Vodno kolo: definicija, delovanje, zgodovina in uporaba

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.

Vodno kolo s previsokim vodnim kolesom, visoko 42 čevljev, ima moč Starega mlina na Berry College v Rimu v Georgii.

Zgodovina

Glavni članek: Watermill

Grško-rimska Evropa

Tehnologija vodnega kolesa je bila znana že dolgo, vendar se je začela množično uporabljati šele v srednjem veku, ko so stroji, kot je vodno kolo, zaradi hudega pomanjkanja delovne sile postali cenovno ugodni. Vendar so vodna kolesa v starem Rimu in stari Kitajski našla veliko praktičnih uporab pri poganjanju mlinov za mletje žita in drugih snovi. Rimljani so uporabljali fiksna in plavajoča vodna kolesa ter vodno energijo predstavili drugim državam rimskega imperija. Znano je, da so Rimljani veliko uporabljali vodna kolesa pri rudarskih projektih, ogromna vodna kolesa iz rimske dobe pa so bila najdena v krajih, kot je današnja Španija. V 1. stoletju pred našim štetjem je grški epigramatik Antipater iz Soluna prvi omenil vodno kolo.

Starodavna Kitajska

Vsaj v 1. stoletju našega štetja so Kitajci iz dinastije Vzhodni Han začeli uporabljati vodna kolesa za drobljenje žita v mlinih in za pogon batnih mehov pri kovanju železove rude v železo.

V besedilu Xin Lun, ki ga je napisal Huan Tan okoli leta 20 našega štetja (med uzurpacijo Wang Manga), je navedeno, da je bil legendarni mitološki kralj Fu Xi odgovoren za pestilo in možnar, ki sta se razvila v napravo z nagibnim kladivom in nato v kladivo (glej "kladivo"). Čeprav avtor govori o mitološkem Fu Xiju, odlomek njegovega pisanja namiguje, da je bilo vodno kolo na Kitajskem v 1. stoletju našega štetja že zelo razširjeno.

Leta 31 našega štetja je inženir in prefekt mesta Nanyang Du Shi uporabil kompleksno uporabo vodnega kolesa in strojev za pogon mehov visoke peči za izdelavo litega železa. Vodna kolesa na Kitajskem so se uporabljala tako v praksi kot tudi v izjemnih primerih. Izumitelj Zhang Heng (78-139) je bil prvi v zgodovini, ki je z vodnim kolesom uporabil pogonsko moč za vrtenje astronomskega instrumenta armilarne krogle. Strojni inženir Ma Jun (200-265) je nekoč uporabil vodno kolo za pogon in delovanje velikega mehanskega lutkovnega gledališča za cesarja Minga iz Weija.

Srednjeveška Evropa in sodobnost

Predvsem cistercijanski samostani so v veliki meri uporabljali vodna kolesa za pogon različnih vrst mlinov. Zgodnji primer zelo velikega vodnega kolesa je še vedno ohranjen v cistercijanskem samostanu Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda iz začetka 13. stoletja v španski regiji Aragonija. Mlini za žito so bili nedvomno najpogostejši, obstajali pa so tudi žage, mlini za polnilo in mlini za opravljanje številnih drugih delovno intenzivnih nalog. Vodno kolo je ostalo konkurenčno parnemu stroju tudi v času industrijske revolucije.

Glavna težava vodnih koles je bila njihova neločljivost od vode. To je pomenilo, da je bilo treba mline pogosto postaviti daleč od naseljenih središč in naravnih virov. Vendar so se vodni mlini komercialno uporabljali tudi v dvajsetem stoletju.

Vodna kolesa s povratnim in povratnim naklonom so primerna, kadar je majhen potok z višinsko razliko več kot 2 metra, pogosto v povezavi z majhnim rezervoarjem. Vodna kolesa s prelomom in pod prelomom se lahko uporabljajo na rekah ali pretokih z veliko količino vode z velikimi rezervoarji.

Vodno kolo Breastshot

vodno kolo pod streliščem

Vodno kolo s previsom

Najmočnejše vodno kolo, zgrajeno v Združenem kraljestvu, je bilo vodno kolo Quarry Bank Mill Waterwheel s 100 KM v bližini Manchestra. Zasnovano je bilo z visokimi prsmi, leta 1904 pa so ga upokojili in nadomestili z več turbinami. Zdaj je obnovljeno in je muzej, odprt za javnost.

Sodobne hidroelektrične jezove lahko obravnavamo kot potomce vodnega kolesa, saj tudi oni izkoriščajo gibanje vode po pobočju za vrtenje kolesa.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je vodno kolo?

O: Vodno kolo je stroj, ki pridobiva energijo iz toka vode.

V: Kaj je bila najpogostejša uporaba vodnih koles v srednjem veku?

O: Vodna kolesa so se najpogosteje uporabljala za mletje moke v mlinih.

V: Kako so se vodna kolesa še uporabljala?

O: Vodna kolesa so se uporabljala tudi v livarstvu, strojništvu in pri stiskanju platna za papir.

V: Kako je zgrajeno vodno kolo?

O: Vodno kolo je sestavljeno iz velikega lesenega ali kovinskega kolesa z lopaticami ali vedri, nameščenimi na zunanjem obodu, ki tvorijo pogonsko površino.

V: Kako so nameščena navpična vodna kolesa?

O: Vertikalna vodna kolesa so navpično nameščena na vodoravni osi in lahko prenašajo moč prek osi ali prek obročnega zobnika ter običajno pogonskih jermenov ali zobnikov.

V: Kako so nameščena vodoravna vodna kolesa?

O: Vodoravna vodna kolesa so vodoravno nameščena na navpično gred in običajno neposredno poganjajo breme.

V: Kaj je "repna veriga"?

O: "Konična napeljava" je kanal, po katerem teče voda, ko zapusti kolo.