Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Добрих півтора мільйона років тому людина приборкала вогонь. Це була, мабуть, найбільш видатна подія в історії людства: вогонь давав світло і тепло, відганяв диких звірів і робив м'ясо смачнішим. Він був великим чарівником: вів від дикості до цивілізації, від природи до культури.

Мал. 2.1. Звернення до стихійІсторія розвитку людства – це історія виживання людей у навколишньому світі. Можна довго сперечатися про те, що є першопричиною рушійної сили розвитку людської цивілізації, але безсумнівно те, що вона тісно пов'язана з прагненням людини комфортно адаптуватися до навколишнього середовища. Обережність, відчуття небезпеки, прагнення уникнути загибелі притаманні не тільки людині, але й іншим мешканцям планети Земля. Тварини теж мають деякі первісні відомості про властивості навколишніх тіл. Про те, що камені гострі, вогонь гарячий, вода рідка і т.д., тварини, як діти, дізнаються з досвіду. Але здатність застосувати, наприклад, гострий камінь для обробки іншого каменю чи палки, тобто доцільно з'єднати в процесі праці відомі властивості знарядь і сировини, – це винятково людська якість. Такі якості виробилися в людей і виявляються ними свідомо, а також закладені в їх підсвідомість у вигляді інстинктів. Людина на Землі отримала перевагу над тваринами завдяки тому, що зуміла швидше адаптуватися до навколишнього середовища, до змін у природі та використовувати природні сили на свою користь.

Нас цікавить не просто історія розвитку людини як біологічного виду, але те, як людина опанувала світ природи і створила зовсім новий світ енергетичної техніки.

Ми не знаємо, коли конкретно відбулася, можливо, найбільш видатна подія на мільйоннолітньому шляху перетворення давнього нашого предка в сучасну людину – те, що люди опанували вогонь і навчилися добувати його. Благоговійно схиляла первісна людина свої коліна перед природою (мал. 2.1). Але підкоривши собі вогонь – одну із найгрізніших стихійних сил, зробивши його слухняним знаряддям свого життя ще на дуже ранньому щабелі розвитку, людина відчула себе не рабом природи, а її рівним партнером.

Першим вогнем, яким скористалася для своїх потреб первісна людина, був вогонь небесний. На це вказують легенди і міфи майже всіх народів світу, їх персонажі – Гефест греків, Прометей, фенікс давніх римлян, ведичний бог індусів Агні, жар-птиця північно-американських індіанців. В усіх цих витворах народної фантазії яскраво відбивається погляд на вогонь як на елемент небесного походження. Блискавки викликали вогонь на землі, хоча можливо, що подекуди людина познайомилась з вогнем і його застосуванням при вулканічних виверженнях.

Мал. 2.2. Поклоніння вогнюУ житті первісної людини вогонь відігравав найважливішу роль – він був її кращим помічником. Вогонь зігрівав її і захищав від зимової холоднечі, робив її їжу їстівною і більш смачною, світив їй в темні вечірні та ранкові години, особливо в довгі зимові місяці, вогнем вона обпалювала свій глиняний посуд і начиння, до нього людина вдавалася для вироблення металевих інструментів і зброї, вогнем багать людина уночі відганяла від свого житла диких звірів.

Оволодіння вогнем зробило людину незмірно сильнішою. Люди вклонялися вогню, як божеству (мал. 2.2), його зберігали століттями, адже спочатку добувати вогонь людина не вміла, вона запалювала його від іншого вогню – під час лісових пожеж або вивержень вулканів. Можна припускати, що найбільш стабільними джерелами вогню були вулкани, вірніше, цілі вулканічні зони. Інтенсивна вулканічна діяльність на Землі в період антропогену збігається з ранніми етапами давнього палеоліту. Вона майже в десять разів перевершувала за потужністю і кількістю вогнищ вулканічну діяльність нашої епохи.

Іншими, але менш важливими джерелами вогню в природі були лісові (мал. 2.3) і степові пожежі, самозаймання внаслідок діяльності мікроорганізмів, загоряння дерев від удару блискавки, а також вічне полум'я природних газових свердловин, що є найбільш стабільним джерелом вогню в краях, багатих покладами нафти.

І все ж найбільш надійним джерелом вогню в період, коли ним уже користувались, але ще не вміли добувати, була передача його від людини до людини.

Вогонь відігравав суспільну роль, сприяючи зближенню диких людських груп (мал. 2.4). Необхідність у вогні штовхала на пошуки одних груп іншими, вела до взаємодопомоги та об'єднання. Древні первісні люди часто влаштовували свої стоянки поблизу яру або високого берегу ріки (мал. 2.5). Змінюючи стоянку, первісні люди переносили з собою палаючі головешки чи тліюче вугілля. Перенесення вогню пізніше стало звичаєм, що дотримувався довгий час нащадками первісних людей. Його спостерігали мандрівники XVIII і XIX століть в Австралії, Америці, Африці, Полінезії. Такий же звичай спостерігали ранні мандрівники, блукаючи по Америці після її відкриття. Північноамериканські індіанці підтримували невгасимі багаття біля входу у свої хатини, а при переходах носили з собою тліючий трут. Який не далекий той час, коли жили первісні люди, але в легендах давніх культурних народів, у деяких звичаях і обрядах збереглися неясні спогади про підтримку невгасимих багать. Роблячи розкопки в печері Чжоу-Коу-дянь поблизу Пекіна, археологи знайшли сліди багаття, яке горіло безупинно на одному і тому ж місці п'ятсот тисяч років, а, наприклад, у давньому Римі жінки-жриці підтримували невгасимий вогонь на вівтарі богині Вести, хоча справжній зміст цього звичаю був давно забутий. І в сучасних християнських храмах горять «невгасимі» лампади, причому віруючі, підтримуючи в них вогонь, не підозрюють, що повторюють зміст звичаю наших далеких предків, яким вогонь здавався чимось таємничим і незрозумілим.

Як давно людина вперше занурила гніт у заповнену тваринним жиром плошку, перетворивши її у світильник, сказати неможливо, але видовбані з крейди чи піщанику примітивні лампи датуються вченими приблизно 80000 р. до н.е. В Іраку були знайдені керамічні світильники віком біля 10000 років. Біблія засвідчує, що виготовлені з того ж тваринного жиру свічки палали в храмі Соломона ще у Х столітті до н.е. З того часу без них не обходилося жодне богослужіння, але широке застосування в побуті вони знайшли тільки в епоху середньовіччя.

Мінімальний життєвий рівень, за якого підтримуються робота серця, легенів, мінімум травлення, потребує певної кількості енергії. У холодну погоду для нагрівання тіла потрібно декілька більше енергії. Ходьба та інша помірна діяльність висувають додаткові вимоги, а підсилені вправи потребують ще більшої енергії. При важкій фізичній роботі ми повинні споживати більшу кількість їжі, ніж це необхідно для самої роботи, бо ККД нашого тіла становить тільки 25%, а інші 75% витрачаються на теплоту. Для підтримання мінімального життєвого рівня здорової людини потрібно близько 2 ккал на день; плавання або футбол потребують додатково 0,5 ккал на день, а при 8-годинній тяжкій фізичній роботі потрібно ще 2 ккал на день. Розумова праця потребує дуже невеликих негайних витрат енергії – розум вправний, але він, мабуть, не жадібний.

Мал. 2.3. Лісова пожежа 

Мал. 2.4. Древні предки людини

Період натурального вогню, одержуваного з природи і підтримуваного у вогнищах, був, ймовірно, дуже тривалим.

Небо не завжди надавало в розпорядження людини свій вогонь, тому, природно, він задумав викликати його сам. І от нове велике відкриття, перший крок до оволодіння силами природи – людина сама навчилася добувати різними шляхами цей благодійний дарунок. І тут, знов-таки, наставницею стала природа.

Можливо, поштовх до винаходу першого кресала, яке і тепер подекуди зустрічається в народів, що стоять на нижчому щаблі культури, дало спостереження, котре показало, що деякі камені при ударі по певним предметам висікають іскри. Для добування вогню висіканням іскри у первісних людей існували спеціальні пристрої. Підтвердженням цього служать знахідки пристроїв своєрідної форми, виготовлених з товстих призматичних каменів, знайдені при розкопках жител і гробниць поруч зі шматками вивітреного сірчаного колчедану, що і являли собою не що інше, як древні кресала. Ударним каменем для цих кресал служили товсті призматичні ножі, краї яких навмисне робили шорсткими. За допомогою пізніших кресал вогонь отримували так: кремінь, що перебуває в одній руці, відриває від ковзаючого по ньому повздовжнього краю кресала (згодом кремінь замінили шматком сталі) дрібні частинки, що, окислюючись на повітрі, розжарюють і запалюють підставлений сухий мох, трут та ін.

Мал. 2.5. Первісні люди на стоянціЦей спосіб використовувався головним чином в країнах з посушливим кліматом, де вологість атмосфери мінімальна. Невелика і коротка іскра, яка виникає від удару кременя об кремінь, вельми чутлива до стану атмосфери. Правда, є вказівки на добування вогню таким способом і в тропічних країнах. Наприклад, за свідченням етнографів, добування вогню шляхом удару кременя об кремінь існує у мисливськоземлеробських груп ягуа, що живуть і зараз у верхів'ях Амазонки. Добувають вогонь чоловіки, а жінки носять паливо і підтримують полум'я у вогнищі. Процес висікання дуже важкий і вимагає в сприятливих умовах від півгодини до години часу. Етнографи відзначають, що коли дерево зажевріє, полум'я роздувають віялом із хвостових пір'їв дикого індика. Люди ягуа всіляко уникають добувати вогонь таким способом і користуються головешками з вогнищ сусідів або громадського вогнища, яке постійно підтримують в родовому будинку з особливою турботою. Вранці жінки відтіля виносять головешки для своїх вогнищ. Мисливці в час походів беруть з собою вогонь, запалюючи довготліючі палички довжиною від 35 до 45 см та діаметром 1 см.

Мал. 2.6. Людина здобуває вогонь тертям

Кресало в його «класичному» втіленні з'явилося набагато пізніше, коли стало відоме залізо. Майже не змінюючись, кресало проіснувало багато століть. Навіть у сучасній газовій запальничці в наш час використовується принцип кресала. Лише електрозапальнички самих останніх років поривають з тисячолітньою традицією: іскра в них не механічного походження, а електричного.

Іншим способом добування вогню в давні часи служило тертя. Один з первісних людей, сидячи на землі, швидко обертав між долонями суху паличку, упираючи її кінець у сухе дерево (мал. 2.6). Від натиску в дереві висвердлювалося заглиблення, в якому нагромаджувався деревний порошок. Нарешті, порошок спалахував, а від нього вже легко було підпалити суху траву і розвести багаття. Якщо в результаті недогляду вогонь вгасав, то його добували знову тим же способом – тертям одного об інший шматків сухого дерева.

Одержувати вогонь тертям дерева по дереву можна трьома способами: пилянням, оранням («вогняний плуг») і свердлінням. Про добування вогню способами пиляння й орання було відомо з етнографічних даних, що відносяться до Австралії, Океанії й Індонезії. Добування вогню цими способами відомо у багатьох відсталих народів, у тому числі у негритосів О. Люсон, які використовують дві половинки розщепленого бамбуку, в австралійців, які застосовують дві палички або щит і списокидалку. До способу пиляння можна віднести і добування вогню в племені куку-куку і у мбовамбів (Нова Гвінея), що користувалися гнучкою скіпкою, знятою з верхнього шару бамбука.

Мал. 2.7. Добування вогню свердлінням за допомогою лучка: а – добування вогню свердлінням в положенні «стоячи» (експеримент); б – деталі знаряддя для одержання вогню свердлінням; в, г – положення частини свердла, що треться, в лунці та планці (вертикальний розріз); д – лунка на планці з боковим прорізом і купою вугільного порошку (вигляд в плані)

При ходінні лісом у нічний час люди племені куку-куку брали із собою смолоскип з бамбуку довжиною до 3 м. Верхні секції бамбуку були наповнені смолою араукарії. Смолоскип горів кілька годин.

Що стосується способу «вогняного плуга», який застосовується в океанійців, то тут, ймовірно, одержання вогню пов'язане з особливим видом деревини. Ботаніки вказують на деревоподібну рослину із сімейства маренових (Cuettarda uruguensis), що здатна давати іскру через 2–3 хв.

Обертанням стрижня між долонями добували вогонь австралійці, індіанці Південної Америки та інші народи, що засвідчено спостереженнями етнографів. Якщо судити за цими свідченнями, добування вогню обертанням стрижня між долонями здійснювалося одним, двома і навіть трьома чоловіками. Долоні в процесі швидкого обертання стрижня сильно нагрівалися, руки втомлювалися. Тому перша людина, яка починала обертати стрижень, передавала його другій, а якщо була третя, то вона приймала стрижень у другої і передавала першій. Така передача стрижня від однієї людини до іншої пояснюється ще тим, що в процесі обертання стрижня руки швидко ковзали з верхнього кінця вниз внаслідок необхідності із силою притискати стрижень до деревини. Перемістити руки з нижнього кінця догори було неможливо без зупинки обертання. Безперервність обертання стрижня, необхідна для нагрівання робочого кінця, досягалася колективними зусиллями.

Досвідчені майстри в суху погоду працювали наодинці. Весь процес добування вогню займав не більше однієї хвилини, хоча увесь цей час людина, якщо вона працювала одна, обертала стрижень із граничною напругою. Нижня паличка або планка придавлювалася до землі ногою. В індіанців племені шингу займистою речовиною часто служило волокно кори пальмового дерева, суха трава або листя, губчата тканина рослин.

Одержання вогню свердлінням було важкою справою для недосвідченої людини. Тому індіанці частіше усього носили із собою довготліючі головешки. У час рибного лову вони брали в човни гнилі колоди, здатні жевріти один–два дні. Добре тліючою речовиною вважалося деревне борошно. Для перенесення вогню за допомогою деревного борошна використовувався шматок очерету з отворами, яким махали час від часу. У місцях, де звичайно розташовувалися мисливські табори, заздалегідь збиралося і зберігалося в затишних куточках сухе дерево і займисті речовини.

Більш досконалим вважається метод одержання вогню свердлінням за допомогою лучка (мал. 2.7, а, б). Із зовнішньої сторони процес загоряння при свердлінні лучком виглядає наступним чином. Спочатку з'являються клуби диму. Потім можна спостерігати, як навколо свердла, яке швидко обертається, починає накопичуватися деревний порошок шоколадного кольору. Окремі частки цього порошку, які захоплюються швидким рухом, викидаються далі. Можна чітко бачити, як вони падають, димлячи, хоча іскор не видно.

Вогнище горіння виникає не під свердлом, де розвивається висока температура, тому що там немає повітря, і не довкола свердла, а біля бічного прорізу, де накопичується купкою гарячий порошок, куди вільно надходить повітря і підтримує горіння (мал. 2.7, в, д). Купка порошку продовжує димітись навіть тоді, коли припиняється свердління. Це вірна ознака горіння. Під чорним шаром порошку зберігається невелике вогнище з розпечених полум'яніючих вуглинок. Вогнище зберігається хвилин 10–5. Від нього можна спокійно запалювати будь-яку займисту речовину – тонкий берест, сухий мох, клоччя, деревні стружки й ін.

Таким чином, розглядаючи використання і добування вогню, вчені вважають, що протягом всього давнього і середнього палеоліту вогонь одержували від природних джерел і постійно підтримували у вогнищах. Передача вогню від однієї групи мисливців-збирачів до іншої у критичні миті стала найважливішим засобом підтримання невгасимого вогню у межах населеного ареалу, природа якого не була багата натуральними джерелами. Обмін вогнем відігравав величезну роль у соціальних контактах цього найдавнішого періоду. Штучне добування вогню виникло, ймовірно, під час пізнього палеоліту у трьох технічних варіантах: тертям дерева по дереву, висіканням іскор ударами каменю об камінь та пилянням дерева по дереву.

Уміння добувати вогонь вперше дозволило людині опанувати сили природи. Вогонь, поряд з механічними знаряддями праці, став могутнім засобом розвитку інтелекту, виникнення завбачливих дій, розрахованих на найближче майбутнє. Вогонь поклав основу людському господарству, поставив людину в умови постійної діяльності, активності та напруги. Його не можна було відкласти в сторону і забути хоча б на час, як можна було зробити з будь-яким предметом, у тому числі з кам'яними знаряддями. Вогонь треба було підтримувати, щоб він не згас. За ним треба було стежити, щоб він не запалив інші предмети. З вогнем людині необхідно було завжди тримати себе насторожі: не доторкатися руками, берегти від вітру і дощу, регулювати полум'я, запасати сухе паливо і робити багато іншого. У результаті мав виникнути поділ праці між жінкою і чоловіком. Жінка, пов'язана з житлом функціями дітонародження, вирощування і виховання дітей, виявилася головною охоронницею вогню, фундаторкою домашнього господарства.

Вогонь став основою житла, а також джерелом тепла і світла, засобом для готування їжі, захистом від хижаків. Він служив засобом обробки дерев'яних знарядь шляхом випалювання їх для додання твердості та полегшення роботи, знаряддям полювання. Вогонь дав людині можливість заселяти різні широти земної кулі. Недарма всі народи на якійсь стадії свого розвитку пройшли період вогнепоклоніння, майже в кожній релігії одним із наймогутніших богів був бог вогню.

Як бачимо, значення вогню було великим не тільки для культурного прогресу людства; він зіграв велику роль і в самому процесі становлення людини. Спочатку його застосовували для зігрівання і освітлення і лише потім для готування їжі. Як довели вчені, це поволі змінило і зовнішній вигляд людини, і енергетику людського організму, зробивши її могутнішою, ніж у будь-якого іншого ссавця. Підраховано, що вищий ссавець витрачає за життя приблизно 125 тисяч кілокалорій на кілограм ваги, а сучасна людина – у шість разів більше, приблизно 750 тисяч кілокалорій.

Усі подальші завоювання культури, техніки і господарювання зобов'язані комплексному використанню вогню. Керамічне виробництво, металургія, скловаріння, парові машини, хімічна промисловість, механічний транспорт, нарешті ядерна енергетика є результатом застосування високих і надвисоких температур, тобто результатом використання вогню на більш високій, якісно відмінній технічній основі.

Запальні сірники вперше з'явилися тільки на початку 30-х років XIX століття. Спочатку вони являли собою довгі дерев'яні палички з голівкою на кінці, виготовленою із суміші цукрового порошку з бертолетовою сіллю. Кінець такого сірника занурювався в банку із сірчаною кислотою, внаслідок чого сірник і запалювався. У 1835 році австрійський студент Ирині винайшов сірник, що запалюється від тертя. Голівка сірника покривалася спочатку сіркою, після чого її занурювали в особливу масу, що містить у своєму складі легкозаймистий фосфор. Для запалювання такого сірника досить чиркнути ним по будь-якій стіні чи іншому шорсткуватому предмету. Свій винахід Ирині продав за безцінь (100 гульденів) багатому фабриканту Ремеру, що дуже швидко нажив на виготовленні сірників величезні статки. Через 13 років після винаходу Ирині німецький учений Беттер став виготовляти масу для сірникових голівок із суміші бертолетової солі та перекису марганцю. Такі сірники запалюються від тертя об папірець, покритий червоним фосфором, змішаним з клеєм. Вперше винахід Беттера почали застосовувати у Швеції, і подібні сірники одержали назву «шведських».