Za vodna kolesa, ki se uporabljajo za pogon čolnov, glej kolo z vesli. Za kolesa, ki se uporabljajo izključno za dvigovanje vode, glejte norija. Za tovarne ali industrije, ki jih poganjajo vodna kolesa, glej vodni mlin.

Vodno kolo je hidroenergetski sistem; stroj za pridobivanje energije iz vodnega toka. Vodna kolesa in vodna energija so se v srednjem veku pogosto uporabljala in so skupaj z mlini na veter poganjala večino industrije v Evropi. Vodno kolo se je najpogosteje uporabljalo za mletje moke v mlinih, uporabljalo pa se je tudi v livarnah in strojnih obratih ter za stiskanje platna za izdelavo papirja.

Vodno kolo je sestavljeno iz velikega lesenega ali kovinskega kolesa z več lopaticami ali vedri, nameščenimi na zunanjem obodu, ki tvorijo pogonsko površino. Najpogosteje je kolo nameščeno navpično na vodoravni osi, vendar je kolo v kadi ali norveško kolo nameščeno vodoravno na navpični gredi. Navpična kolesa lahko prenašajo moč prek osi ali prek obročnega zobnika in običajno poganjajo jermene ali zobnike; vodoravna kolesa običajno neposredno poganjajo svoje breme. Kanal, po katerem teče voda, ko zapusti kolo, se običajno imenuje "repni kanal".

Vrste vodnih koles

  • Undershot (podvodno) kolo – voda teče pod kolesom in poganja lopatice. Uporablja se pri nizkih padcih in hitrih tokovih. Učinkovitost je običajno nižja (približno 20–40 %).
  • Breastshot (srednje) kolo – voda zadene kolo približno v višini njegovega središča (»prsni« udarec). Primeren je za srednje padce; učinkovitost je zmerna (približno 40–60 %).
  • Overshot (prelit) kolo – voda prihaja od zgoraj in polni vedra na obodu kolesa. Zelo učinkovito pri višjih padcih (običajno 60–85 %), saj izkorišča potencialno energijo vode.
  • Pitchback – podoben overshotu, vendar voda vstopi tako, da kolo zavrti v nasprotno smer; omogoča lažji nadzor pretoka in zaščito pred poškodbami.
  • Horizontalno (kolo v kadi / norveško) kolo – kolo z navpično gredjo, ki pogosto poganja neposredno mlinarski kamen ali drugo orodje brez prenosnih zobnikov.

Zgradba in osnovno delovanje

Glavne sestavne dele vodnega kolesa sestavljajo:

  • Kolo – leseno ali kovinsko, z lopaticami ali vedri na obodu.
  • Osa in ležaji – prenašajo navor na stroje ali prenosne mehanizme.
  • Priklopni prenos – jermeni, zobniki ali neposredni gon, ki prenašajo moč do naprave (mlin, žaga, stiskalnica ipd.).
  • Priklopni kanali – dovodni kanal (nakladalnik, zanka, akvadukt), vdolski režimi ali repni kanal.

Delovanje je preprosto: voda dovodnega kanala pridrži do kolesa in zaradi pritoka ali teže (odvisno od vrste) pomakne lopatice, kolo se zavrti in pretvori vodno energijo v mehansko delo. Pri overshot kolesu prevladuje prevod potencialne energije (višina), pri undershot kolesu pa kinetična energija toka.

Zgodovina in razvoj

Uporaba vodnih koles sega v antiko; znani so primeri iz starodavnih grških in rimskih virov, kjer so jih uporabljali v mlinih in za rudarstvo. V srednjem veku so vodna kolesa dosegla široko uporabo v Evropi in so bila eden glavnih virov moči pred industrijsko revolucijo. Z razvojem turbin v 19. stoletju (na primer Fourneyron, Jonval in kasneje Kaplanove turbine) so starejše oblike koles pogosto zamenjale bolj kompaktni in učinkoviti stroji za spreminjanje vodne energije.

Uporaba

V preteklosti so vodna kolesa poganjala:

  • mlinarske kamne in mline za moko,
  • žage in obdelovalne stroje,
  • fulling oziroma stiskalnice za tekstil,
  • livarne in kovinarne (gostilne črpalke, zračni puhalniki),
  • papirnice in druge obrtne dejavnosti.

Sodobno so vodna kolesa redke kot glavni industrijski pogon, a jih še vedno uporabljajo v manjših lokalnih mlinah, kot turistične ali izobraževalne atrakcije ter v mikrohidroelektrarnah, kjer se staro kolo lahko nadomesti z diskretno turbino ali pa se ohrani kot zgodovinski element.

Sodobna raba, ohranjanje in prenova

V številnih regijah so zgodovinski vodni mlini s kolesi obnovljeni in rekonstruirani kot kulturna dediščina. Pri prenovi je pogosto treba:

  • oceniti strukturo in vzdržljivost kolesa ter osi,
  • zagotoviti ustrezno upravljanje pretoka vode in zaščito pred poplavami,
  • vgraditi rešitve za prehod rib in drugih organizmov (ribje prehode),
  • upoštevati lokalne predpise o varstvu voda in ekosistemov.

Okoljski vplivi in mitigacija

Vodno kolo lahko vpliva na rečne ekosisteme zlasti, če so spremembe pretoka ali pregrade trajne. Glavni pomisleki so ovira za migracijo rib, spremembe sedimentacije in spremembe habitatov. Mitigacijske ukrepe vključujejo načrtovanje ribjih prehodov, ohranjanje minimalnih pretokov, redno čiščenje rečnih prehodov in uporabo oblik, ki zmanjšajo škodljive vplive na ekologijo reke.

Zaključek

Vodno kolo je preprost in učinkovit način pretvorbe vodne energije v mehansko moč, s pomembno vlogo v zgodovini industrije in tehnike. Čeprav so ga v mnogih primerih zamenjale turbine in električne naprave, ostaja pomemben del kulturne dediščine in ima še vedno uporabne aplikacije v lokalnih in trajnostnih projektih.