch%C3%BD_stroj) 5. Obšel, A.: 2011 6. Newton, I.: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687 7. http://en.wikipedia.org/wiki/Sawmill 8. http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Four_pulleys.svg 9. http://mve.energetika.cz/prevody/transmise.htm
Recenzoval: Prof. Ing. Vladimír Strakoš, DrSc., Katedra logistiky a technických disciplín, VŠLG Přerov
- 162 -
