Waterrad engineering

Waterrad, mechanische inrichting de energie van stromend of vallend water door middel van een reeks schoepen tappen gemonteerd rondom een wiel. De kracht van het bewegende water wordt tegen de peddels uitgeoefend en de daaruit voortvloeiende rotatie van het wiel wordt via de as van het wiel op de machines overgebracht. Het waterrad was misschien wel de eerste bron van mechanische energie die die van mensen en dieren verving, en werd voor het eerst gebruikt voor taken als het verhogen van water, het vullen van stof en het malen van graan.

energieomzetting: Waterwielen

De eerste machines waren waterwielen, die voor het eerst werden gebruikt voor het malen van graan. Ze werden vervolgens geadopteerd om zagerijen en pompen aan te drijven

Een korte behandeling van waterraderen volgt. Voor volledige behandeling, zie energieconversie: Waterwielen.

De combinatie van een waterrad en transmissie koppeling, vaak met inbegrip van gearing, was uit de middeleeuwen meestal aangewezen een molen. Van de drie verschillende soorten water molens, de eenvoudigste en waarschijnlijk spoedig een verticaal wiel met schoepen die de kracht van de stroom gehandeld. Vervolgens werd het horizontale wiel gebruikt om een ​​molensteen door een verticale as te drijven die rechtstreeks aan het wiel was bevestigd. Ten derde werd de tandwielmolen aangedreven door een verticaal waterrad met een horizontale as. Dit vergde meer kennis en technische vaardigheid dan de eerste twee, maar had een veel groter potentieel. Verticale waterwielen werden ook onderscheiden door de locatie van het watercontact met het wiel: eerst het onderschoten wiel; ten tweede het borstwiel; en ten derde het voorbijgeschoten wiel. Deze waterwielen gebruikten over het algemeen de energie van bewegende stromen, maar in de 11e eeuw verschenen ook getijdenmolens.

Elk type molen had zijn eigen voor- en nadelen. Er is relatief weinig bekend over hun ontwikkeling vóór de middeleeuwen, maar sommige van hun kenmerken suggereren een verschijningsvorm binnen de context van de complexiteit van de constructie en de gebruiksmogelijkheden.

Het eenvoudige verticale wiel had weinig extra structuur nodig, maar de kracht en snelheid van de PTO waren afhankelijk van stroomkenmerken en wieldiameter. Omdat er geen verandering in de richting van de kracht was, bleek dit wiel het meest nuttig bij het verhogen van water, met behulp van bijvoorbeeld een reeks potten die door een kettingaandrijving werden bediend.

De molen met horizontale wielen (ook wel een Noorse of Griekse molen genoemd) had ook weinig hulpconstructie nodig, maar was geschikt om te slijpen omdat de bovenste molensteen op de verticale as was bevestigd. De molen kon echter alleen worden gebruikt waar de stroom geschikt was om te malen.

De tandwielmolen met tandwielen was veelzijdiger. De constructie was relatief eenvoudig als het wiel van ondervoorbeet was, omdat de wielpaddles eenvoudig in de stroom konden worden gedompeld, of het nu een rivier, een getij of een door mensen gebouwde millrace was. Een monteur kan zijn overbrengingsverhouding kiezen om machtsgebruik overeenkomen met snelheid van stroming en het wiel kan in een brug arch of op een boot verankerd op stroom worden gemonteerd. Vitruvius beschreef het eerste verticale tandwiel met tandwielen waarvoor we goede bewijzen hebben. Deze molen is ook van grote betekenis omdat het de eerste toepassing van tandwieloverbrenging was die anders dan spierkracht gebruikte. Deze molen had een ondergeschoten wiel en maakte, in tegenstelling tot de borst- of voorbijgeschoten wielen, geen gebruik van het gewicht van vallend water.

Molens met tandwiel- en bovengeschoten wielen vereisten meer hulpconstructie, maar ze maakten de meest algemene benutting van de beschikbare waterkracht mogelijk. Een groot bouwprobleem was het plaatsen van een molen waar de val van water geschikt zou zijn voor de gewenste diameter van het wiel. Ofwel een lange millrace van stroomopwaarts of een dam kan worden gebruikt.

Er is weinig bekend over de details van de ontwikkeling van tandwielmolens tussen de tijd van Vitruvius en de 12e eeuw. Een uitstekende installatie was de graanmolen in Barbegal, in de buurt van Arles, Frankrijk, die 16 trapsgewijze overgeschoten wielen had, elk 7 voet (2 meter) in diameter, met houten tandwielen. Naar schatting zou deze molen kunnen voldoen aan de behoeften van een bevolking van 80.000.

Hoewel de zeer aanpasbare, getande molen, met zijn sterk gediversifieerde stroomstroomomstandigheden, in het Romeinse rijk werd gebruikt, suggereert historisch bewijs dat de meest dramatische industriële gevolgen ervan plaatsvonden tijdens de middeleeuwen in West-Europa. Na de 13e eeuw lijkt het overschreden waterrad vaker voor te komen dan het onderschoten wiel.

De tandwielmolen uit de middeleeuwen was eigenlijk een algemeen mechanisme voor het gebruik van stroom. Het vermogen van een door paarden of vee aangedreven molen was klein in vergelijking met dat van doorgeschoten waterwielen, die gewoonlijk twee tot vijf pk produceerden.