Vannhjulteknikk

Vannhjul, mekanisk innretning for å tappe energien fra rennende eller fallende vann ved hjelp av et sett med padler montert rundt et hjul. Kraften til det bevegelige vannet utøves mot padlerne, og den resulterende rotasjonen av hjulet overføres til maskiner via hjulets aksel. Vannhjulet var kanskje den tidligste kilden til mekanisk energi for å erstatte den hos mennesker og dyr, og den ble først utnyttet til slike oppgaver som å heve vann, fylle tøy og slipe korn.

energiomstilling: Vannhjul

De tidligste maskinene var vannhjul, først brukt til sliping av korn. De ble deretter adoptert for å drive sagbruk og pumper, for å skaffe

En kort behandling av vannhjul følger. For full behandling, se energiomstilling: Vannhjul.

Kombinasjonen av vannhjul og transmisjonskobling, ofte inkludert gir, var fra middelalderen vanligvis betegnet som en mølle. Av de tre forskjellige vannfabrikkene var det enkleste og antagelig tidligst et loddrett hjul med padler som strømmen til strømmen virket på. Neste var det horisontale hjulet som ble brukt til å drive en kvernstein gjennom en vertikal aksel festet direkte til hjulet. For det tredje var det girkvernet drevet av et vertikalt vannhjul med en horisontal aksel. Dette krevde mer kunnskap og ingeniørferdighet enn de to første, men det hadde mye større potensiale. Vertikale vannhjul ble også utmerket ved plasseringen av vannkontakt med hjulet: først undershothjulet; for det andre, brysthjulet; og for det tredje det overskytede hjulet. Disse vannhjulene brukte vanligvis energien fra bevegelige bekker, men tidevannsfabrikker dukket også opp på 1000-tallet.

Hver type kvern hadde sine spesielle fordeler og ulemper. Relativt lite er kjent om deres utvikling før middelalderen, men visse av deres egenskaper antyder en rekkefølge av utseende i sammenheng med konstruksjonens kompleksitet og mulighetene for utnyttelse.

Det enkle vertikale hjulet krevde lite ekstra struktur, men kraften og hastigheten på kraftuttak var avhengig av strømkarakteristikker og hjuldiameter. Siden endring av kraftretning ikke var involvert, viste dette hjulet seg mest nyttig å heve vann, for eksempel ved å bruke en streng med gryter som ble jobbet av en kjededrift.

Den horisontale hjulfabrikken (noen ganger kalt en norrøn eller gresk kvern) krevde også liten hjelpekonstruksjon, men den var egnet for sliping fordi den øvre kvernsteinen var festet på den vertikale akselen. Møllen kunne imidlertid bare brukes der strømmen var egnet for sliping.

Den vertikale hjulfabrikken med gir er mer allsidig. Konstruksjonen var relativt enkel hvis hjulet var av den underlagte typen, fordi hjulpadlene enkelt kunne dyppes i strømmen, enten det var elv, tidevann eller menneskeskapte rase. En millwright kunne velge girforholdet for å matche kraftutnyttelsen med frekvensen av strømmen, og hjulet kunne monteres i en brobue eller på en lekter forankret i midtstrømmen. Vitruvius beskrev det første girede vertikale hjulet som vi har gode bevis for. Dette bruket har også stor betydning fordi det var den første bruken av gir for å utnytte annet enn muskelkraft. Denne bruken hadde et undershot hjul, og i motsetning til brystet eller overshot hjulene, gjorde ikke bruk av vekten av fallende vann.

Møller med giret bryst og overshot hjul krevde mer hjelpekonstruksjon, men de tillot den mest generaliserte utnyttelsen av tilgjengelig vannkraft. Et stort konstruksjonsproblem var å lokalisere en mølle der fallet av vann ville være egnet til ønsket diameter på hjulet. Enten kan en lang millrace fra oppstrømmen eller en demning brukes.

Lite er kjent om detaljene i utviklingen av utstyret mellom Vitruvius og 1100-tallet. En enestående installasjon var kornfabrikken i Barbegal, nær Arles, Frankrike, som hadde 16 kaskade overskuddshjul, hver 7 fot (2 meter) i diameter, med treutstyr. Det anslås at dette bruket kan dekke behovene til en befolkning på 80 000.

Selv om det sterkt tilpasningsdyktige, girede bruket, med dens vidt varierte strømningsforhold, ble brukt i Romerriket, tyder historiske bevis på at dets mest dramatiske industrielle konsekvenser skjedde under middelalderen i Vest-Europa. Etter 1200-tallet ser det ut til at det overskytende vannhjulet har blitt mer vanlig enn det undershot hjulet.

Den middelverksfabrikken fra middelalderen var faktisk en generell mekanisme for utnyttelse av kraft. Kraften fra en hest- eller storfe-drevet mølle var liten sammenlignet med den fra overskudde vannhjul, som vanligvis genererte to til fem hestekrefter.