Rueda hidráulica

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Una rueda hidráulica o noria es una máquina para convertir la energía del agua que fluye o cae en formas útiles de energía, a menudo en un molino de agua. Una rueda de agua consta de una rueda (generalmente construida de madera o metal), con una serie de palas o cubos dispuestos en el borde exterior que forman el carro de conducción. Las ruedas hidráulicas todavía se usaban comercialmente hasta bien entrado el siglo XX, pero ya no son de uso común. Los usos incluían moler harina en molinos, moler madera en pulpa para fabricar papel, martillar hierro forjado, maquinar, triturar minerales y machacar fibra para usar en la fabricación de telas.

Algunas ruedas hidráulicas son alimentadas por agua de un estanque de molino, que se forma cuando se represa una corriente que fluye. Un canal para el agua que fluye hacia o desde una rueda de agua se llama carrera de molino. La carrera que lleva agua del estanque del molino a la rueda hidráulica es una carrera de cabeza; el que transporta agua después de que ha dejado la rueda se conoce comúnmente como canal de descarga.

Las ruedas hidráulicas se utilizaron para diversos fines, desde la agricultura hasta la metalurgia, en civilizaciones antiguas que abarcaban el mundo griego helenístico, Roma, China e India. Las ruedas hidráulicas vieron un uso continuo en la era posclásica, como la Edad Media de Europa y la Edad de Oro islámica, pero también en otros lugares. A mediados y finales del siglo XVIII, la investigación científica de John Smeaton sobre la rueda hidráulica condujo a aumentos significativos en la eficiencia del suministro de energía muy necesaria para la Revolución Industrial. Las ruedas hidráulicas comenzaron a ser desplazadas por la turbina más pequeña, menos costosa y más eficiente, desarrollada por Benoît Fourneyron, comenzando con su primer modelo en 1827. Las turbinas son capaces de manejar grandes cabezas, o elevaciones, que superan la capacidad de las ruedas hidráulicas de tamaño práctico.

La principal dificultad de las ruedas hidráulicas es su dependencia del agua que fluye, lo que limita el lugar donde pueden ubicarse. Las represas hidroeléctricas modernas pueden verse como descendientes de la rueda hidráulica, ya que también aprovechan el movimiento del agua cuesta abajo.

Tipos

Las ruedas hidráulicas vienen en dos diseños básicos:

  • una rueda horizontal con un eje vertical; o
  • una rueda vertical con un eje horizontal.

Este último se puede subdividir según el lugar donde el agua golpea la rueda en backshot (pitch-back), overshot, breastshot, undershot y stream-wheels. El término undershot puede referirse a cualquier rueda donde el agua pasa por debajo de la rueda, pero por lo general implica que la entrada de agua es baja en la rueda.

Las ruedas hidráulicas overshot y backshot se utilizan normalmente cuando la diferencia de altura disponible es de más de un par de metros. Las ruedas de pecho son más adecuadas para grandes caudales con cabeza moderada. Undershot y stream wheel usan grandes flujos con poca o ninguna cabeza.

A menudo hay un estanque de molino asociado, un depósito para almacenar agua y, por lo tanto, energía hasta que se necesite. Las cabezas más grandes almacenan más energía potencial gravitacional para la misma cantidad de agua, por lo que los depósitos para las ruedas de tiro superior y trasero tienden a ser más pequeños que para las ruedas de tiro de pecho.

Las ruedas hidráulicas overshot y pitchback son adecuadas donde hay un pequeño arroyo con una diferencia de altura de más de 2 metros (6,5 pies), a menudo en asociación con un pequeño embalse. Las ruedas de tiro de pecho y de tiro inferior se pueden usar en ríos o flujos de alto volumen con grandes embalses.

Resumen de tipos

Eje vertical también conocido como molinos de tina o nórdicos.Rueda horizontal con un eje verticalUn chorro de agua golpea las palas montadas en el eje.Superficies de conducción - palasAgua: bajo volumen, cabeza altaEficiencia - pobreDiagrama de molino de agua de eje vertical
Arroyo (también conocido como superficie libre). Las ruedas de barco son un tipo de rueda de corriente.Rueda vertical con eje horizontalLa parte inferior de la rueda se coloca en el agua que fluye.Superficies de conducción - palas - planas antes del siglo XVIII, curvadas a partir de entoncesAgua: volumen muy grande, sin espumaEficiencia: alrededor del 20% antes del siglo XVIII y después del 50 al 60%Diagrama de la rueda hidráulica de chorro de agua
tiro por debajoRueda vertical con eje horizontalEl agua golpea la rueda en la parte baja, generalmente en el cuarto inferior.Superficies de conducción - palas - planas antes del siglo XVIII, curvadas a partir de entoncesAgua – gran volumen, cabeza bajaEficiencia: alrededor del 20% antes del siglo XVIII y después del 50 al 60%Diagrama de la rueda hidráulica inferior que muestra la carrera de entrada, la carrera de salida y el agua
PechoRueda vertical con eje horizontalEl agua golpea la rueda aproximadamente en el centro, generalmente entre un cuarto y tres cuartos de la altura.Superficies de conducción – baldes – cuidadosamente formados para asegurar que el agua entre sin problemasAgua: gran volumen, cabeza moderadaEficiencia – 50 a 60%Diagrama de la rueda hidráulica de pecho que muestra la carrera de entrada, la carrera de salida y el agua
SobrepasadoRueda vertical con eje horizontalEl agua golpea cerca de la parte superior de la rueda y frente al eje, de modo que se aleja de la pista principal.Superficies de conducción: cangilonesAgua – bajo volumen, cabeza grandeEficiencia – 80 a 90%Diagrama de la rueda hidráulica de sobrepaso que muestra la carrera de entrada, la carrera de salida, el agua y el derrame
Backshot (también conocido como pitchback)Rueda vertical con eje horizontalEl agua golpea cerca de la parte superior de la rueda y antes del eje, de modo que gira hacia la pista principal.Superficies de conducción: cangilonesAgua – bajo volumen, cabeza grandeEficiencia – 80 a 90%Diagrama de la rueda hidráulica de retroceso que muestra la carrera de entrada, la carrera de salida, el agua y el derrame

Eje vertical

Una rueda horizontal con un eje vertical.

Comúnmente llamada rueda de tina, molino nórdico o molino griego, la rueda horizontal es una forma primitiva e ineficiente de la turbina moderna. Sin embargo, si entrega la potencia requerida, la eficiencia es de importancia secundaria. Por lo general, se monta dentro de un edificio de molino debajo del piso de trabajo. Se dirige un chorro de agua sobre las paletas de la rueda hidráulica, haciéndolas girar. Se trata de un sistema sencillo, normalmente sin engranajes, de modo que el eje vertical de la rueda hidráulica se convierte en el husillo de accionamiento del molino.

Corriente

Una rueda de agua es una rueda de agua montada verticalmente que es rotada por el agua en un curso de agua golpeando paletas u hojas en la parte inferior de la rueda. Este tipo de rueda hidráulica es el tipo más antiguo de rueda de eje horizontal. También se les conoce como ruedas de superficie libre porque el agua no está restringida por canales de molienda o pozos de ruedas.

Las ruedas Stream son más baratas y sencillas de construir y tienen un impacto ambiental menor que otros tipos de ruedas. No constituyen un cambio mayor del río. Sus desventajas son su baja eficiencia, lo que significa que generan menos energía y solo se pueden usar donde el caudal es suficiente. Una típica rueda inferior de tabla plana utiliza alrededor del 20 por ciento de la energía en el flujo de agua que golpea la rueda, según lo medido por el ingeniero civil inglés John Smeaton en el siglo XVIII. Las ruedas más modernas tienen mayores eficiencias.

Las ruedas de corriente obtienen poca o ninguna ventaja de la cabeza, una diferencia en el nivel del agua.

Las ruedas de flujo montadas en plataformas flotantes a menudo se denominan ruedas de cadera y el molino como molino de barco. A veces se montaban inmediatamente aguas abajo de los puentes donde la restricción del flujo de los pilares del puente aumentaba la velocidad de la corriente.

Históricamente fueron muy ineficientes, pero se lograron grandes avances en el siglo XVIII.

Rueda inferior

Una rueda inferior es una rueda hidráulica montada verticalmente con un eje horizontal que gira por el agua desde un vertedero bajo que golpea la rueda en el cuarto inferior. La mayor parte de la ganancia de energía proviene del movimiento del agua y comparativamente poca de la cabeza. Son similares en funcionamiento y diseño a las ruedas de flujo.

El término undershot a veces se usa con significados relacionados pero diferentes:

  • todas las ruedas donde el agua pasa por debajo de la rueda
  • ruedas por donde entra el agua en el cuarto inferior.
  • ruedas donde se colocan paletas en el flujo de un arroyo. Ver transmisión arriba.

Este es el tipo más antiguo de rueda hidráulica vertical.

Rueda de pecho

La palabra tiro al pecho se usa de varias maneras. Algunos autores restringen el término a ruedas donde el agua entra aproximadamente a las 10 horas, otros a las 9 horas y otros para un rango de alturas. En este artículo, se usa para ruedas en las que la entrada de agua está significativamente por encima de la parte inferior y significativamente por debajo de la parte superior, generalmente en la mitad central.

Se caracterizan por:

  • baldes cuidadosamente formados para minimizar la turbulencia cuando entra el agua
  • cubetas ventiladas con orificios en los costados para permitir que el aire escape a medida que entra el agua
  • un "delantal" de mampostería que se ajusta estrechamente a la cara de la rueda, lo que ayuda a contener el agua en los baldes a medida que avanzan hacia abajo

Se utiliza tanto la energía cinética (movimiento) como la potencial (altura y peso).

El pequeño espacio libre entre la rueda y la mampostería requiere que una rueda de tiro al pecho tenga un buen estante para basura ("pantalla" en inglés británico) para evitar que los escombros se atasquen entre la rueda y la plataforma y causen daños graves.

Las ruedas de chorro de pecho son menos eficientes que las ruedas de chorro superior y trasero, pero pueden manejar caudales elevados y, en consecuencia, una gran potencia. Se prefieren para flujos constantes de alto volumen, como los que se encuentran en la línea de caída de la costa este de América del Norte. Las ruedas de pecho son el tipo más común en los Estados Unidos de América y se dice que impulsaron la revolución industrial.

Rueda overshot

Se dice que una rueda de agua montada verticalmente que gira por el agua que ingresa a los cubos justo después de la parte superior de la rueda está sobrepasada. A veces, el término se aplica erróneamente a las ruedas traseras, donde el agua desciende detrás de la rueda.

Una rueda de pescante típica tiene el agua canalizada hacia la rueda en la parte superior y ligeramente más allá del eje. El agua se acumula en los cubos de ese lado de la rueda, haciéndola más pesada que el otro lado "vacío". El peso hace girar la rueda y el agua fluye hacia el agua de cola cuando la rueda gira lo suficiente como para invertir los baldes. El diseño del overshot es muy eficiente, puede alcanzar el 90% y no requiere un flujo rápido.

Casi toda la energía se obtiene del peso del agua que se baja al canal de descarga, aunque la energía cinética del agua que ingresa a la rueda puede hacer una pequeña contribución. Se adaptan a cabezas más grandes que el otro tipo de rueda, por lo que son ideales para países montañosos. Sin embargo, incluso la rueda hidráulica más grande, Laxey Wheel en la Isla de Man, solo utiliza una cabeza de alrededor de 30 m (100 pies). Las turbinas principales más grandes del mundo, la central hidroeléctrica de Bieudron en Suiza, utilizan aproximadamente 1869 m (6132 pies).

Las ruedas overshot requieren una cabeza grande en comparación con otros tipos de ruedas, lo que generalmente significa una inversión significativa en la construcción de la pista de cabeza. A veces, el acercamiento final del agua a la rueda se realiza a través de un canal o tubería forzada, lo que puede llevar mucho tiempo.

Rueda trasera

Una rueda trasera (también llamada pitchback) es una variedad de rueda superior donde el agua se introduce justo antes de la cumbre de la rueda. En muchas situaciones, tiene la ventaja de que la parte inferior de la rueda se mueve en la misma dirección que el agua en el canal de descarga, lo que lo hace más eficiente. También se desempeña mejor que una rueda volcada en condiciones de inundación cuando el nivel del agua puede sumergir la parte inferior de la rueda. Continuará girando hasta que el agua en el foso de la rueda suba bastante en la rueda. Esto hace que la técnica sea particularmente adecuada para arroyos que experimentan variaciones significativas en el flujo y reduce el tamaño, la complejidad y, por lo tanto, el costo del canal de descarga.

La dirección de rotación de una rueda trasera es la misma que la de una rueda de pecho, pero en otros aspectos, es muy similar a la rueda superior. Vea abajo.

Híbrido

Overshot y backshot

Algunas ruedas se superponen en la parte superior y retroceden en la parte inferior, lo que potencialmente combina las mejores características de ambos tipos. La fotografía muestra un ejemplo en Finch Foundry en Devon, Reino Unido. La carrera principal es la estructura de madera superior y una rama a la izquierda suministra agua a la rueda. El agua sale por debajo de la rueda y regresa al arroyo.

Reversible

Un tipo especial de rueda overshot/backshot es la rueda hidráulica reversible. Este tiene dos juegos de palas o cubos que corren en direcciones opuestas para que pueda girar en cualquier dirección dependiendo de qué lado se dirija el agua. Las ruedas reversibles se utilizaron en la industria minera para impulsar varios medios de transporte de minerales. Al cambiar la dirección de la rueda, los barriles o canastas de mineral se podían levantar o bajar por un eje o un plano inclinado. Por lo general, había un tambor de cable o una canasta de cadena en el eje de la rueda. Es imprescindible que la rueda disponga de equipo de frenado para poder parar la rueda (conocida como rueda de frenado). El dibujo más antiguo conocido de una rueda hidráulica reversible fue de Georgius Agricola y data de 1556.

Historia

Como en toda maquinaria, el movimiento rotatorio es más eficiente en los dispositivos elevadores de agua que en los oscilantes. En términos de fuente de energía, las ruedas hidráulicas pueden ser giradas por la fuerza humana o animal o por la propia corriente de agua. Las ruedas hidráulicas vienen en dos diseños básicos, ya sea equipados con un eje vertical u horizontal. El último tipo se puede subdividir, según el lugar donde el agua golpee las paletas de las ruedas, en ruedas overshot, breastshot y undershot. Históricamente, las dos funciones principales de las ruedas hidráulicas eran la extracción de agua con fines de riego y la molienda, especialmente de cereales. En el caso de molinos de eje horizontal, se requiere un sistema de engranajes para la transmisión de potencia, que los molinos de eje vertical no necesitan.

Porcelana

La primera rueda hidráulica que funcionaba como una palanca fue descrita por Zhuangzi a finales del período de los Reinos Combatientes (476-221 a. C.). Dice que la rueda hidráulica fue inventada por Zigong, discípulo de Confucio en el siglo V a.C. Al menos en el siglo I d. C., los chinos de la dinastía Han del Este usaban ruedas hidráulicas para triturar granos en molinos y accionar los fuelles de los pistones para convertir el mineral de hierro en hierro fundido.

En el texto conocido como Xin Lun escrito por Huan Tan alrededor del año 20 d.C. (durante la usurpación de Wang Mang), se afirma que el legendario rey mitológico conocido como Fu Xi fue el responsable de la maja y el mortero, que evolucionó hasta convertirse en el basculante. -martillo y luego dispositivo de martillo disparador (ver martillo disparador). Aunque el autor habla del mitológico Fu Xi, un pasaje de su escrito da a entender que la rueda hidráulica era de uso generalizado en el siglo I d. C. en China (ortografía de Wade-Giles):

Fu Hsi inventó la maja y el mortero, que es tan útil, y más tarde se mejoró hábilmente de tal manera que todo el peso del cuerpo podía usarse para pisar el martillo basculante (tui), aumentando así la eficiencia diez veces. veces. Después se aplicó la fuerza de los animales —burros, mulos, bueyes y caballos— por medio de maquinaria, y también se usó la fuerza del agua para machacar, de modo que el beneficio se multiplicó por cien.

En el año 31 d. C., el ingeniero y prefecto de Nanyang, Du Shi (m. 38), aplicó un uso complejo de la rueda hidráulica y la maquinaria para accionar los fuelles del alto horno para crear hierro fundido. Du Shi se menciona brevemente en el Libro de Han Posterior (Hou Han Shu) de la siguiente manera (en la ortografía de Wade-Giles):

En el séptimo año del período del reinado de Chien-Wu (31 dC), Tu Shih fue designado prefecto de Nanyang. Era un hombre generoso y su política era pacífica; destruyó a los malhechores y estableció la dignidad (de su oficio). Bueno en la planificación, amaba a la gente común y deseaba ahorrar su trabajo. Inventó un reciprocador de energía hidráulica (shui phai) para la fundición de implementos agrícolas (de hierro). Los que fundían y moldeaban ya tenían los fuelles para inflar sus fuegos de carbón, y ahora se les instruyó para que usaran el torrente de agua (chi shui) para hacerlo funcionar... Así, la gente obtenía grandes beneficios por poco trabajo. Encontraron conveniente el 'fuelle de agua (accionado)' y lo adoptaron ampliamente.

Las ruedas hidráulicas en China encontraron usos prácticos como este, así como un uso extraordinario. El inventor chino Zhang Heng (78-139) fue el primero en la historia en aplicar fuerza motriz al girar el instrumento astronómico de una esfera armilar, mediante el uso de una rueda hidráulica. El ingeniero mecánico Ma Jun (c. 200–265) de Cao Wei usó una vez una rueda hidráulica para impulsar y operar un gran teatro de títeres mecánico para el emperador Ming de Wei (r. 226–239).

Mundo occidental

Mundo grecorromano

Los antiguos griegos inventaron la rueda hidráulica de forma independiente y la utilizaron en casi todas las formas y funciones descritas anteriormente, incluida su aplicación para la molienda hidráulica. El avance tecnológico se produjo en el período helenístico tecnológicamente desarrollado entre los siglos III y I a.C.levantamiento de agua

La rueda de agua compartimentada se presenta en dos formas básicas, la rueda con cuerpo compartimentado (tímpano latino) y la rueda con borde compartimentado o un borde con contenedores adjuntos separados. Las ruedas podían ser giradas por hombres pisando su exterior o por animales por medio de un engranaje sakia. Si bien el tímpano tenía una gran capacidad de descarga, solo podía levantar el agua a menos de la altura de su propio radio y requería un gran par para girar. Estas deficiencias constructivas fueron superadas por la rueda con un borde compartimentado que era un diseño menos pesado con una elevación más alta.

La primera referencia literaria a una rueda compartimentada impulsada por agua aparece en el tratado técnico Pneumatica (cap. 61) del ingeniero griego Filón de Bizancio (ca. 280-220 a. C.). En su Parasceuastica (91.43-44), Filón aconseja el uso de tales ruedas para sumergir las minas de asedio como medida defensiva contra el enemigo. Las ruedas con compartimentos parecen haber sido el medio elegido para drenar los diques secos en Alejandría bajo el reinado de Ptolomeo IV (221-205 a. C.). Varios papiros griegos del siglo III al II a. C. mencionan el uso de estas ruedas, pero no dan más detalles.La inexistencia del dispositivo en el Antiguo Cercano Oriente antes de la conquista de Alejandro se puede deducir de su pronunciada ausencia en la rica iconografía oriental sobre las prácticas de riego. Sin embargo, a diferencia de otros dispositivos y bombas de elevación de agua de la época, la invención de la rueda compartimentada no se puede atribuir a ningún ingeniero helenístico en particular y puede haberse realizado a fines del siglo IV a. C. en un contexto rural lejos de la metrópolis de Alejandría.

La representación más antigua de una rueda compartimentada proviene de una pintura de una tumba en el Egipto ptolemaico que data del siglo II a. Muestra un par de bueyes uncidos que conducen la rueda a través de un engranaje sakia, que también se atestigua aquí por primera vez. El sistema de engranajes griego sakia ya se muestra completamente desarrollado hasta el punto de que "los dispositivos egipcios modernos son prácticamente idénticos". Se supone que los científicos del Museo de Alejandría, en ese momento el centro de investigación griego más activo, pueden haber estado involucrados en su invención. Un episodio de la Guerra de Alejandría en el 48 a. C. cuenta cómo los enemigos de César emplearon ruedas hidráulicas con engranajes para verter agua de mar desde lugares elevados sobre la posición de los romanos atrapados.

Alrededor del año 300 d. C., finalmente se introdujo la noria cuando los compartimentos de madera se reemplazaron con vasijas de cerámica económicas que se ataron al exterior de una rueda de marco abierto.

Los romanos usaron ruedas hidráulicas ampliamente en proyectos mineros, con enormes ruedas hidráulicas de la era romana que se encuentran en lugares como la España actual. Eran ruedas hidráulicas de pescante inversa diseñadas para desaguar minas subterráneas profundas.Vitruvio describe varios de estos dispositivos, incluida la rueda hidráulica de paso inverso y el tornillo de Arquímedes. Muchos se encontraron durante la minería moderna en las minas de cobre de Rio Tinto en España, un sistema que involucra 16 ruedas de este tipo apiladas una encima de la otra para levantar agua a unos 80 pies del sumidero de la mina. Parte de una rueda de este tipo se encontró en Dolaucothi, una mina de oro romana en el sur de Gales en la década de 1930, cuando la mina se reabrió brevemente. Se encontró a unos 160 pies debajo de la superficie, por lo que debe haber sido parte de una secuencia similar a la descubierta en Rio Tinto. Recientemente se ha fechado con carbono alrededor del año 90 d. C., y dado que la madera con la que se hizo es mucho más antigua que la mina profunda, es probable que los trabajos profundos estuvieran en funcionamiento quizás 30 a 50 años después.Molienda de agua

Teniendo en cuenta la evidencia indirecta del trabajo del técnico griego Apolonio de Perge, el historiador británico de tecnología MJT Lewis data la aparición del molino de agua de eje vertical a principios del siglo III a. C., y el molino de agua de eje horizontal alrededor del 240 a. C. con Bizancio y Alejandría como lugares asignados de invención. El geógrafo griego Estrabón (ca. 64 a. C.-24 d. C.) informa que un molino de agua existió en algún momento antes del 71 a. C. en el palacio del rey ponciano Mitrídates VI Eupator, pero su construcción exacta no se puede deducir del texto (XII, 3, 30 C 556).

La primera descripción clara de un molino de agua con engranajes la ofrece el arquitecto romano de finales del siglo I a. C. Vitruvio, quien habla del sistema de engranajes sakia aplicado a un molino de agua. El relato de Vitruvio es particularmente valioso porque muestra cómo surgió el molino de agua, es decir, mediante la combinación de las invenciones griegas separadas del engranaje dentado y la rueda hidráulica en un sistema mecánico efectivo para aprovechar la energía del agua. Se describe que la rueda hidráulica de Vitruvio estaba sumergida con su extremo inferior en el curso de agua para que sus paletas pudieran ser impulsadas por la velocidad del agua corriente (X, 5.2).

Casi al mismo tiempo, la rueda volcada aparece por primera vez en un poema de Antípatro de Tesalónica, que la alaba como un dispositivo para ahorrar trabajo (IX, 418.4-6). El motivo también lo retoma Lucrecio (ca. 99-55 a. C.) quien compara la rotación de la rueda hidráulica con el movimiento de las estrellas en el firmamento (V 516). El tercer tipo de eje horizontal, la rueda hidráulica de pecho, aparece como evidencia arqueológica a finales del siglo II d. C. en el contexto de la Galia central. La mayoría de los molinos de agua romanos excavados estaban equipados con una de estas ruedas que, aunque más complejas de construir, eran mucho más eficientes que la rueda hidráulica de eje vertical.En el complejo de molinos de agua de Barbegal del siglo II d.C., una serie de dieciséis ruedas superpuestas era alimentada por un acueducto artificial, una fábrica de granos protoindustrial a la que se ha hecho referencia como "la mayor concentración conocida de energía mecánica en el mundo antiguo".

En el norte de África romano, se encontraron varias instalaciones de alrededor del año 300 d. C. donde se instalaron ruedas hidráulicas de eje vertical equipadas con cuchillas en ángulo en el fondo de un eje circular lleno de agua. El agua de la carrera del molino que entró tangencialmente en el pozo creó una columna de agua arremolinada que hizo que la rueda completamente sumergida actuara como verdaderas turbinas de agua, las más antiguas conocidas hasta la fecha.Navegación

Aparte de su uso en la molienda y el levantamiento de agua, los ingenieros antiguos aplicaron la rueda hidráulica de paletas para autómatas y en la navegación. Vitruvio (X 9.5-7) describe ruedas de paletas de engranajes múltiples que funcionan como un odómetro de barco, el más antiguo de su tipo. La primera mención de las ruedas de paletas como medio de propulsión proviene del tratado militar de los siglos IV y V De Rebus Bellicis (capítulo XVII), donde el autor romano anónimo describe un buque de guerra de ruedas de paletas impulsado por bueyes.

Europa medieval temprana

La antigua tecnología de ruedas hidráulicas continuó sin cesar en el período medieval temprano, donde la aparición de nuevos géneros documentales, como códigos legales, cartas monásticas, pero también hagiografía, estuvo acompañada de un fuerte aumento de referencias a molinos de agua y ruedas.

La rueda vertical más antigua en un molino de mareas es de Killoteran del siglo VI cerca de Waterford, Irlanda, mientras que la primera rueda horizontal conocida en un tipo de molino de este tipo es de la Pequeña Isla Irlandesa (c. 630). En cuanto al uso en un molino nórdico o griego común, las ruedas horizontales más antiguas conocidas se excavaron en el Ballykilleen irlandés, que data de c. 636.

La rueda de agua excavada más antigua impulsada por la energía de las mareas fue el molino del Monasterio de Nendrum en Irlanda del Norte, que data del 787, aunque un posible molino anterior data del 619. Los molinos de mareas se volvieron comunes en los estuarios con un buen rango de mareas tanto en Europa como en América en general. utilizando ruedas inferiores.

Los monasterios cistercienses, en particular, hicieron un uso extensivo de ruedas hidráulicas para accionar molinos de agua de muchos tipos. Un ejemplo temprano de una rueda hidráulica muy grande es la rueda que aún existe en el Real Monasterio de Nuestra Señora de Rueda de principios del siglo XIII, un monasterio cisterciense en la región de Aragón, España. Los molinos de harina (para el maíz) fueron sin duda los más comunes, pero también hubo aserraderos, batanes y molinos para cumplir con muchas otras tareas intensivas en mano de obra. La rueda hidráulica siguió siendo competitiva con la máquina de vapor hasta bien entrada la Revolución Industrial. Alrededor del siglo VIII al X, se introdujeron en España una serie de tecnologías de riego y, por lo tanto, se introdujeron en Europa. Una de esas tecnologías es la Noria, que es básicamente una rueda equipada con baldes en los periféricos para levantar agua. Es similar a la rueda hidráulica inferior que se menciona más adelante en este artículo. Permitió a los campesinos impulsar los molinos de agua de manera más eficiente. Según el libro de Thomas Glick,Irrigación y Sociedad en la Valencia Medieval, la Noria probablemente tenga su origen en algún lugar de Persia. Se ha utilizado durante siglos antes de que la tecnología fuera traída a España por los árabes que la habían adoptado de los romanos. Así, la distribución de la Noria en la península ibérica "se ajusta a la zona de poblamiento islámico estabilizado". Esta tecnología tiene un efecto profundo en la vida de los campesinos. El Noria es relativamente barato de construir. Por lo tanto, permitió a los campesinos cultivar la tierra de manera más eficiente en Europa. Junto con los españoles, la tecnología se extendió al Nuevo Mundo en México y América del Sur tras la expansión española.

Inventario de Domesday de molinos ingleses c. 1086

La asamblea convocada por Guillermo de Normandía, comúnmente conocida como la encuesta "Domesday" o Doomsday, realizó un inventario de todas las propiedades potencialmente sujetas a impuestos en Inglaterra, que incluían más de seis mil molinos repartidos en tres mil ubicaciones diferentes.

Ubicaciones

El tipo de rueda hidráulica seleccionada dependía de la ubicación. En general, si solo se dispusiera de pequeños volúmenes de agua y cascadas altas, un constructor de molinos elegiría usar una rueda de pescante. La decisión estuvo influenciada por el hecho de que los cubos podían recoger y utilizar incluso un pequeño volumen de agua. Para grandes caudales de agua con pequeños saltos se habría utilizado la rueda inferior, más adaptada a tales condiciones y más barata de construir. Mientras estos suministros de agua fueran abundantes, la cuestión de la eficiencia permaneció irrelevante. En el siglo XVIII, con una mayor demanda de energía junto con locales limitados de agua, se hizo énfasis en el esquema de eficiencia.

Influencia económica

En el siglo XI había partes de Europa donde la explotación del agua era un lugar común. Se entiende que la rueda hidráulica moldeó activamente y cambió para siempre la perspectiva de los occidentales. Europa comenzó a transitar del trabajo muscular humano y animal hacia el trabajo mecánico con el advenimiento de la rueda hidráulica. La medievalista Lynn White Jr. sostuvo que la difusión de fuentes de energía inanimadas fue un testimonio elocuente del surgimiento en Occidente de una nueva actitud hacia el poder, el trabajo, la naturaleza y, sobre todo, la tecnología.

El aprovechamiento de la energía hidráulica permitió ganancias en la productividad agrícola, los excedentes de alimentos y la urbanización a gran escala que comenzó en el siglo XI. La utilidad de la energía hidráulica motivó los experimentos europeos con otras fuentes de energía, como los molinos de viento y de marea. Las ruedas hidráulicas influyeron en la construcción de las ciudades, más concretamente de los canales. Las técnicas que se desarrollaron durante este período inicial, como la obstrucción de arroyos y la construcción de canales, pusieron a Europa en un camino centrado hidráulicamente, por ejemplo, se combinó la tecnología de riego y suministro de agua para modificar el suministro de energía de la rueda. Ilustrando hasta qué punto hubo un alto grado de innovación tecnológica que satisfizo las crecientes necesidades del estado feudal.

Aplicaciones de la rueda hidráulica

El molino de agua se usaba para moler granos, producir harina para pan, malta para cerveza o harina gruesa para papilla. Los molinos de martillos usaban la rueda para operar martillos. Un tipo era el batano, que se utilizaba para la fabricación de telas. El martillo perforador también se usó para fabricar hierro forjado y para trabajar el hierro en formas útiles, una actividad que, de otro modo, requería mucha mano de obra. La rueda hidráulica también se utilizó en la fabricación de papel, batiendo el material hasta convertirlo en pulpa. En el siglo XIII, los molinos de agua utilizados para martillar en toda Europa mejoraron la productividad de la primera fabricación de acero. Junto con el dominio de la pólvora, la energía hidráulica proporcionó a los países europeos un liderazgo militar mundial desde el siglo XV.

Europa de los siglos XVII y XVIII

Millwrights distinguió entre las dos fuerzas, impulso y peso, en el trabajo en las ruedas hidráulicas mucho antes de la Europa del siglo XVIII. Fitzherbert, un escritor agrícola del siglo XVI, escribió "druye la rueda tanto con el peso del agua como con la fuerza [impulso]". Leonardo da Vinci también habló sobre el poder del agua y señaló que "el golpe [del agua] no es peso, sino que excita un poder de peso, casi igual a su propio poder". Sin embargo, incluso la comprensión de las dos fuerzas, el peso y el impulso, la confusión permaneció sobre las ventajas y desventajas de los dos, y no hubo una comprensión clara de la eficiencia superior del peso. Antes de 1750, no estaba seguro de qué fuerza dominaba y se entendía ampliamente que ambas fuerzas operaban con la misma inspiración entre sí.La rueda hidráulica provocó preguntas sobre las leyes de la naturaleza, específicamente las leyes de la fuerza. El trabajo de Evangelista Torricelli sobre ruedas hidráulicas utilizó un análisis del trabajo de Galileo sobre cuerpos que caen, que la velocidad de un agua que brota de un orificio debajo de su cabeza era exactamente equivalente a la velocidad que adquiere una gota de agua al caer libremente desde la misma altura.

Europa industrial

La rueda hidráulica fue una fuerza impulsora detrás de las primeras etapas de la industrialización en Gran Bretaña. Los dispositivos alternativos accionados por agua se utilizaron en martillos perforadores y fuelles de altos hornos. El marco de agua de Richard Arkwright fue impulsado por una rueda hidráulica.

La rueda hidráulica más poderosa construida en el Reino Unido fue la rueda hidráulica Quarry Bank Mill de 100 hp cerca de Manchester. Un diseño de pecho alto, se retiró en 1904 y se reemplazó con varias turbinas. Ahora ha sido restaurado y es un museo abierto al público.

La rueda hidráulica en funcionamiento más grande de Gran Bretaña continental tiene un diámetro de 15,4 m (51 pies) y fue construida por la empresa De Winton de Caernarfon. Se encuentra dentro de los talleres Dinorwic del Museo Nacional de la Pizarra en Llanberis, Gales del Norte.

La rueda hidráulica en funcionamiento más grande del mundo es Laxey Wheel (también conocida como Lady Isabella) en el pueblo de Laxey, Isla de Man. Tiene 72 pies y 6 pulgadas (22,10 m) de diámetro y 6 pies (1,83 m) de ancho y es mantenido por Manx National Heritage.

Durante la Revolución Industrial, en la primera mitad del siglo XIX, los ingenieros comenzaron a diseñar mejores ruedas. En 1823, Jean-Victor Poncelet inventó un diseño de rueda inferior muy eficiente que podía funcionar en cabezas muy bajas, que se comercializó y se hizo popular a fines de la década de 1830. Otros diseños, como la rueda de Sagebien, siguieron después. Al mismo tiempo, Claude Burdin estaba trabajando en una máquina radicalmente diferente a la que llamó turbina, y su alumno Benoît Fourneyron diseñó la primera máquina comercial en la década de 1830.

El desarrollo de turbinas hidráulicas condujo a una disminución de la popularidad de las ruedas hidráulicas. La principal ventaja de las turbinas es que su capacidad para aprovechar la cabeza es mucho mayor que el diámetro de la turbina, mientras que una rueda hidráulica no puede aprovechar eficazmente la cabeza más grande que su diámetro. La migración de las ruedas hidráulicas a las turbinas modernas tomó alrededor de cien años.

América del norte

Las ruedas hidráulicas se utilizaron para accionar aserraderos, molinos y para otros fines durante el desarrollo de los Estados Unidos. La rueda hidráulica de 40 pies (12 m) de diámetro en McCoy, Colorado, construida en 1922, es una de las muchas que sobrevivieron y extrajeron agua para irrigación del río Colorado.

Dos de las primeras mejoras fueron las ruedas de suspensión y los engranajes de llanta. Las ruedas de suspensión se construyen de la misma manera que una rueda de bicicleta, la llanta se sostiene bajo tensión desde el cubo; esto llevó a ruedas más grandes y livianas que el diseño anterior donde los radios pesados ​​​​estaban bajo compresión. El engranaje de llanta implicaba agregar una rueda con muescas a la llanta o cubierta de la rueda. Un piñón corto engranaba el piñón de corona y tomaba la potencia en el molino usando un eje lineal independiente. Esto eliminó la tensión rotativa del eje, que por lo tanto podría ser más ligero, y también permitió una mayor flexibilidad en la ubicación del tren de potencia. La rotación del eje se engranó a partir de la de la rueda, lo que condujo a una menor pérdida de potencia.

Algo relacionado estaban las ruedas de pescado utilizadas en el noroeste de Estados Unidos y Alaska, que sacaron al salmón del flujo de los ríos.

Australia

Australia tiene un clima relativamente seco; sin embargo, donde había recursos hídricos adecuados disponibles, se construyeron ruedas hidráulicas en la Australia del siglo XIX. Estos se utilizaron para impulsar aserraderos, molinos harineros y baterías de estampadoras utilizadas para triturar el mineral aurífero. Ejemplos notables de ruedas hidráulicas utilizadas en las operaciones de recuperación de oro fueron la gran rueda hidráulica Garfield cerca de Chewton, una de al menos siete ruedas hidráulicas en el área circundante, y las dos ruedas hidráulicas en Adelong Falls; existen algunos restos en ambos sitios. El área minera en Walhalla alguna vez tuvo al menos dos ruedas hidráulicas, una de las cuales fue rodada a su sitio desde Port Albert, en su borde usando un novedoso arreglo de carros, lo que tomó casi 90 días.Una rueda hidráulica en Jindabyne, construida en 1847, fue la primera máquina utilizada para extraer energía, para la molienda de harina, del río Snowy.

Las ruedas hidráulicas compactas, conocidas como ruedas Dethridge, no se usaban como fuentes de energía sino para medir los flujos de agua hacia las tierras de regadío.

Nueva Zelanda

Las ruedas hidráulicas se utilizaron ampliamente en Nueva Zelanda. Los restos bien conservados de la rueda hidráulica de la mina Young Australian existen cerca de la ciudad fantasma de Carricktown, y los de la rueda hidráulica del molino harinero Phoenix están cerca de Oamaru.

India

La historia temprana del molino de agua en la India es oscura. Antiguos textos indios que se remontan al siglo IV a. C. se refieren al término cakkavattaka (rueda giratoria), que los comentarios explican como arahatta-ghati-yanta (máquina con ruedas acopladas). Sobre esta base, Joseph Needham sugirió que la máquina era una noria. Terry S. Reynolds, sin embargo, argumenta que "el término utilizado en los textos indios es ambiguo y no indica claramente un dispositivo accionado por agua". Thorkild Schiøler argumentó que "es más probable que estos pasajes se refieran a algún tipo de dispositivo de elevación de agua operado a mano o con peldaños, en lugar de una rueda de elevación de agua accionada por agua".

Según la tradición histórica griega, India recibió molinos de agua del Imperio Romano a principios del siglo IV d. C. cuando un tal Metrodoros introdujo "molinos de agua y baños, desconocidos entre ellos [los brahmanes] hasta entonces". El agua de riego para los cultivos se proporcionaba mediante el uso de ruedas elevadoras de agua, algunas impulsadas por la fuerza de la corriente del río del que se extraía el agua. Este tipo de dispositivo elevador de agua se utilizó en la India antigua, anterior, según Pacey, a su uso en el posterior Imperio Romano o China, aunque la primera evidencia literaria, arqueológica y pictórica de la rueda hidráulica apareció en el mundo helenístico.

Alrededor de 1150, el astrónomo Bhaskara Achārya observó ruedas que levantan agua e imaginó que una de esas ruedas levantaba suficiente agua para reponer la corriente que la impulsaba, efectivamente, como una máquina de movimiento perpetuo. La construcción de obras hidráulicas y aspectos de la tecnología del agua en la India se describen en obras en árabe y persa. Durante la época medieval, la difusión de las tecnologías de riego indias y persas dio lugar a un sistema de riego avanzado que favoreció el crecimiento económico y también ayudó al crecimiento de la cultura material.

Mundo islámico

Después de la expansión del Islam, los ingenieros del mundo islámico continuaron con las tecnologías del agua del antiguo Cercano Oriente; como es evidente en la excavación de un canal en la región de Basora con restos de una rueda hidráulica que data del siglo VII. Hama en Siria aún conserva algunas de sus grandes ruedas, sobre el río Orontes, aunque ya no están en uso. Uno de los más grandes tenía un diámetro de unos 20 metros (66 pies) y su borde estaba dividido en 120 compartimentos. Otra rueda que todavía está en funcionamiento se encuentra en Murcia en España, La Nora, y aunque la rueda original ha sido reemplazada por una de acero, el sistema moro durante al-Andalus prácticamente no ha cambiado. Algunas ruedas hidráulicas compartimentadas islámicas medievales podían levantar agua hasta 30 metros (100 pies). Muhammad ibn Zakariya al-RaziKitab al-Hawi en el siglo X describió una noria en Irak que podía levantar hasta 153 000 litros por hora (34 000 imp gal/h), o 2550 litros por minuto (560 imp gal/min). Esto es comparable a la producción de norias modernas en el este de Asia, que pueden levantar hasta 288 000 litros por hora (63 000 imp gal/h), o 4800 litros por minuto (1100 imp gal/min).

Los usos industriales de los molinos de agua en el mundo islámico se remontan al siglo VII, mientras que los molinos de agua de ruedas horizontales y verticales eran de uso generalizado en el siglo IX. En el mundo islámico se utilizó una variedad de molinos de agua industriales, incluidos molinos de harina, descascaradores, aserraderos, aserraderos, molinos de sellos, acerías, ingenios azucareros y molinos de marea. En el siglo XI, todas las provincias del mundo islámico tenían en funcionamiento estos molinos de agua industriales, desde al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia Central. Los ingenieros musulmanes y cristianos también utilizaron cigüeñales y turbinas de agua, engranajes en molinos de agua y máquinas elevadoras de agua, y presas como fuente de agua, que se utiliza para proporcionar energía adicional a molinos de agua y máquinas elevadoras de agua.Los batanes y las acerías pueden haberse extendido desde la España islámica a la España cristiana en el siglo XII. Los molinos de agua industriales también se emplearon en grandes complejos fabriles construidos en al-Andalus entre los siglos XI y XIII.

Los ingenieros del mundo islámico desarrollaron varias soluciones para lograr el máximo rendimiento de una rueda hidráulica. Una solución fue montarlos en pilares de puentes para aprovechar el mayor flujo. Otra solución fue el aserradero, un tipo de molino de agua impulsado por ruedas hidráulicas montadas en los costados de los barcos amarrados en medio de la corriente. Esta técnica se empleó a lo largo de los ríos Tigris y Éufrates en el siglo X en Irak, donde los grandes molinos navales hechos de teca y hierro podían producir 10 toneladas de harina de maíz todos los días para el granero en Bagdad. Ibn Bassal (fl. 1038-1075) de Al-Andalus inventó el mecanismo de volante, que se utiliza para suavizar la entrega de potencia desde un dispositivo de accionamiento a una máquina accionada; fue pionero en el uso del volante en la saqiya (bomba de cadena) y la noria.Los ingenieros Al-Jazari en el siglo XIII y Taqi al-Din en el siglo XVI describieron muchas ingeniosas máquinas elevadoras de agua en sus tratados tecnológicos. También emplearon ruedas hidráulicas para impulsar una variedad de dispositivos, incluidos varios relojes de agua y autómatas.

Desarrollos modernos

Rueda hidráulica

Un desarrollo reciente de la rueda de pecho es una rueda hidráulica que incorpora efectivamente sistemas de regulación automática. El Aqualienne es un ejemplo. Genera entre 37 kW y 200 kW de electricidad a partir de un flujo de agua de 20 m (710 pies cúbicos) con una cabeza de 1 a 3,5 m (3 a 11 pies). Está diseñado para producir electricidad en los sitios de los antiguos molinos de agua.

Eficiencia

Las ruedas overshot (y particularmente backshot) son el tipo más eficiente; una rueda trasera de acero puede ser más eficiente (alrededor del 60%) que todas las turbinas, excepto las más avanzadas y mejor construidas. En algunas situaciones, es preferible una rueda de pescante a una turbina.

El desarrollo de las ruedas de turbinas hidráulicas con su eficiencia mejorada (>67%) abrió un camino alternativo para la instalación de ruedas hidráulicas en molinos existentes, o la remodelación de molinos abandonados.

El poder de una rueda

La energía disponible para la rueda tiene dos componentes:

  • Energía cinética: depende de qué tan rápido se mueva el agua cuando ingresa a la rueda
  • Energía potencial: depende del cambio en la altura del agua entre la entrada y la salida de la rueda.

La energía cinética se puede calcular convirtiéndola en una cabeza equivalente, la cabeza de velocidad, y sumándola a la cabeza real. Para agua tranquila, la cabeza de velocidad es cero y, en una buena aproximación, es insignificante para agua que se mueve lentamente y puede ignorarse. La velocidad en la carrera de cola no se tiene en cuenta porque para una rueda perfecta, el agua saldría con energía cero, lo que requiere velocidad cero. Eso es imposible, el agua tiene que alejarse de la rueda, y representa una causa inevitable de ineficiencia.

La potencia es la rapidez con la que se entrega la energía, que está determinada por el caudal. Se ha estimado que el antiguo burro o molinillo de esclavos de Roma producía alrededor de la mitad de un caballo de fuerza, la rueda hidráulica horizontal creaba un poco más de la mitad de un caballo de fuerza, la rueda hidráulica vertical inferior producía alrededor de tres caballos de fuerza, y el medieval rueda hidráulica overshot producido hasta cuarenta a sesenta caballos de fuerza.

Cantidades y unidades

  • eta = eficiencia
  • rho = densidad del agua (1000 kg/m)
  • { estilo de visualización A =} área de la sección transversal del canal (m)
  • { estilo de visualización D =} diámetro de la rueda (m)
  • P= potencia (W)
  • { estilo de visualización d =} distancia (m)
  • g= fuerza de la gravedad (9,81 m/s = 9,81 N/kg)
  • h= cabeza (m)
  • {displaystyle h_{p}=} cabeza de presión, la diferencia en los niveles de agua (m)
  • {displaystyle h_{v}=} cabeza de velocidad (m)
  • { estilo de visualización k =} factor de corrección de velocidad. 0,9 para canales suaves.
  • { estilo de visualización v =} velocidad (m/s)
  • {displaystyle {punto {q}}=}caudal volumétrico (m /s)
  • { estilo de visualización t =} tiempo (s)

Mediciones

La cabeza de presión h_{p}es la diferencia de altura entre las superficies de agua de la carrera de cabeza y la carrera de cola. La cabeza de velocidad h_vse calcula a partir de la velocidad del agua en la carrera de cabeza en el mismo lugar desde donde se mide la cabeza de presión. La velocidad (velocidad) vse puede medir mediante el método de los palos de pooh, cronometrando un objeto flotante sobre una distancia medida. El agua en la superficie se mueve más rápido que el agua más cerca del fondo y los lados, por lo que se debe aplicar un factor de corrección como en la fórmula a continuación.

Hay muchas formas de medir el caudal volumétrico. Dos de los más simples son:

  • Del área de la sección transversal y la velocidad. Deben medirse en el mismo lugar, pero eso puede ser en cualquier lugar de las carreras de cabeza o cola. Debe tener la misma cantidad de agua que pasa a través de él como la rueda.
  • A veces es factible medir el caudal volumétrico mediante el método del balde y el cronómetro.

Fórmulas

CantidadFórmula
Energía{displaystyle P=eta cdot rho cdot gcdot hcdot {dot {q}}}
cabeza efectiva{displaystyle h=h_{p}+h_{v}}
cabeza de velocidad{displaystyle h_{v}={frac {v^{2}}{2cdot g}}}
Caudal volumétrico{displaystyle {dot {q}}=Acdot v}
Velocidad del agua (velocidad){displaystyle v=kcdot {frac{d}{t}}}

Reglas de juego

Pecho y overshot

Cantidadfórmula aproximada
Potencia (suponiendo una eficiencia del 70 %){displaystyle P=7000cdot {dot {q}}cdot h}
Velocidad de rotación óptima{displaystyle {frac{21}{sqrt {D}}}}rpm

Ruedas inferiores tradicionales

Cantidadfórmula aproximada
Potencia (asumiendo una eficiencia del 20 %){displaystyle P=100cdot Acdot v^{3}}
Velocidad de rotación óptima{displaystyle {frac {9cdot v}{D}}} rpm

Turbina de reacción de parte de rueda hidráulica

Un desarrollo paralelo es la rueda hidráulica/turbina de reacción parcial que también incorpora un vertedero en el centro de la rueda pero utiliza palas en ángulo con el flujo de agua. La máquina de presión de vástago WICON (SPM) aprovecha este flujo. Eficiencia estimada 67%.

La Escuela de Ingeniería Civil y Medio Ambiente de la Universidad de Southampton en el Reino Unido ha investigado ambos tipos de máquinas de ruedas hidráulicas y ha estimado su eficiencia hidráulica y ha sugerido mejoras, es decir, la máquina rotativa de presión hidráulica. (Eficiencia máxima estimada 85%).

Este tipo de ruedas hidráulicas tienen una alta eficiencia con cargas parciales/caudales variables y pueden funcionar con alturas muy bajas, < 1 m (3 pies 3 pulgadas). Combinados con alternadores de imanes permanentes de flujo axial de transmisión directa y electrónica de potencia, ofrecen una alternativa viable para la generación de energía hidroeléctrica de baja altura.

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