Una rueda hidráulica 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 hidráulica consiste en una rueda (generalmente construida de madera o metal), con varias palas o cubos dispuestos en el borde exterior que forma el automóvil. Las ruedas hidráulicas todavía se utilizaban comercialmente hasta bien entrado el siglo XX, pero ya no son de uso común en la actualidad. Los usos incluían moler harina en molinos , moler madera para convertirla en pulpa para la fabricación de papel , martillar hierro forjado , maquinar, triturar minerales y machacar fibra para usar en la fabricación de telas .
Algunas ruedas hidráulicas se alimentan del agua de un estanque de molino, que se forma cuando se represa un arroyo . Un canal para el agua que fluye hacia o desde una rueda hidráulica se llama carrera de molino . La carrera que lleva el agua desde el estanque del molino hasta la rueda hidráulica es una carrera de afluencia ; el que lleva agua después de haber salido de la rueda se conoce comúnmente como canal de cola . [1]
Las ruedas hidráulicas se utilizaron para diversos fines, desde la agricultura hasta la metalurgia , en civilizaciones antiguas que abarcaban el mundo helenístico griego , Roma , China y la India . Las norias siguieron utilizándose en la época posclásica , como en 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 . [2] [3] 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. [3] Las turbinas son capaces de manejar alturas elevadas , o elevaciones , que exceden la capacidad de las ruedas hidráulicas de tamaño práctico.
La principal dificultad de las ruedas hidráulicas es su dependencia del agua corriente, lo que limita su ubicación. Las represas hidroeléctricas modernas pueden considerarse descendientes de la rueda hidráulica, ya que también aprovechan el movimiento del agua cuesta abajo.
Las ruedas hidráulicas vienen en dos diseños básicos: [4]
Este último se puede subdividir según el lugar donde el agua golpea la rueda en tiro hacia atrás (pitch-back [5] ), tiro hacia atrás, tiro hacia el pecho, tiro hacia abajo y ruedas de corriente. [6] [7] [8] El término undershot puede referirse a cualquier rueda donde el agua pasa debajo de la rueda [9] pero generalmente implica que la entrada de agua es baja en la rueda.
Las ruedas hidráulicas de sobrepaso y retroceso 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 flujos grandes con una altura moderada . El flujo inferior y la rueda de corriente utilizan grandes flujos con poca o ninguna altura.
A menudo hay un estanque asociado , un depósito para almacenar agua y, por 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 avance y retroceso tienden a ser más pequeños que los de las ruedas de avance.
Las ruedas hidráulicas de sobrepaso y retroceso 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 utilizar en ríos o en flujos de gran volumen con grandes embalses.
Una rueda horizontal con un eje vertical.
Comúnmente llamada rueda de tina , molino nórdico o molino griego , [10] [11] la rueda horizontal es una forma primitiva e ineficiente de la turbina moderna. Sin embargo, si entrega la potencia requerida, la eficiencia pasa a un segundo plano. Por lo general, se monta dentro del edificio del molino, debajo del piso de trabajo. Se dirige un chorro de agua hacia 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 impulsor del molino.
Una rueda de arroyo [6] [12] es una rueda hidráulica montada verticalmente que el agua hace girar en un curso de agua golpeando paletas o palas en la parte inferior de la rueda. Este tipo de rueda hidráulica es el tipo más antiguo de rueda de eje horizontal. [ cita necesaria ] También se les conoce como ruedas de superficie libre porque el agua no está restringida por canales de molino o fosos de ruedas. [ cita necesaria ]
Las ruedas Stream son más baratas y sencillas de construir y tienen menos impacto ambiental que otros tipos de ruedas. No constituyen un cambio importante del río. Sus desventajas son su baja eficiencia, lo que significa que generan menos energía y sólo pueden usarse donde el caudal es suficiente. Una típica rueda de tabla plana utiliza alrededor del 20 por ciento de la energía del flujo de agua que golpea la rueda, según lo medido por el ingeniero civil inglés John Smeaton en el siglo XVIII. [13] Las ruedas más modernas tienen mayor eficiencia.
Las ruedas de los arroyos obtienen poca o ninguna ventaja de la cabeza, una diferencia en el nivel del agua.
Las ruedas de corriente montadas sobre 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. [ cita necesaria ]
Históricamente fueron muy ineficientes, pero en el siglo XVIII se lograron avances importantes. [14]
Una rueda inferior es una rueda hidráulica montada verticalmente con un eje horizontal que gira cuando el agua de un vertedero bajo 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 alcance insuficiente se utiliza a veces con significados relacionados pero diferentes:
Este es el tipo más antiguo de rueda hidráulica vertical.
La palabra tiro al pecho se utiliza de diversas formas. Algunos autores restringen el término a ruedas donde el agua entra aproximadamente a las 10 en punto, otros a las 9 en punto y otros a un rango de alturas. [17] En este artículo se utiliza para ruedas donde la entrada de agua está significativamente por encima de la parte inferior y significativamente por debajo de la parte superior, generalmente la mitad media.
Se caracterizan por:
Se utiliza tanto energía cinética (movimiento) como potencial (altura y peso).
El pequeño espacio libre entre la rueda y la mampostería requiere que una rueda de 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 avance son menos eficientes que las ruedas de avance y retroceso, pero pueden manejar altos caudales y, en consecuencia, alta potencia. Se prefieren para flujos constantes y de gran volumen, como los que se encuentran en Fall Line de la costa este de América del Norte. Las ruedas de pecho son el tipo más común en los Estados Unidos de América [ cita necesaria ] y se dice que impulsaron la revolución industrial. [14]
Se dice que una rueda hidráulica montada verticalmente que gira cuando el agua entra en cubos justo después de la parte superior de la rueda está rebasada. El término a veces se aplica erróneamente a las ruedas de retroceso, donde el agua desciende detrás de la rueda.
Una rueda 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 cubos. El diseño de sobrepaso es muy eficiente, puede alcanzar el 90% [18] y no requiere un flujo rápido.
Casi toda la energía se obtiene del peso del agua que se baja hasta la pista de descarga, aunque la energía cinética del agua que entra en la rueda puede aportar 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, la Rueda Laxey en la Isla de Man , sólo utiliza una altura de alrededor de 30 m (100 pies). Las turbinas de cabeza más grandes del mundo, la central hidroeléctrica de Bieudron en Suiza , utilizan aproximadamente 1.869 m (6.132 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 dirección. En ocasiones el acercamiento final del agua a la rueda se realiza a través de un canal o compuerta forzada , lo que puede ser largo.
Una rueda de retroceso (también llamada pitchback ) es una variedad de rueda de retroceso en la que el agua se introduce justo antes de la cima 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 la hace más eficiente. También funciona mejor que una rueda rebasada 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 sobre 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 de tiro hacia atrás es la misma que la de una rueda de tiro hacia el pecho, pero en otros aspectos es muy similar a la rueda de tiro hacia adelante. Vea abajo.
Algunas ruedas están sobrepasadas en la parte superior y hacia atrás en la parte inferior, combinando potencialmente las mejores características de ambos tipos. La fotografía muestra un ejemplo en Finch Foundry en Devon, Reino Unido. La pista principal es la estructura de madera superior y un ramal a la izquierda suministra agua a la rueda. El agua sale por debajo de la rueda y regresa al arroyo.
Un tipo especial de rueda de sobrepaso/retroceso es la rueda hidráulica reversible. Tiene dos juegos de palas o cubos que van en direcciones opuestas para que pueda girar en cualquier dirección dependiendo de hacia qué lado se dirija el agua. En la industria minera se utilizaban ruedas reversibles para impulsar diversos medios de transporte de mineral. Al cambiar la dirección de la rueda, se podían elevar o bajar barriles o cestas de mineral por un eje o plano inclinado. En el eje de la rueda solía haber un tambor de cable o una cesta de cadena. Es imprescindible que la rueda disponga de un equipo de frenado para poder detener la rueda (conocido como rueda frenada). El dibujo más antiguo conocido de una rueda hidráulica reversible fue de Georgius Agricola y data de 1556.
Como ocurre con toda maquinaria, el movimiento giratorio es más eficiente en los dispositivos de elevación de agua que el movimiento oscilante. [19] En términos de fuente de energía, las ruedas hidráulicas pueden girar mediante la fuerza humana o animal o mediante la propia corriente de agua. Las ruedas hidráulicas vienen en dos diseños básicos, ya sea equipadas con un eje vertical u horizontal. Este último tipo se puede subdividir, dependiendo de dónde llega el agua a las paletas de las ruedas, en ruedas de avance, de pecho y de avance. Históricamente, las dos funciones principales de las ruedas hidráulicas eran levantar agua para fines de riego y moler, particularmente de cereales. En el caso de los molinos de eje horizontal, se requiere un sistema de engranajes para la transmisión de potencia, algo que los molinos de eje vertical no necesitan.
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.). Se dice que la rueda hidráulica fue inventada por Zigong, un discípulo de Confucio en el siglo V a.C. [20] Al menos en el siglo I d. C., los chinos de la dinastía Han del Este utilizaban ruedas hidráulicas para triturar granos en molinos y para accionar los fuelles de los pistones al forjar el mineral de hierro para convertirlo en hierro fundido . [21]
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 del mortero y la maja, que evolucionó hasta convertirse en el inclinador. -martillo y luego dispositivo de martillo de disparo (ver martillo de disparo ). Aunque el autor habla del mitológico Fu Xi, un pasaje de su escrito da pistas de que la rueda hidráulica estaba en uso generalizado en el siglo I d.C. en China ( ortografía Wade-Giles ):
Fu Hsi inventó el mortero, que es tan útil, y más tarde lo mejoró inteligentemente de tal manera que todo el peso del cuerpo podía usarse para pisar el martillo inclinable ( tui ), aumentando así la eficiencia diez veces. veces. Posteriormente, el poder de los animales (asnos, mulas, bueyes y caballos) se aplicó por medio de maquinaria, y también se utilizó la fuerza hidráulica para golpear, de modo que el beneficio se multiplicó por cien. [22]
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 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 ortografía Wade-Giles):
En el séptimo año del período del reinado de Chien-Wu (31 d. C.), Tu Shih fue designado prefecto de Nanyang. Era un hombre generoso y sus políticas eran pacíficas; destruyó a los malhechores y estableció la dignidad (de su cargo). Bueno en 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). Aquellos que fundían y moldeaban ya tenían los fuelles para hacer estallar sus fuegos de carbón, y ahora se les instruyó a utilizar el torrente del agua ( chi shui ) para operarlo... Así, la gente obtuvo grandes beneficios con poco trabajo. Encontraron conveniente el 'fuelle (impulsado por agua)' y lo adoptaron ampliamente. [23]
Las ruedas hidráulicas en China encontraron usos prácticos como este, además de un uso extraordinario. El inventor chino Zhang Heng (78-139) fue el primero en la historia en aplicar la fuerza motriz para hacer girar el instrumento astronómico de una esfera armilar , mediante el uso de una rueda hidráulica. [24] El ingeniero mecánico Ma Jun (c. 200-265) de Cao Wei utilizó una vez una rueda hidráulica para impulsar y operar un gran teatro mecánico de marionetas para el emperador Ming de Wei ( r. 226-239). [25]
El avance tecnológico se produjo en el período helenístico tecnológicamente desarrollado entre los siglos III y I a.C. [26]
La rueda hidráulica compartimentada se presenta en dos formas básicas: la rueda con cuerpo compartimentado ( tímpano en latín ) y la rueda con llanta compartimentada o una llanta con contenedores adjuntos separados. [19] Las ruedas podían ser giradas por hombres pisando su exterior o por animales mediante un engranaje sakia . [27] Si bien el tímpano tenía una gran capacidad de descarga, podía elevar el agua solo a menos de la altura de su propio radio y requería un gran torque para girar. [27] Estas deficiencias constructivas fueron superadas por la rueda con una llanta compartimentada que era un diseño menos pesado con una mayor sustentación. [28]
La primera referencia literaria a una rueda compartimentada impulsada por agua aparece en el tratado técnico Neumática (capítulo 61) del ingeniero griego Filón de Bizancio ( c. 280 – c. 220 a. C. ). [29] En su Parasceuastica (91.43-44), Filón aconseja el uso de tales ruedas para sumergir minas de asedio como medida defensiva contra el desgaste enemigo. [30] Las ruedas compartimentadas parecen haber sido el medio elegido para drenar los diques secos en Alejandría bajo el reinado de Ptolomeo IV (221-205 a. C.). [30] Varios papiros griegos del siglo III al II a. C. mencionan el uso de estas ruedas, pero no dan más detalles. [30] 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. [31] [ verificación fallida ] [32] [33] [34] 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 haber sido realizada en el finales del siglo IV a.C. en un contexto rural alejado de la metrópoli de Alejandría. [35]
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.C. Muestra una pareja de bueyes uncidos que mueven la rueda mediante un engranaje de sakia , del que también se documenta aquí por primera vez. [36] El sistema de engranajes sakia griego ya se muestra completamente desarrollado hasta el punto de que "los dispositivos egipcios modernos son prácticamente idénticos". [36] Se supone que los científicos del Museo de Alejandría , en aquel momento el centro de investigación griego más activo, pudieron haber estado implicados en su invención. [37] 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. [38]
Alrededor del año 300 d.C., finalmente se introdujo la noria cuando los compartimentos de madera fueron reemplazados por vasijas de cerámica económicas que estaban atadas al exterior de una rueda de marco abierto. [35]
Los romanos utilizaron ampliamente ruedas hidráulicas en proyectos mineros , y se encontraron enormes ruedas hidráulicas de la época romana en lugares como la España actual . Eran ruedas hidráulicas invertidas diseñadas para deshidratar minas subterráneas profundas. [ cita necesaria ] Vitruvio describe varios de estos dispositivos , incluida la rueda hidráulica invertida y el tornillo de Arquímedes . Muchos se encontraron durante la minería moderna en las minas de cobre de Río Tinto en España , un sistema que involucra 16 ruedas apiladas una encima de la otra para levantar agua a unos 80 pies del sumidero de la mina. Parte de dicha rueda se encontró en Dolaucothi , una mina de oro romana en el sur de Gales en la década de 1930, cuando la mina fue reabierta 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 datado 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 entre 30 y 50 años después. De estos ejemplos de ruedas de drenaje encontradas en galerías subterráneas selladas en lugares muy separados se desprende claramente que la construcción de ruedas hidráulicas estaba dentro de sus capacidades, y que este tipo de ruedas hidráulicas verticales se usaban comúnmente con fines industriales.
Teniendo en cuenta pruebas indirectas del trabajo del técnico griego Apolonio de Perge , el historiador británico de la tecnología MJT Lewis fecha 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. [39] El geógrafo griego Estrabón ( c. 64 a. C. - c. 24 d . C.) informa que existió un molino de agua 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 de la texto (XII, 3, 30 C 556). [40]
La primera descripción clara de un molino de agua con engranajes la ofrece el arquitecto romano Vitruvio, de finales del siglo I a. C., quien habla del sistema de engranajes sakia aplicado a un molino de agua. [41] 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 eficaz para aprovechar la energía hidráulica. [42] 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). [43]
Casi al mismo tiempo, la rueda exagerada aparece por primera vez en un poema de Antípatro de Tesalónica , que la elogia como un dispositivo que ahorra trabajo (IX, 418.4-6). [44] 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). [45] El tercer tipo de eje horizontal, la rueda hidráulica de pecho, aparece como evidencia arqueológica en el contexto de finales del siglo II d.C. en la Galia central . [46] 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. [47] En el complejo de molinos de agua de Barbegal del siglo II d. C., una serie de dieciséis ruedas rebasadas fueron alimentadas por un acueducto artificial, una fábrica de granos protoindustrial que ha sido denominada "la mayor concentración conocida de energía mecánica en el mundo antiguo". [48]
En el norte de África romano , se encontraron varias instalaciones de alrededor del año 300 d. C. en las que se instalaban ruedas hidráulicas de eje vertical equipadas con palas en ángulo en el fondo de un pozo circular lleno de agua. El agua del canal del molino que entraba tangencialmente al foso creó una columna de agua arremolinada que hizo que la rueda completamente sumergida actuara como verdaderas turbinas hidráulicas , las más antiguas conocidas hasta la fecha. [49]
Además de su uso para moler y levantar agua, los ingenieros antiguos utilizaron la rueda hidráulica de paletas para autómatas y en la navegación. Vitruvio (X 9,5-7) describe ruedas de paletas de múltiples engranajes que funcionan como odómetro de un barco , el primero 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 con ruedas de paletas impulsado por bueyes. [50]
La antigua tecnología de las ruedas hidráulicas continuó sin disminuir en el período medieval temprano, donde la aparición de nuevos géneros documentales, como códigos legales , cartas monásticas , pero también la hagiografía , fue acompañada de un fuerte aumento de referencias a molinos de agua y ruedas. [51]
La primera rueda vertical en un molino de marea es de Killoteran del siglo VI cerca de Waterford , Irlanda , [52] mientras que la primera rueda horizontal conocida en este tipo de molino es de la Pequeña Isla irlandesa (c. 630). [53] En cuanto al uso en un molino común nórdico o griego, las ruedas horizontales más antiguas conocidas fueron excavadas en el Ballykilleen irlandés y datan de c. 636. [53]
La primera rueda hidráulica excavada impulsada por energía mareomotriz fue el molino del Monasterio de Nendrum en Irlanda del Norte , que data del año 787, aunque un posible molino anterior data del año 619. Los molinos de marea se volvieron comunes en 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 impulsar molinos de agua de muchos tipos. [21] Un ejemplo temprano de una rueda hidráulica muy grande es la rueda que aún se conserva en el Real Monasterio de Nuestra Señora de Rueda , de principios del siglo XIII, un monasterio cisterciense en la región de Aragón en España . Los molinos (para el maíz) eran sin duda los más comunes, pero también había aserraderos, batanes y molinos para realizar muchas otras tareas que requerían mucha mano de obra. La rueda hidráulica siguió siendo competitiva con la máquina de vapor hasta bien entrada la Revolución Industrial . Aproximadamente entre los siglos VIII y X, se trajeron a España una serie de tecnologías de riego y, por tanto, se introdujeron en Europa. Una de esas tecnologías es la Noria, que es básicamente una rueda provista de cangilones en sus periféricos para levantar agua. Es similar a la rueda hidráulica inferior que se menciona más adelante en este artículo. Permitió a los campesinos alimentar los molinos de agua de manera más eficiente. Según el libro de Thomas Glick, Irrigación y sociedad en la Valencia medieval , la Noria probablemente se originó en algún lugar de Persia . Se ha utilizado durante siglos antes de que los árabes trajeran la tecnología a España, que la habían adoptado de los romanos. Así, la distribución de la Noria en la península Ibérica "se ajusta a la zona de asentamiento islámico estabilizado". [54] Esta tecnología tiene un profundo efecto en la vida de los campesinos. La Noria es relativamente barata de construir. De este modo, 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.
La asamblea convocada por Guillermo de Normandía , comúnmente conocida como " Domesday " o encuesta del fin del mundo, hizo un inventario de todas las propiedades potencialmente sujetas a impuestos en Inglaterra, que incluía más de seis mil molinos repartidos en tres mil lugares diferentes, [55] frente a menos que cien en el siglo anterior. [21]
El tipo de rueda hidráulica seleccionada dependía de la ubicación. Generalmente, si sólo se dispusiera de pequeños volúmenes de agua y cascadas altas, el fabricante de molinos optaría por utilizar una rueda dentada . En la decisión influyó el hecho de que los cubos podían recoger y utilizar incluso una pequeña cantidad de agua. [56] Para grandes volúmenes de agua con pequeñas cascadas se habría utilizado la rueda inferior, ya que estaba más adaptada a tales condiciones y era más barata de construir. Mientras estos suministros de agua fueran abundantes, la cuestión de la eficiencia siguió siendo irrelevante. En el siglo XVIII, con una mayor demanda de energía junto con la escasez de agua, se hizo hincapié en los esquemas de eficiencia. [56]
En el siglo XI había partes de Europa donde la explotación del agua era algo habitual. [55] Se entiende que la rueda hidráulica ha moldeado activamente y cambiado para siempre la perspectiva de los occidentales. Europa comenzó a transitar del trabajo muscular humano y animal al trabajo mecánico con la llegada de la rueda hidráulica. La medievalista Lynn White Jr. sostuvo que la difusión de fuentes de energía inanimadas era un testimonio elocuente del surgimiento de Occidente de una nueva actitud hacia el poder, el trabajo, la naturaleza y, sobre todo, la tecnología. [55]
El aprovechamiento de la energía hidráulica permitió aumentar la productividad agrícola, los excedentes de alimentos y la urbanización a gran escala a partir del siglo XI. La utilidad de la energía hidráulica motivó experimentos europeos con otras fuentes de energía, como los molinos eólicos y mareomotrices. [57] Las ruedas hidráulicas influyeron en la construcción de ciudades, más específicamente de canales. Las técnicas que se desarrollaron durante este período temprano, como la obstrucción de arroyos y la construcción de canales , pusieron a Europa en un camino enfocado hidráulicamente ; por ejemplo, el suministro de agua y la tecnología de riego se combinaron para modificar el suministro de energía de la rueda. [58] Ilustrando hasta qué punto hubo un gran grado de innovación tecnológica que satisfizo las crecientes necesidades del estado feudal .
El molino de agua se utilizaba para moler cereales y producir harina para pan, malta para cerveza o harina gruesa para gachas. [59] Los molinos de martillos usaban la rueda para operar martillos. Un tipo era el batán , que se utilizaba para la confección de telas. El martillo de viaje también se utilizaba para fabricar hierro forjado y para darle formas útiles, una actividad que por lo demás requería mucha mano de obra. La rueda hidráulica también se utilizaba 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 las primeras fabricaciones de acero. Junto con el dominio de la pólvora, la energía hidráulica proporcionó a los países europeos un liderazgo militar en todo el mundo desde el siglo XV.
Los constructores de molinos distinguieron entre las dos fuerzas, impulso y peso, que actúan en las ruedas hidráulicas mucho antes de la Europa del siglo XVIII. Fitzherbert, un escritor agrícola del siglo XVI, escribió "se mueve la rueda tanto con el peso del agua como con la fuerza [impulso]". [60] Leonardo da Vinci también habló sobre la energía hidráulica, señalando que "el golpe [del agua] no es peso, sino que excita una fuerza de peso, casi igual a su propia fuerza". [61] Sin embargo, incluso al darse cuenta de las dos fuerzas, el peso y el impulso, persistía la confusión sobre las ventajas y desventajas de las dos, y no había una comprensión clara de la eficiencia superior del peso. [62] Antes de 1750 no estaba seguro de qué fuerza era dominante y se entendía ampliamente que ambas fuerzas operaban con igual inspiración entre sí. [63] La rueda hidráulica generó 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 caían, según el cual la velocidad de un agua que brotaba de un orificio debajo de su cabeza era exactamente equivalente a la velocidad que adquiría una gota de agua al caer libremente desde la misma altura. [64]
La rueda hidráulica fue una fuerza impulsora detrás de las primeras etapas de industrialización en Gran Bretaña. Se utilizaron dispositivos alternativos accionados por agua en martillos disparadores y fuelles de altos hornos. El armazón acuático de Richard Arkwright estaba impulsado por una rueda hidráulica. [sesenta y cinco]
La rueda hidráulica más poderosa construida en el Reino Unido fue la rueda hidráulica Quarry Bank Mill de 100 hp cerca de Manchester. Con un diseño de alto pecho, fue retirado en 1904 y reemplazado por varias turbinas. Actualmente 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 Pizarra en Llanberis , Gales del Norte .
La rueda hidráulica en funcionamiento más grande del mundo es la Rueda Laxey (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 con cabezales muy bajos, que se comercializó y se hizo popular a finales de la década de 1830. Otros diseños, como la rueda Sagebien , siguieron más tarde. 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 provocó 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 mayor que su diámetro. La migración de las ruedas hidráulicas a las turbinas modernas tardó unos cien años.
Las ruedas hidráulicas se utilizaron para impulsar 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 se conservan y que extraían agua para riego del río Colorado .
Dos de las primeras mejoras fueron las ruedas con suspensión y el engranaje de llanta. Las ruedas con 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 engranaje corto engranaba el engranaje de llanta y llevaba la potencia al molino mediante un eje lineal independiente. Esto eliminó la tensión rotativa del eje, que por lo tanto podría ser más liviano, y también permitió una mayor flexibilidad en la ubicación del tren de potencia. La rotación del eje se ajustó a partir de la de la rueda, lo que provocó una menor pérdida de potencia. Un ejemplo de este diseño iniciado por Thomas Hewes y refinado por William Armstrong Fairburn se puede ver en la rueda restaurada de 1849 en Portland Basin Canal Warehouse . [66]
Algo relacionado fueron las ruedas de pesca utilizadas en el noroeste de Estados Unidos y Alaska, que sacaban al salmón del flujo de los ríos.
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Australia tiene un clima relativamente seco; sin embargo, cuando había recursos hídricos adecuados, se construyeron ruedas hidráulicas en la Australia del siglo XIX. Estos se utilizaban para alimentar aserraderos, molinos harineros y baterías de estampadoras utilizadas para triturar minerales auríferos. Ejemplos notables de ruedas hidráulicas utilizadas en operaciones de recuperación de oro fueron la gran rueda hidráulica de 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. [67] [68] [69] [70] El área minera de Walhalla alguna vez tuvo al menos dos ruedas hidráulicas, una de las cuales se hizo rodar hasta su sitio desde Port Albert , en su borde utilizando una novedosa disposición de carro, lo que tomó casi 90 días. . [71] Una rueda hidráulica en Jindabyne , construida en 1847, fue la primera máquina utilizada para extraer energía (para la molienda de harina) del río Snowy . [72]
Las ruedas hidráulicas compactas, conocidas como ruedas Dethridge , no se utilizaban como fuentes de energía sino para medir los flujos de agua hacia las tierras irrigadas. [73]
Las ruedas hidráulicas se utilizaron ampliamente en Nueva Zelanda. [74] Los restos bien conservados de la rueda hidráulica rebasada de la mina Young Australian existen cerca de la ciudad fantasma de Carricktown , [75] y los de la rueda hidráulica del molino harinero Phoenix están cerca de Oamaru . [76]
La historia temprana del molino de agua en la India es oscura. Los antiguos textos indios que datan del siglo IV a. C. se refieren al término cakkavattaka (rueda giratoria), que los comentarios explican como arahatta-ghati-yanta (máquina con ruedas adjuntas). Sobre esta base, Joseph Needham sugirió que la máquina era una noria . Terry S. Reynolds, sin embargo, sostiene que "el término utilizado en los textos indios es ambiguo y no indica claramente un dispositivo impulsado por agua". Thorkild Schiøler argumentó que es "más probable que estos pasajes se refieran a algún tipo de dispositivo elevador de agua accionado manualmente o con banda de rodadura, en lugar de una rueda elevadora de agua impulsada por agua". [77]
Según la tradición histórica griega, la 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". [78] 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 para elevar agua se utilizó en la antigua India , siendo anterior, según Pacey, a su uso en el posterior Imperio Romano o en China, [79] aunque la primera evidencia literaria, arqueológica y pictórica de la rueda hidráulica apareció en el mundo helenístico. . [80]
Alrededor de 1150, el astrónomo Bhaskara Achārya observó ruedas que elevaban agua e imaginó que una rueda levantaba suficiente agua para reponer la corriente y la convertía, efectivamente, en una máquina de movimiento perpetuo . [81] La construcción de obras hidráulicas y aspectos de la tecnología hidráulica en la India se describen en obras árabes y persas . 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. [82]
Después de la expansión del Islam, los ingenieros del mundo islámico continuaron con las tecnologías hidráulicas del antiguo Cercano Oriente; como lo demuestra 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 se utilizan. [83] 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 árabe durante al-Andalus prácticamente no ha cambiado. Algunas ruedas hidráulicas compartimentadas islámicas medievales podían elevar agua hasta 30 metros (100 pies). [84] Kitab al-Hawi de Muhammad ibn Zakariya al-Razi en el siglo X describió una noria en Irak que podía levantar hasta 153.000 litros por hora (34.000 imp gal/h), o 2.550 litros por minuto (560 imp gal/h). galones/min). Esto es comparable a la producción de las norias modernas en el este de Asia , que pueden levantar hasta 288.000 litros por hora (63.000 imp gal/h), o 4.800 litros por minuto (1.100 imp gal/min). [85]
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 utilizaron una variedad de molinos de agua industriales, incluidos molinos , descascaradores , aserraderos , molinos navales, molinos de sellos , acerías , ingenios azucareros y molinos de marea . En el siglo XI, todas las provincias del mundo islámico tenían estos molinos de agua industriales en funcionamiento, desde al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia Central . [86] Los ingenieros musulmanes y cristianos también utilizaron cigüeñales y turbinas hidráulicas , engranajes en molinos de agua y máquinas elevadoras de agua , y presas como fuente de agua, utilizadas para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y máquinas elevadoras de agua. [87] Los batanes y acerías pueden haberse extendido desde la España islámica a la España cristiana en el siglo XII. También se emplearon molinos de agua industriales en los grandes complejos fabriles construidos en al-Andalus entre los siglos XI y XIII. [88]
Los ingenieros del mundo islámico desarrollaron varias soluciones para lograr el máximo rendimiento de una rueda hidráulica. Una solución fue montarlos en los pilares de los puentes para aprovechar el aumento del flujo. Otra solución fue el molino de barcos, 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 Irak del siglo X , donde grandes molinos navales hechos de teca y hierro podían producir 10 toneladas de harina de maíz cada día para el granero de Bagdad . [89] El mecanismo del volante , que se utiliza para suavizar la entrega de potencia desde un dispositivo impulsor a una máquina impulsada, fue inventado por Ibn Bassal ( fl. 1038-1075) de Al-Andalus ; Fue pionero en el uso del volante en saqiya ( bomba de cadena ) y noria. [90] Los ingenieros Al-Jazari en el siglo XIII y Taqi al-Din en el siglo XVI describieron muchas máquinas inventivas para levantar agua en sus tratados tecnológicos. También emplearon ruedas hidráulicas para alimentar una variedad de dispositivos, incluidos varios relojes de agua y autómatas .
Un desarrollo reciente de la rueda de pecho es una rueda hidráulica que incorpora efectivamente sistemas de regulación automática. La Aqualiana es un ejemplo. Genera entre 37 kW y 200 kW de electricidad a partir de un flujo de agua de 20 m 3 (710 pies cúbicos) con una altura de 1 a 3,5 m (3 a 11 pies). [91] Está diseñado para producir electricidad en los emplazamientos de antiguos molinos de agua.
Las ruedas que sobrepasan (y particularmente las que retroceden) son el tipo más eficiente; una rueda de acero de retroceso 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 sobrepasada a una turbina. [92]
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 reurbanización de molinos abandonados.
La energía disponible para la rueda tiene dos componentes:
La energía cinética se puede calcular convirtiéndola en una carga equivalente, la carga de velocidad, y sumándola a la carga real. Para aguas tranquilas, la carga de velocidad es cero y, en una buena aproximación, es insignificante para aguas que se mueven lentamente y puede ignorarse. La velocidad en la pista 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 molino de Roma impulsado por un burro o un esclavo generaba aproximadamente medio caballo de fuerza , la rueda hidráulica horizontal generaba un poco más de la mitad de un caballo de fuerza, la rueda hidráulica vertical inferior producía alrededor de tres caballos de fuerza, y la medieval La rueda hidráulica rebasada producía entre cuarenta y sesenta caballos de fuerza. [93]
notación punteada
La altura de presión es la diferencia de altura entre las superficies de agua de la pista de cabeza y de cola. La altura de velocidad se calcula a partir de la velocidad del agua en la pista de cabeza en el mismo lugar desde donde se mide la altura de presión. La velocidad se puede medir mediante el método de los palos de pooh, cronometrando un objeto flotante a lo largo de una distancia medida. El agua en la superficie se mueve más rápido que el agua más cercana al fondo y a los lados, por lo que se debe aplicar un factor de corrección como se muestra en la siguiente fórmula. [94]
Hay muchas formas de medir el caudal volumétrico . Dos de los más simples son:
Un desarrollo paralelo es la turbina hidráulica de reacción de rueda/parte que también incorpora una presa en el centro de la rueda pero utiliza palas en ángulo con el flujo de agua. La máquina de presión de vástago (SPM) WICON aprovecha este flujo. [100] 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%). [101]
Este tipo de ruedas hidráulicas tienen una alta eficiencia con cargas parciales/flujos variables y pueden funcionar a alturas muy bajas, <1 m (3 pies 3 pulgadas). Combinados con alternadores de imanes permanentes de flujo axial de accionamiento directo y electrónica de potencia, ofrecen una alternativa viable para la generación de energía hidroeléctrica de baja altura .
^ Notación punteada. Un punto encima de la cantidad indica que se trata de una tarifa. En otros, cuánto cada segundo o cuánto por segundo. En este artículo q es un volumen de agua yes un volumen de agua por segundo. q, como en cantidad de agua, se utiliza para evitar confusión con v para velocidad.
No sorprende que todos los dispositivos de elevación de agua que dependen de ruedas o cilindros subdivididos se originen en el sofisticado y científicamente avanzado período helenístico,...
La repentina aparición de pruebas literarias y arqueológicas de la rueda compartimentada en el siglo III a. C. contrasta marcadamente con la ausencia total de testimonios anteriores, lo que sugiere que el dispositivo se inventó no mucho antes.
Las referencias a ruedas hidráulicas en la antigua Mesopotamia , encontradas en manuales y relatos populares, se basan en su mayor parte en la falsa suposición de que el equivalente acadio del logograma GIS.APIN era nartabu y denota un instrumento para regar ("instrumento para humedecer" ").
Como resultado de sus investigaciones, Laessoe escribe lo siguiente sobre la cuestión de la saqiya: "Considero poco probable que aparezca alguna referencia a la saqiya en las fuentes antiguas mesopotámicas". En su opinión, deberíamos centrar nuestra atención en Alejandría, "donde parece plausible suponer que se inventó la saqiya".
El texto tiene licencia del Estado de Nueva Gales del Sur (Departamento de Planificación y Medio Ambiente) bajo la licencia CC-BY 4.0.Este es también el período en el que los molinos de agua comenzaron a extenderse fuera del antiguo Imperio. Según Cedrenus (Compendio Historiarum), un tal Metrodoros que fue a la India en c. 325 d. C. "construyó molinos de agua y baños, desconocidos entre ellos [los brahmanes] hasta entonces".
