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 una serie de cuchillas o cubos dispuestos en el borde exterior que forman el carro impulsor. Las ruedas hidráulicas todavía se usaban 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 hacer pulpa para la fabricación de papel , martillar hierro forjado , mecanizar, triturar minerales y machacar fibra para usar en la fabricación de telas .
Algunas ruedas hidráulicas se alimentan con agua de un estanque de molino, que se forma cuando se represa un arroyo que fluye . Un canal por el que fluye el agua hacia o desde una rueda hidráulica se llama canal de molino . El canal que lleva agua desde el estanque del molino hasta la rueda hidráulica es un canal de entrada ; el que lleva agua después de que ha salido de la rueda se conoce comúnmente como canal de descarga . [1]
Las ruedas hidráulicas se utilizaron para diversos fines, desde la agricultura hasta la metalurgia en civilizaciones antiguas que abarcaron el mundo griego helenístico , Roma , China e India . Las ruedas hidráulicas se siguieron utilizando en la era posclásica , como en la Europa medieval 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, suministrando energía muy necesaria para la Revolución Industrial . [2] [3] Las ruedas hidráulicas comenzaron a ser reemplazadas 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 grandes alturas 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 que fluye, lo que limita su ubicación. Las presas hidroeléctricas modernas pueden considerarse descendientes de las ruedas hidráulicas, 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 retroceso (inclinación hacia atrás [5] ), retroceso hacia arriba, retroceso hacia abajo, retroceso hacia abajo y ruedas de corriente. [6] [7] [8] El término retroceso hacia abajo puede referirse a cualquier rueda donde el agua pasa por debajo de la rueda [9] pero generalmente implica que la entrada de agua es baja en la rueda.
Las ruedas hidráulicas de tiro superior e inferior se utilizan normalmente cuando la diferencia de altura disponible es superior a un par de metros. Las ruedas de tiro inferior son más adecuadas para caudales grandes con una caída moderada . Las ruedas de tiro inferior y de corriente utilizan caudales grandes con poca o ninguna caída.
A menudo, hay un estanque asociado , un depósito para almacenar agua y, por lo tanto, energía hasta que se necesite. Los cabezales más grandes almacenan más energía potencial gravitatoria para la misma cantidad de agua, por lo que los depósitos para las ruedas de tiro superior e inferior tienden a ser más pequeños que para las ruedas de tiro frontal.
Las ruedas hidráulicas de tiro superior e inferior son adecuadas cuando hay un pequeño arroyo con una diferencia de altura de más de 2 metros (6,5 pies), a menudo asociado a un pequeño embalse. Las ruedas de tiro inferior e inferior se pueden utilizar en ríos o caudales 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, entonces la eficiencia es de importancia secundaria. Generalmente se monta dentro de un edificio de molino debajo del piso de trabajo. Un chorro de agua se dirige a las paletas de la rueda hidráulica, lo que hace que giren. Este es un sistema simple generalmente sin engranajes, de modo que el eje vertical de la rueda hidráulica se convierte en el husillo de accionamiento del molino.
Una rueda de agua [6] [12] es una rueda hidráulica montada verticalmente que gira cuando el agua de un curso de agua golpea paletas o aspas en la parte inferior de la rueda. Este tipo de rueda hidráulica es el tipo más antiguo de rueda de eje horizontal. [ cita requerida ] También se las conoce como ruedas de superficie libre porque el agua no está restringida por canales de molino o fosos de ruedas. [ cita requerida ]
Las ruedas fluviales son más baratas y sencillas de construir y tienen un menor impacto ambiental que otros tipos de ruedas. No constituyen un cambio importante en el 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 rueda típica de tabla plana con descarga inferior utiliza alrededor del 20 por ciento de la energía del flujo de agua que golpea la rueda, según las mediciones del 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 diferencia en el nivel del agua.
Las ruedas de corriente montadas sobre plataformas flotantes se denominan a menudo ruedas de cadera y el molino, 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 requerida ]
Históricamente eran muy ineficientes pero se produjeron avances importantes en el siglo XVIII. [14]
Una rueda de arrastre es una rueda hidráulica montada verticalmente con un eje horizontal que gira cuando el agua golpea la rueda en el cuarto inferior desde un vertedero bajo. La mayor parte de la ganancia de energía proviene del movimiento del agua y comparativamente poca del cabezal. Su funcionamiento y diseño son similares a los de las ruedas de corriente.
El término prognatismo inferior se utiliza a veces con significados relacionados pero diferentes:
Este es el tipo más antiguo de rueda hidráulica vertical.
La palabra breastshot se utiliza de diversas maneras. Algunos autores limitan el término a las ruedas en las que el agua entra aproximadamente en la posición de las 10 en punto, otros a las 9 en punto y otros a una variedad de alturas. [17] En este artículo se utiliza para las 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:
Se utilizan 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 pecho tenga una buena rejilla para basura ('screen' en inglés británico) para evitar que los residuos se atasquen entre la rueda y el faldón y potencialmente causen daños graves.
Las ruedas de tiro en pecho son menos eficientes que las ruedas de tiro en contra y en contra, pero pueden manejar altos caudales y, en consecuencia, una gran potencia. Son las preferidas para flujos constantes y de gran volumen, como los que se encuentran en la línea de caída de la costa este de América del Norte. Las ruedas de tiro en pecho son el tipo más común en los Estados Unidos de América [ cita requerida ] y se dice que impulsaron la revolución industrial. [14]
Una rueda hidráulica montada verticalmente que gira gracias al agua que entra en unos cubos justo por encima de la parte superior de la rueda se denomina rueda de empuje. El término a veces se aplica, erróneamente, a las ruedas de empuje trasero, en las que el agua baja por detrás de la rueda.
Una rueda de pescante típica tiene el agua canalizada hacia la rueda en la parte superior y un poco más allá del eje. El agua se acumula en los cubos de ese lado de la rueda, lo que la hace 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 la rueda de pescante 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 baja hasta el canal de descarga, aunque una pequeña contribución puede deberse a la energía cinética del agua que entra en la rueda. Son adecuadas para saltos mayores que el otro tipo de rueda, por lo que son ideales para países montañosos. Sin embargo, incluso la rueda hidráulica más grande, la rueda de Laxey en la Isla de Man , solo utiliza un salto de unos 30 m (100 pies). Las turbinas de salto más grandes del mundo, la central hidroeléctrica de Bieudron en Suiza , utilizan unos 1.869 m (6.132 pies).
Las ruedas de arrastre requieren una mayor altura de caída en comparación con otros tipos de ruedas, lo que suele suponer una inversión importante en la construcción del canal de entrada. A veces, el acceso final del agua a la rueda se realiza a lo largo de un canal o conducto forzado , que puede ser largo.
Una rueda de descarga hacia atrás (también llamada de descarga hacia atrás ) es una variedad de rueda de descarga hacia arriba 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 de descarga hacia arriba 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 de pesca trasera es la misma que la de una rueda de pesca de pecho, pero en otros aspectos es muy similar a la de una rueda de pesca superior. Véase a continuación.
Algunas ruedas tienen un resalte superior y un resalte inferior, lo que permite combinar las mejores características de ambos tipos. La fotografía muestra un ejemplo en Finch Foundry en Devon, Reino Unido. El canal de entrada 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 vuelve al arroyo.
Un tipo especial de rueda de arrastre es la rueda hidráulica reversible. Esta tiene dos juegos de palas o cangilones que giran en direcciones opuestas, de modo que puede girar en cualquier dirección dependiendo de hacia qué lado se dirija el agua. Las ruedas reversibles se utilizaban en la industria minera 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 pozo o plano inclinado. Normalmente había un tambor de cable o una cesta de cadena en el eje de la rueda. Es esencial que la rueda tenga un equipo de frenado para poder detener la rueda (conocido como rueda de frenado). El dibujo más antiguo conocido de una rueda hidráulica reversible es de Georgius Agricola y data de 1556.
Como en toda maquinaria, el movimiento rotatorio es más eficiente en los dispositivos de elevación de agua que el movimiento oscilatorio. [19] En términos de fuente de energía, las ruedas hidráulicas pueden ser giradas por la fuerza humana o animal o por la corriente de agua misma. Las ruedas hidráulicas vienen en dos diseños básicos, ya sea equipadas con un eje vertical u horizontal. El último tipo se puede subdividir, dependiendo de dónde golpea el agua las paletas de la rueda, en ruedas de tiro superior, de tiro inferior y de tiro inferior. Las dos funciones principales de las ruedas hidráulicas eran históricamente la elevación de agua para fines de riego y la molienda, particularmente de granos. En el caso de los molinos de eje horizontal, se requiere un sistema de engranajes para la transmisión de energía, 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.). Dice que la rueda hidráulica fue inventada por Zigong, un discípulo de Confucio en el siglo V a. C. [20] Al menos hacia el siglo I d. C., los chinos de la dinastía Han del Este usaban ruedas hidráulicas para triturar el grano en los molinos y para accionar los fuelles de pistón en la forja del 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, que evolucionó hasta convertirse en el martillo basculante y luego en el martillo de maniobra (véase martillo de maniobra ). Aunque el autor habla del mitológico Fu Xi, un pasaje de su escrito da pistas de que la rueda hidráulica ya se utilizaba ampliamente en el siglo I d. C. en China ( ortografía de Wade-Giles ):
Fu Hsi inventó el mortero, que es tan útil, y más tarde lo mejoró de tal manera que todo el peso del cuerpo podía utilizarse para golpear el martillo ( tui ), aumentando así la eficiencia diez veces. Más tarde, la fuerza de los animales (burros, mulas, bueyes y caballos) se aplicó por medio de maquinaria, y también se utilizó la fuerza del agua 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 (fallecido en el año 38), aplicó un uso complejo de la rueda hidráulica y la maquinaria para accionar los fuelles del alto horno y crear hierro fundido . Du Shi se menciona brevemente en el Libro de los Han posteriores ( Hou Han Shu ) de la siguiente manera (con ortografía Wade-Giles):
En el séptimo año 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). Era bueno en la planificación, amaba a la gente común y deseaba ahorrar su trabajo. Inventó un reciprocador impulsado por agua ( shui phai ) para la fundición de herramientas agrícolas (de hierro). Aquellos que fundían y fundían ya tenían los fuelles de empuje para avivar sus fuegos de carbón, y ahora se les instruyó para usar el impulso del agua ( chi shui ) para operarlos ... De esta manera, la gente obtuvo grandes beneficios por poco trabajo. Encontraron convenientes los 'fuelles impulsados por agua' y los adoptaron ampliamente. [23]
Las ruedas hidráulicas en China encontraron usos prácticos como este, así como usos extraordinarios. El inventor chino Zhang Heng (78-139) fue el primero en la historia en aplicar la fuerza motriz para rotar 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 gran avance tecnológico se produjo en el período helenístico, tecnológicamente desarrollado , entre los siglos III y I a. C. [26] Un poema de Antípatro de Tesalónica elogió la rueda hidráulica por liberar a las mujeres del agotador trabajo de moler y moler. [27] [28]
La rueda hidráulica compartimentada se presenta en dos formas básicas, la rueda con cuerpo compartimentado ( latín tympanum ) y la rueda con borde compartimentado o un borde con recipientes separados y adjuntos. [19] Las ruedas podían ser giradas por hombres que pisaban su parte exterior o por animales mediante un engranaje sakia . [29] 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. [29] Estas deficiencias constructivas fueron superadas por la rueda con un borde compartimentado que era un diseño menos pesado con una elevación mayor. [30]
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 ( c. 280 - c. 220 a. C. ). [31] En su Parasceuastica (91.43−44), Filón aconseja el uso de tales ruedas para sumergir minas de asedio como medida defensiva contra el minado enemigo. [32] 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.). [32] Varios papiros griegos del siglo III al II a. C. mencionan el uso de estas ruedas, pero no dan más detalles. [32] La inexistencia del dispositivo en el Antiguo Cercano Oriente antes de la conquista de Alejandro se puede deducir de su pronunciada ausencia de la, por lo demás, rica iconografía oriental sobre prácticas de irrigación. [33] [ verificación fallida ] [34] [35] [36] 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. [37]
La representación más antigua de una rueda compartimentada procede de una pintura de una tumba del Egipto ptolemaico que data del siglo II a. C. Muestra un par de bueyes uncidos que impulsan la rueda mediante un engranaje sakia , del que también se tiene constancia por primera vez. [38] El sistema de engranajes sakia griego ya se muestra plenamente desarrollado hasta el punto de que "los dispositivos egipcios modernos son prácticamente idénticos". [38] Se supone que los científicos del Museo de Alejandría , en aquella época el centro de investigación griego más activo, pudieron haber estado involucrados en su invención. [39] 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. [40]
Alrededor del año 300 d. C., finalmente se introdujo la noria cuando los compartimentos de madera fueron reemplazados por vasijas de cerámica económicas que se ataban al exterior de una rueda de marco abierto. [37]
Los romanos utilizaron ampliamente las ruedas hidráulicas en proyectos mineros , y se han encontrado enormes ruedas hidráulicas de la época romana en lugares como la actual España . Eran ruedas hidráulicas de pescante invertido diseñadas para desagotar minas subterráneas profundas. [ cita requerida ] Vitruvio describe varios de estos dispositivos , incluida la rueda hidráulica de pescante invertido 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 involucraba 16 ruedas de este tipo apiladas una sobre otra para elevar el agua a unos 80 pies del sumidero de la mina. Parte de una de estas ruedas 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 Río Tinto. Recientemente se ha datado mediante carbono en torno al año 90 d. C. y, dado que la madera con la que se fabricó es mucho más antigua que la mina profunda, es probable que las explotaciones profundas estuvieran en funcionamiento quizás entre 30 y 50 años después. De estos ejemplos de ruedas de drenaje halladas en galerías subterráneas selladas en lugares muy distantes entre sí se desprende claramente que la construcción de ruedas hidráulicas estaba dentro de sus posibilidades y que dichas ruedas hidráulicas verticales se utilizaban habitualmente con fines industriales.
Teniendo en cuenta la evidencia indirecta del trabajo del técnico griego Apolonio de Perge , el historiador británico de 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 los lugares asignados de invención. [41] 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 obtener del texto (XII, 3, 30 C 556). [42]
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. [43] 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. [44] La rueda hidráulica de Vitruvio se describe como 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). [45]
Casi al mismo tiempo, la rueda de arrastre aparece por primera vez en un poema de Antípatro de Tesalónica , que la elogia como un dispositivo que ahorra trabajo (IX, 418.4–6). [46] El motivo también es retomado por Lucrecio (ca. 99–55 a. C.) que compara la rotación de la rueda hidráulica con el movimiento de las estrellas en el firmamento (V 516). [47] El tercer tipo de rueda de eje horizontal, la rueda hidráulica de pecho, aparece en evidencia arqueológica a finales del siglo II d. C. en el contexto de la Galia central . [48] 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. [49] En el complejo de molinos de agua de Barbegal del siglo II d. C. , una serie de dieciséis ruedas de arrastre eran alimentadas por un acueducto artificial, una fábrica de granos protoindustrial que ha sido referida como "la mayor concentración conocida de energía mecánica en el mundo antiguo". [50]
En el norte de África romano se encontraron varias instalaciones de alrededor del año 300 d. C. en las que se instalaron ruedas hidráulicas de eje vertical provistas de palas en ángulo en el fondo de un pozo circular lleno de agua. El agua del canal del molino que entraba tangencialmente en el pozo creaba una columna de agua arremolinada que hacía que las ruedas, completamente sumergidas, actuaran como verdaderas turbinas hidráulicas , las más antiguas conocidas hasta la fecha. [51]
Además de su uso en la molienda y la extracción de agua, los ingenieros antiguos utilizaban la rueda hidráulica con paletas para autómatas y en la navegación. Vitruvio (X 9.5-7) describe ruedas de paletas con múltiples engranajes que funcionan como un odómetro para barcos , la más antigua de su tipo. La primera mención de las ruedas de paletas como medio de propulsión proviene del tratado militar del siglo IV-V De Rebus Bellicis (capítulo XVII), donde el autor romano anónimo describe un barco de guerra con ruedas de paletas impulsado por bueyes. [52]
La tecnología de las antiguas ruedas hidráulicas continuó sin cesar en el período medieval temprano, donde la aparición de nuevos géneros documentales, como códigos legales , cartas monásticas , pero también la hagiografía , estuvo acompañada de un marcado aumento de referencias a molinos de agua y ruedas. [53]
La rueda vertical más antigua de un molino de mareas es de Killoteran, del siglo VI, cerca de Waterford , Irlanda , [54] mientras que la primera rueda horizontal conocida en este tipo de molino es de la Pequeña Isla irlandesa (c. 630). [55] En cuanto al uso en un molino nórdico o griego común, las ruedas horizontales más antiguas conocidas fueron excavadas en Ballykilleen, Irlanda, y datan de c. 636. [55]
La primera rueda hidráulica excavada impulsada por la energía de las mareas fue el molino del Monasterio de Nendrum en Irlanda del Norte , que se ha datado en 787, aunque un posible molino anterior data de 619. Los molinos de mareas se volvieron comunes en los estuarios con un buen rango de mareas tanto en Europa como en América, generalmente usando ruedas de arrastre.
Los monasterios cistercienses , en particular, hicieron un uso extensivo de las ruedas hidráulicas para impulsar molinos de agua de muchos tipos. [21] Un ejemplo temprano de una rueda hidráulica muy grande es la rueda aún existente 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 de harina (para grano) eran sin duda los más comunes, pero también había aserraderos, batanes y molinos para realizar 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 varias tecnologías de irrigación y, por lo tanto, en Europa. Una de esas tecnologías es la noria, que es básicamente una rueda equipada con cangilones en los periféricos para levantar agua. Es similar a la rueda hidráulica de tiro inferior mencionada más adelante en este artículo. Permitió a los campesinos impulsar los molinos de agua de manera más eficiente. Según el libro de Thomas Glick, Irrigation and Society in Medieval Valencia , la noria probablemente se originó 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. Por lo tanto, la distribución de la noria en la península Ibérica "se ajusta al área de asentamiento islámico estabilizado". [56] Esta tecnología tiene un profundo efecto en la vida de los campesinos. La noria es relativamente barata 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 Sudamérica después de la expansión española.
La asamblea convocada por Guillermo de Normandía , comúnmente conocida como la " encuesta Domesday " o del Día del Juicio Final, realizó un inventario de todas las propiedades potencialmente imponibles en Inglaterra, que incluía más de seis mil molinos repartidos en tres mil lugares diferentes, [57] frente a menos de cien en el siglo anterior. [21]
El tipo de rueda hidráulica seleccionada dependía de la ubicación. Generalmente, si sólo había disponibles pequeños volúmenes de agua y cascadas altas, un mecánico de molinos optaría por utilizar una rueda de arrastre superior . La decisión estaba influenciada por el hecho de que los cubos podían captar y utilizar incluso un pequeño volumen de agua. [58] Para grandes volúmenes de agua con pequeñas cascadas se habría utilizado la rueda de arrastre inferior, ya que estaba mejor 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 el aumento de la demanda de energía junto con las localidades limitadas de agua, se hizo hincapié en el esquema de eficiencia. [58]
En el siglo XI, había partes de Europa donde la explotación del agua era algo común. [57] Se cree que la rueda hidráulica moldeó y cambió 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. El medievalista Lynn White Jr. sostuvo que la difusión de fuentes de energía inanimadas era un testimonio elocuente del surgimiento en Occidente de una nueva actitud hacia el poder, el trabajo, la naturaleza y, sobre todo, la tecnología. [57]
El aprovechamiento de la energía hidráulica permitió obtener ganancias en productividad agrícola, excedentes de alimentos y la urbanización a gran escala a partir del siglo XI. La utilidad de la energía hidráulica motivó los experimentos europeos con otras fuentes de energía, como los molinos de viento y de mareas. [59] Las ruedas hidráulicas influyeron en la construcción de ciudades, más específicamente de canales. Las técnicas que se desarrollaron durante este período temprano, como el bloqueo de arroyos y la construcción de canales , pusieron a Europa en un camino centrado en la hidráulica ; por ejemplo, la tecnología de suministro de agua y riego se combinó para modificar la potencia de suministro de la rueda. [60] Esto ilustra 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, producir harina para pan, malta para cerveza o harina gruesa para gachas. [61] Los molinos de martillos utilizaban la rueda para operar los martillos. Un tipo era el batán , que se utilizaba para la fabricación de telas. El martillo de viaje también se utilizaba para hacer 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 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 la fabricación temprana de acero. Junto con el dominio de la pólvora, la energía hidráulica proporcionó a los países europeos un liderazgo militar de todo el mundo a partir del siglo XV.
Los mecánicos de molinos distinguieron entre las dos fuerzas, impulso y peso, que funcionan en las ruedas hidráulicas mucho antes de la Europa del siglo XVIII. Fitzherbert, un escritor agrícola del siglo XVI, escribió "la rueda impulsa tanto con el peso del agua como con fuerza [impulso]". [62] Leonardo da Vinci también habló de la fuerza del agua, señalando que "el golpe [del agua] no es peso, sino que excita una potencia de peso, casi igual a su propia potencia". [63] Sin embargo, incluso cuando se comprendió la existencia de las dos fuerzas, peso e impulso, seguía habiendo confusión sobre las ventajas y desventajas de ambas, y no había una comprensión clara de la eficiencia superior del peso. [64] Antes de 1750 no se sabía con certeza qué fuerza era dominante y se entendía ampliamente que ambas fuerzas operaban con la misma inspiración entre sí. [65] La rueda hidráulica planteó preguntas sobre las leyes de la naturaleza, específicamente las leyes de la fuerza . El trabajo de Evangelista Torricelli sobre las ruedas hidráulicas utilizó un análisis del trabajo de Galileo sobre la caída de los cuerpos, según el cual la velocidad del agua que brota de un orificio bajo su cabeza era exactamente equivalente a la velocidad que adquiría una gota de agua al caer libremente desde la misma altura. [66]
La rueda hidráulica fue una fuerza impulsora de las primeras etapas de la industrialización en Gran Bretaña. Los dispositivos alternativos accionados por agua se utilizaban en martillos hidráulicos y fuelles de altos hornos. El marco hidráulico de Richard Arkwright funcionaba con una rueda hidráulica. [67]
La rueda hidráulica más potente construida en el Reino Unido fue la rueda hidráulica de 100 hp del molino Quarry Bank, cerca de Manchester. Con un diseño de gran potencia, se retiró en 1904 y se reemplazó por varias turbinas. Actualmente se ha restaurado y es un museo abierto al público.
La rueda hidráulica más grande en funcionamiento en Gran Bretaña continental tiene un diámetro de 15,4 m (51 pies) y fue construida por la empresa De Winton de Caernarfon. Está ubicada 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 la rueda de Laxey (también conocida como Lady Isabella ) en el pueblo de Laxey , Isla de Man . Tiene 22,10 m (72 pies y 6 pulgadas) de diámetro y 1,83 m (6 pies) de ancho y está a cargo de 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 de empuje inferior muy eficiente que podía funcionar con alturas de elevación muy bajas, que se comercializó y se hizo popular a fines 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 comercial en la década de 1830.
El desarrollo de las turbinas hidráulicas hizo que disminuyera la popularidad de las ruedas hidráulicas. La principal ventaja de las turbinas es que su capacidad para aprovechar una caída de presión es mucho mayor que el diámetro de la turbina, mientras que una rueda hidráulica no puede aprovechar eficazmente una caída de presión 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 harineros y otros fines durante el desarrollo de los Estados Unidos. La rueda hidráulica de 12 m de diámetro de McCoy, Colorado , construida en 1922, es una de las muchas que sobreviven y que extraían agua del río Colorado para riego .
Dos de las primeras mejoras fueron las ruedas con suspensión y los engranajes 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 buje, lo que dio lugar a ruedas más grandes y ligeras que el diseño anterior, en el que los radios pesados estaban bajo compresión. Los engranajes de llanta implicaban añadir una rueda dentada a la llanta o cubierta de la rueda. Un engranaje corto acoplaba el engranaje de llanta y llevaba la potencia al molino utilizando un eje de línea independiente. Esto eliminaba la tensión rotatoria del eje, que podía ser así más ligero, y también permitía una mayor flexibilidad en la ubicación del tren de potencia. La rotación del eje se engranaba a partir de la de la rueda, lo que daba lugar a 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 el Portland Basin Canal Warehouse . [68]
Un ejemplo de ello son las ruedas para pescar que se utilizaban en el noroeste de Estados Unidos y en Alaska y que permitían sacar al salmón del curso de los ríos.
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Australia tiene un clima relativamente seco, sin embargo, donde había recursos hídricos adecuados, se construyeron ruedas hidráulicas en Australia del siglo XIX. Estas se usaban para alimentar aserraderos, molinos de harina y baterías de estampadoras utilizadas para triturar el mineral aurífero. 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. [69] [ 70] [71] [72] 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 , sobre su borde utilizando un novedoso sistema de carro, lo que tomó casi 90 días. [73] Una rueda hidráulica en Jindabyne , construida en 1847, fue la primera máquina utilizada para extraer energía, para la molienda de harina, del río Snowy . [74]
Las ruedas hidráulicas compactas, conocidas como ruedas de Dethridge , no se utilizaban como fuentes de energía sino para medir los flujos de agua hacia las tierras irrigadas. [75]
Las ruedas hidráulicas se utilizaron ampliamente en Nueva Zelanda. [76] Los restos bien conservados de la rueda hidráulica de la mina Young Australian existen cerca de la ciudad fantasma de Carricktown , [77] y los de la rueda hidráulica del molino de harina Phoenix están cerca de Oamaru . [78]
La historia temprana del molino de agua en la India es oscura. Los textos indios antiguos que datan del siglo IV a. C. hacen referencia 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, 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 operado con una rueda o con la mano, en lugar de una rueda elevadora de agua impulsada por agua". [79]
Según la tradición histórica griega, la India recibió molinos de agua del Imperio Romano a principios del siglo IV d. C., cuando un tal Metrodoro introdujo "molinos de agua y baños, desconocidos entre ellos [los brahmanes] hasta entonces". [80] El agua de riego para los cultivos se obtenía mediante el uso de ruedas elevadoras de agua, algunas de ellas impulsadas por la fuerza de la corriente del río del que se extraía el agua. Este tipo de dispositivo para elevar el agua se utilizaba en la antigua India , anterior, según Pacey, a su uso en el Imperio Romano posterior o en China, [81] aunque la primera evidencia literaria, arqueológica y pictórica de la rueda hidráulica apareció en el mundo helenístico. [82]
Alrededor de 1150, el astrónomo Bhaskara Achārya observó unas ruedas que elevaban el agua y se imaginó que una rueda de este tipo elevaba suficiente agua para reponer el caudal, lo que la convertía en una máquina de movimiento perpetuo . [83] La construcción de obras hidráulicas y aspectos de la tecnología del agua en la India se describen en obras árabes y persas . Durante la época medieval, la difusión de las tecnologías de irrigación indias y persas dio lugar a un sistema de irrigación avanzado que generó crecimiento económico y también ayudó al crecimiento de la cultura material. [84]
Tras la expansión del Islam, los ingenieros del mundo islámico continuaron las tecnologías hidráulicas del antiguo Oriente Próximo, 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, todavía conserva algunas de sus grandes ruedas , en el río Orontes , aunque ya no se utilizan. [85] Una de las 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 , España , La Nora, y aunque la rueda original ha sido reemplazada por una de acero, el sistema morisco durante al-Andalus prácticamente no ha cambiado. Algunas ruedas hidráulicas compartimentadas islámicas medievales podían elevar el agua hasta 30 metros (100 pies). [86] El Kitab al-Hawi de Muhammad ibn Zakariya al-Razi del 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/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). [87]
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. Se utilizaron una variedad de molinos de agua industriales en el mundo islámico, incluidos molinos harineros , descascaradores , aserraderos , molinos navales, molinos de sellos , fábricas de acero , molinos de azúcar y molinos de mareas . 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 . [88] Los ingenieros musulmanes y cristianos también usaban cigüeñales y turbinas de agua , engranajes en molinos de agua y máquinas de extracción de agua , y presas como fuente de agua, utilizadas para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y las máquinas de extracción de agua. [89] Los batanes y las acerías pueden haberse extendido de 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. [90]
Los ingenieros del mundo islámico desarrollaron varias soluciones para lograr el máximo rendimiento de una rueda hidráulica. Una solución fue montarlas en los pilares de los puentes para aprovechar el aumento del flujo. Otra solución fue el molino de barco, 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 Iraq del siglo X , donde grandes molinos de barco hechos de teca y hierro podían producir 10 toneladas de harina de grano todos los días para el granero de Bagdad . [91] El mecanismo del volante de inercia , que se utiliza para suavizar la entrega de energía desde un dispositivo de accionamiento a una máquina accionada, fue inventado por Ibn Bassal ( fl. 1038-1075) de Al-Ándalus ; fue pionero en el uso del volante de inercia en la saqiya ( bomba de cadena ) y la noria. [92] Los ingenieros Al-Jazari en el siglo XIII y Taqi al-Din en el siglo XVI describieron muchas máquinas ingeniosas para extraer agua en sus tratados tecnológicos. También emplearon ruedas hidráulicas para accionar una variedad de dispositivos, incluidos varios relojes de agua y autómatas .
Un desarrollo reciente de la rueda de braza es una rueda hidráulica que incorpora efectivamente sistemas de regulación automática. La Aqualienne es un ejemplo. Genera entre 37 kW y 200 kW de electricidad a partir de un caudal de agua de 20 m3 ( 710 pies cúbicos) con una altura de 1 a 3,5 m (3 a 11 pies). [93] Está diseñada para producir electricidad en los emplazamientos de antiguos molinos de agua.
Las ruedas de sobrealimentación (y en particular las ruedas de sobrealimentación trasera) son el tipo más eficiente; una rueda de acero de sobrealimentación trasera puede ser más eficiente (alrededor del 60%) que todas las turbinas , excepto las más avanzadas y mejor construidas . En algunas situaciones, una rueda de sobrealimentación es preferible a una turbina. [94]
El desarrollo de las ruedas de turbina hidráulicas con su eficiencia mejorada (>67%) abrió un camino alternativo para la instalación de ruedas hidráulicas en molinos existentes o la rehabilitación de molinos abandonados.
La energía disponible para la rueda tiene dos componentes:
La energía cinética se puede tener en cuenta convirtiéndola en una altura equivalente, la altura de velocidad, y sumándola a la altura real. Para agua quieta, la altura de velocidad es cero y, en una buena aproximación, es despreciable para agua que se mueve lentamente y se puede ignorar. La velocidad en el canal de cola no se tiene en cuenta porque, en 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 velocidad con la que se entrega esa energía, que está determinada por el caudal. Se ha estimado que el antiguo molino de Roma, impulsado por burros o esclavos, generaba aproximadamente medio caballo de fuerza , la rueda hidráulica horizontal generaba un poco más de medio caballo de fuerza, la rueda hidráulica vertical de tiro inferior generaba aproximadamente tres caballos de fuerza y la rueda hidráulica medieval de tiro superior generaba entre cuarenta y sesenta caballos de fuerza. [95]
notación punteada
La carga de presión es la diferencia de altura entre las superficies de agua de la pista de cabeza y de la pista de cola. La carga de velocidad se calcula a partir de la velocidad del agua en la pista de cabeza en el mismo lugar desde el que se mide la carga de presión. La velocidad (rapidez) se puede medir mediante el método de los palitos 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 cerca del fondo y de los lados, por lo que se debe aplicar un factor de corrección como en la fórmula siguiente. [96]
Existen muchas formas de medir el caudal volumétrico . Dos de las más sencillas son:
Un desarrollo paralelo es la turbina hidráulica de reacción parcial con rueda, que también incorpora un vertedero en el centro de la rueda, pero utiliza álabes en ángulo con respecto al flujo de agua. La máquina de presión de vástago WICON (SPM) aprovecha este flujo. [102] 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 sugerido mejoras, es decir, la máquina de presión hidráulica rotativa (eficiencia máxima estimada del 85%). [103]
Este tipo de ruedas hidráulicas tienen una alta eficiencia en cargas parciales/caudales variables y pueden operar con caídas muy bajas, < 1 m (3 pies 3 pulgadas). Combinadas con alternadores de imán permanente de flujo axial de accionamiento directo y electrónica de potencia, ofrecen una alternativa viable para la generación de energía hidroeléctrica con caídas bajas .
^ Notación con puntos. Un punto sobre la cantidad indica que se trata de una tasa. En otras palabras, 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 confusiones con v para velocidad.
No es de sorprender que todos los dispositivos de elevación de agua que dependen de ruedas o cilindros subdivididos tengan su origen en el sofisticado y científicamente avanzado período helenístico...
La repentina aparición de evidencia literaria y arqueológica 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 fue inventado 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 improbable que aparezca alguna referencia a la saqiya en las fuentes de la antigua Mesopotamia". En su opinión, deberíamos dirigir nuestra atención a Alejandría, "donde parece plausible suponer que la saqiya fue inventada".
El texto está autorizado por el 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 (Historiarum compendium), un tal Metrodoro que fue a la India alrededor del año 325 d. C. "construyó molinos de agua y baños, desconocidos entre ellos [los brahmanes] hasta entonces".
