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.
Гидротехника на Урале развивалась и после Фролова. Именно благодаря высокому мастерству русских строителей гидравлические двигатели удерживались в России и много лет спустя после появления парового двигателя.
Все эти колеса были горизонтальными, то есть вал их располагался горизонтально. Значительно позднее появились водяные колеса с вертикально поставленным валом, колесо при этом лежало в воде.
История этих «лежачих колес» любопытна.
Установка водяного колеса, как само собой понятно, возможна только при наличии водного потока. Берега рек и речушек обычно находились во владениях помещиков, так что владелец мельницы должен был платить арендную плату за воду. Разумеется, он взыскивал ее, в свою очередь, с крестьян, привозивших на мельницу хлеб. Чаще всего сами помещики строили для окружного крестьянства большие мельницы и за помол брали значительную долю зерна.
Мельничная установка — дело несложное. С ним могли справиться и простые плотники. Однако крестьяне не имели средств строить собственные мельницы и должны были платить своим господам за помол зерном. Эти сборы за помол оказывались тягостными для земледельцев, и не мудрено, что они стремились как-нибудь обойти их. Многие прибегали к ручным мельницам и ступкам, некоторые, пользуясь протекавшим где-нибудь ручейком, в укромном месте строили маленькие водяные мельницы. Именно стремление укрыть от господ свою установку и повели к поискам конструкции лежачего колеса, которое можно было бы спрятать и избегнуть передачи под прямым углом.
Лежачие колеса, несмотря на свои небольшие размеры, оказались конструктивно более совершенными и выгодными, чем обычные, и получили большое распространение во Франции. Образцом такого практическим путем найденного наиболее совершенного водяного колеса считалось колесо мельницы в Базакле. Лопасти этого колеса помещались в огромном деревянном цилиндре и находились на дне его, почти вплотную подходя к стенкам. Вода шла в цилиндр сверху. Равномерное давление всей массы воды на крутые лопасти колеса, установленного вертикально, и свободный сток воды через особую трубу обеспечивали сильный и равномерный ход мельницы. На верхнем конце колесного вала был насажен мельничный жернов.
Изобретение деревенских хитрецов имело большие преимущества перед громоздкими господскими водяными колесами, и оно сыграло известную роль не только в борьбе крестьян со своими угнетателями. Повсеместно распространенные, долго бывшие основными двигателями в народном хозяйстве, водяные колеса не раз привлекали внимание ученых. Путем теоретических размышлений математики и инженеры стремились найти способ увеличить скорость вращения водяных двигателей, облегчить их конструкцию и тем повысить их мощность.
Изобретение деревенских хитрецов имело преимущества перед господскими водяными колесами.
Таким исследованием занимался венгр Сегнер. Он предложил новую конструкцию действующего водою колеса. В основу сегнерова колеса был положен принцип реакции вытекающей из сосуда воды, высказанный лет за двадцать до этого Даниилом Бернулли, основоположником гидравлики.
Сегнерово колесо представляет собой цилиндр, вращающийся на вертикальной оси. Внизу цилиндра имеются крестообразно расположенные трубки, из которых вытекает вода, подаваемая в цилиндр сверху. При вытекании воды прибор вращается в сторону, противоположную отверстиям трубок. Колесо приводится в движение реактивной силой вытекающей воды, той самой реактивной силой, которая заставляет ракету взвиваться высоко вверх, когда из нее выбрасываются газы.
Дальнейшие исследования действия реактивной силы истекающей из сосуда жидкости были произведены знаменитым математиком, членом Петербургской Академии наук Леонардом Эйлером. Он дал усовершенствованную конструкцию реактивного колеса, замечательную тем, что здесь вода перед входом на вращающиеся ковши проходит через неподвижные трубки, придающие ей наивыгоднейшую скорость и направление. Эйлер создал, таким образом, направляющий аппарат, отделенный от рабочего колеса.
