Loading AI tools
Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Koło wodne, gatro – urządzenie przekształcające energię przepływu lub spadku wody w inne użyteczne formy energii. Składa się ze zwykle drewnianego lub metalowego koła mającego na obwodzie łopatki, przegrody lub zbiorniki poruszane siłą naporu wody. Koła wodne były w powszechnym użyciu od III wieku p.n.e.[1][2][3], aż do XX wieku i aktualnie są rzadko wykorzystywane komercyjnie. Początkowo były wykorzystywane wyłącznie do napędu młynów wodnych używanych do mielenia zboża. Z czasem zastosowano je do poruszania narzędzi wykorzystywanych w tartakach, papierniach, kuźniach, foluszach, olejarniach, międlarkach w przemyśle włókienniczym, do kruszenia urobku w zakładach hutniczych, mielenia składników w prochowniach itd.
Pod koniec XVIII wieku John Smeaton dokonał opisu fizyki kół wodnych, co przyczyniło się do znacznej poprawy ich wydajności[4][5]. Koła wodne ostatecznie zostały wyparte przez mniejsze i bardziej efektywne turbiny – wynalazek Benoît Fourneyrona, które były w stanie wytrzymać wyższy napór hydrauliczny niż koła wodne o konwencjonalnym rozmiarze[5].
Głównym czynnikiem ograniczającym możliwość konstrukcji koła wodnego jest dostępność płynącej wody lub możliwości budowy kanału lub zapory spiętrzających wodę. Współczesne elektrownie wodne korzystają z napędu wykorzystującego przepływ grawitacyjny wody, analogicznie do koła wodnego.
Koła wodne można podzielić na dwa podstawowe rodzaje konstrukcji[6]:
Pionowe koła wodne można podzielić na dalsze podtypy, w zależności od sposobu dostarczania łotokiem wody do mechanizmu[7][8][9][10]:
 |
 |
 |
 |
 |
Pierwszy znany opis koła wodnego pochodzi z III wieku p.n.e.[11] z Mechanike syntaksis Filona z Bizancjum, gdzie opisane jest zastosowanie koła wodnego do podnoszenia wody i napędu zabawek mechanicznych. Po 35 r. p.n.e. konstrukcję młyna zbożowego, napędzanego kołem wodnym podsiębiernym, przedstawił Witruwiusz w swym dziele De architectura[12]. Generalnie jednak w starożytnej Grecji, jak i w starożytnym Rzymie, w obliczu dostatecznej ilości taniej siły roboczej zwierząt pociągowych i niewolników, koła wodne nie były zbyt rozpowszechnione.
Najstarszy znany wizerunek koła wodnego znajduje się na skradzionej mozaice z Apamei[13].
W niektórych krajach Bliskiego Wschodu i Azji Południowo-Wschodniej koła wodne używane są do dziś do podnoszenia wody. Jest to zapewne najstarsza maszyna poruszana siłą wody. Składa się ona z dużego koła wodnego o średnicy do 20 m, do którego są przymocowane drewniane lub gliniane czerpaki – wraz z obrotem koła, czerpaki podnoszą wodę w górę. Koła takie do tej pory czerpią wodę na przykład z rzeki Asi w Syrii, przelewając ją do akweduktów, którymi woda jest prowadzona na pola. Stosuje się je także w innych krajach Bliskiego Wschodu, używa się go również w Hercegowinie, gdzie wprowadzili je Turcy. W Wietnamie są stosowane koła o średnicy 10–15 m, zbudowane całkowicie z bambusa.
W Europie koła wodne były dość powszechnie stosowane już w XII w. Początkowo były to niewielkie koła podsiębierne, wykonane w całości z drewna, a w ich stosowaniu przodowały klasztory. Koła te miały z reguły moc od 2 do 4 KM. Z czasem młyny zbożowe, folusze i tartaki, napędzane kołem wodnym, stały się powszechnym elementem pejzażu wszędzie tam, gdzie osadnictwo miało dostęp do płynącej wody. W ilustrowanych dopiskach do „Zwierciadła saskiego” pochodzących z 1370 r. przedstawiono już koło wodne nasiębierne[15]. Z średniowiecza pochodzi pierwsza informacja o młynie z kołem wodnym napędzanym przypływami i odpływami morza: w roku 1220 hrabia Holandii Wilhelm I ofiarował swojej żonie jako prezent ślubny taki młyn, usytuowany koło Zierikzee (prowincja Zelandia)[16].
Pierwsze koło wodne w Polsce zbudowano w 1145[11] roku w Łęczycy. Służyło ono do napędu młyna.
Przez sześć wieków koła wodne spełniały rolę najważniejszych silników w dyspozycji ludzkości. Poza wymienionymi wyżej napędzały urządzenia zakładów hutniczych: stępy do rozdrabniania rud oraz młoty i miechy w kuźnicach. Napędzały tokarnie, wiertarki i szlifierki. Zastosowanie w XVI w. kół wodnych do odwadniania kopalń umożliwiło górnictwu rud sięgnięcie do głębiej położonych pokładów. Traktaty z zakresu mechaniki i hydrauliki, jakie pozostawiły nam w spadku wieki XVI-XVIII, zawierają opisy wielu oryginalnych projektów różnych mechanizmów, napędzanych siłą wody. Część z nich została zrealizowana w praktyce.
Tak np. ok. 1272 r. pochodzący z Lukki Francesco Borghegnano uruchomił w Bolonii maszynę do skręcania nitek jedwabiu, napędzaną kołem wodnym. Takie „filatoria”, z których każde mogło zawierać nawet 280 wrzecion, pracowały jeszcze do XIX w.[17] Innym z interesujących urządzeń była siłownia wodna z XVI w., napędzająca pompy wodociągu londyńskiego. Zbudował ją Duńczyk (lub Niemiec?) Peter Moritz w 1582 r. Składało się na nią pięć wielkich kół podsiębiernych, usytuowanych między filarami jednego z mostów na Tamizie. Obracając się, napędzały one zespół pomp, podających wodę do drewnianego zbiornika, skąd następnie ołowianymi rurami była ona rozprowadzana do poszczególnych odbiorców. Wydajność pompowni wynosiła do 18 tys. m³ wody na dobę. Pracowała ona przez ok. 250 lat, tak długo, jak istniał wspomniany most.
Sto lat później, w latach 1681–1682, podobna instalacja powstała we Francji. Służyła do zasilania ogrodów wersalskich. Usytuowana w Marly-le-Roi nad Sekwaną, napędzana była 14 wielkimi kołami wodnymi o średnicy 12 metrów każde. Poruszały one zespół 221 pomp, przepompowujących wodę z Sekwany do dwóch zbiorników pośrednich. Woda podnoszona była na wysokość 162 m i przesyłana żelaznymi rurami. Uzyskiwana moc była stosunkowo niewielka i wynosiła ok. 80 KM. Koszt całej instalacji natomiast był olbrzymi i wyniósł 100 tys. ówczesnych franków. Funkcjonowała ona do 1817 r., kiedy została zastąpiona nowszym rozwiązaniem.
Rozwijający się przemysł potrzebował napędów o coraz to większej mocy. Na czoło wysunęły się Wyspy Brytyjskie, gdzie w XVII w. pojawiły się pierwsze maszyny przędzalnicze, a następnie tkackie. Zaczęło się upowszechniać najwydajniejsze koło nasiębierne, które doszło do wielkich rozmiarów, a do jego konstrukcji zaczęto używać metali. Np. w Szkocji pracowało wykonane z żelaza koło nasiębierne o średnicy 21 m i szerokości 3,8 m. Przy spadku wody wynoszącym ok. 20 m i przepływie ok. 1 m³/s obracało się ono z prędkością 1,3 obr./min. Miało moc 190 KM i znaczną sprawność, wynoszącą ok. 75%. W kopalni rud cynku i ołowiu w Laxey na wyspie Man działało jeszcze większe koło, zbudowane w 1854 r. przez inżyniera Roberta Casementa. Przy średnicy 22 m i 2-4 obrotach na minutę dawało ono moc 185-200 KM, niezbędną do napędu pomp odwadniających kopalnię[18]. Nazwę „Lady Isabella” otrzymało na cześć żony ówczesnego gubernatora wyspy.
W latach 70. i 80. XVIII w. w rosyjskich państwowych kopalniach zaczęło brakować rąk do pracy. Problemem stał się zwłaszcza transport urobku szybami i przeróbka rudy. W jednej z nich technik Kuźma Frołow skonstruował więc siłownię, składającą się z czterech wielkich kół wodnych, usytuowanych kolejno na tym samym cieku wodnym. Woda doprowadzana była kanałem długości 3 km ze specjalnie wybudowanego zbiornika zaporowego. Największe z kół miało średnicę 15 m. Dzięki systemowi kierowania wodą koła mogły pracować niezależnie, zaś koło napędzające maszynę wyciągową było zwrotne[19] i posiadało hamulce.
Koło hydrauliczne to nazwa współczesnego koła wodnego wykorzystywanego do generowania energii elektrycznej. Przykładem komercyjnego wykorzystania koła hydraulicznego jest urządzenie Aqualienne, które generuje prąd o mocy pomiędzy 37 kW a 200 kW przy odpowiednim parciu hydrostatycznym ze strumienia wody o przepływie 20 m³/s[20]. Zostało ono zaprojektowane z myślą o zagospodarowaniu byłych miejsc użytkowania kół wodnych.
Zobacz też: turbina Archimedesa
Najwydajniejszym typem kół wodnych (hydraulicznych) są koła nadsiębierne (zwłaszcza o ruchu przeciwnym do kierunku przepływu wody). Mogą one osiągać wydajność 60–90%[9][21][22], przewyższając tym samym turbiny wodne. Współczesne koła podsiębierne mogą osiągać wydajność 60 – 75%[22][23][24], a w przypadku kół wodnych Ponceleta nawet 80%[25]. Koła śródsiębierne oparte na konstrukcji Alphonse’a Sagebiena mogą osiągać wydajność do 90%[26][27].
Element koła wodnego w heraldyce:
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
