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.