הנדסת גלגל מים

גלגל מים, מכשיר מכני להקצאת אנרגיה של מים זורמים או נופלים באמצעות מערכת משוטים המורכבים סביב גלגל. כוח המים הנע מופעל על המשוטים, והסיבוב הנגרם כתוצאה מכך מועבר למכונות דרך פיר הגלגל. גלגל המים היה אולי המקור המוקדם ביותר לאנרגיה מכנית להחלפתו של בני אדם ובעלי חיים, והוא נוצל לראשונה למשימות כגון העלאת מים, מילוי בד וטחינת תבואה.

המרת אנרגיה: גלגלי מים

המכונות הקדומות ביותר היו גלגלי מים, ששימשו לראשונה לטחינת תבואה. לאחר מכן הם אומצו לנהוג במנסרות ובמשאבות, לספק

להלן טיפול קצר בגלגלי מים. לטיפול מלא ראו המרת אנרגיה: גלגלי מים.

השילוב של גלגל מים וקישור הילוכים, לרוב כולל הילוכים, היה מימי הביניים בדרך כלל ייעד לטחנה. מבין שלושת הסוגים המובחנים של טחנות מים, הפשוט ביותר וכנראה המוקדם ביותר היה גלגל אנכי עם משוטים עליהם פעל כוח הנחל. לאחר מכן היה הגלגל האופקי ששימש להנעת אבן ריחיים דרך פיר אנכי המחובר ישירות לגלגל. שלישית הייתה הטחנה המכוונת המונעת על ידי גלגל מים אנכי עם פיר אופקי. זה דרש יותר ידע ומיומנות הנדסית מהשניים הראשונים, אך היה לו פוטנציאל גדול בהרבה. גלגלי מים אנכיים נבדלו גם במיקום של מגע מים עם הגלגל: ראשית, הגלגל התחתון; שנית, גלגל השד; ושלישית, הגלגל המוגזם. גלגלי מים אלה השתמשו בדרך כלל באנרגיה של נחלים נעים, אך טחנות גאות ושפל הופיעו גם במאה ה -11.

לכל סוג של טחנה היו יתרונות וחסרונות מיוחדים. יחסית מעט ידוע על התפתחותם לפני ימי הביניים, אך חלק מהתכונות שלהם מעידים על סדר הופעה במסגרת מורכבות הבנייה ואפשרויות השימוש בהן.

הגלגל האנכי הפשוט דרש מעט מבנה נוסף, אך הכוח וקצב ההמראה של הכוח היו תלויים במאפייני הנחל ובקוטר הגלגל. מכיוון שלא היה מעורב בשינוי כיוון הכוח, גלגל זה הוכיח את עצמו כמועיל ביותר בהעלאת מים תוך שימוש, למשל, במחרוזת של סירים שעבדו על ידי כונן שרשרת.

טחנת הגלגלים האופקית (המכונה לעתים טחנה נורדית או יוונית) הצריכה גם היא מעט עזר, אך היא הייתה מתאימה לטחינה מכיוון שאבן הריחיים העליונה הייתה מקובעת על הציר האנכי. עם זאת, ניתן להשתמש בטחנה רק במקום בו הזרימה הנוכחית מתאימה לטחינה.

טחנת הגלגלים האנכיים בעלי ההילוכים הייתה מגוונת יותר. הבנייה הייתה פשוטה יחסית אם הגלגל היה מהסוג התחתון, מכיוון שאפשר לטבול פשוט את משוטות הגלגלים בזרימת הנחל, בין אם זה נחל, גאות, או חיפוי בנוי על ידי אדם. מכותנת הייתה יכולה לבחור את יחס ההילוכים שלו כך שיתאים לניצול הכוח עם קצב זרימת הנחל, ואת הגלגל ניתן היה להרכיב בקשת גשר או על דוברה המעוגנת במזרח הזרם. ויטרוביוס תיאר את הגלגל האנכי ההילוך הראשון שעבורו יש לנו עדויות טובות. לטחנה זו יש גם חשיבות רבה מכיוון שהיא הייתה היישום הראשון של הילוכים לשימוש אחר מאשר כוח שרירים. לטחנה זו היה גלגל תחתון, ובניגוד לגלגלים השדיים או בעלי המסך, לא השתמשו במשקל של מים נופלים.

טחנות עם חזה גלגלי שיניים וגלגלים מוגזמים דרשו בניית עזר רבה יותר, אך הם אפשרו ניצול כללי ביותר של כוח מים זמין. בעיית בנייה עיקרית הייתה איתור טחנה בה נפילת המים תתאים לקוטר הרצוי של הגלגל. ניתן להשתמש באבקה ארוכה ממעלה הנהר או לסכר.

מעט מאוד ידוע על פרטי התפתחות הטחנות המכוונות בין תקופת ויטרוביוס למאה ה -12. מתקן יוצא מן הכלל היה טחנת התבואה בברבגל הסמוכה לארלס שבצרפת, עם 16 גלגלים מעוטרים מפוצלים, בקוטר 7 מטר (2 מטר), עם ציוד עץ. ההערכה היא כי טחנה זו עשויה לענות על צרכיהם של אוכלוסייה המונה 80,000.

אף על פי ששימשה באימפריה הרומית את הטחנה המותאמת ביותר להילוכים, עם תנאי זרימת הנחל המגוונים שלה, עדויות היסטוריות מצביעות על כך שההשלכות התעשייתיות הדרמטיות ביותר שלה התרחשו במהלך ימי הביניים במערב אירופה. לאחר המאה ה- 13 נראה כי גלגל המים המואר מדי נפוץ יותר מהגלגל התחתון.

הטחנה המכוונת של ימי הביניים הייתה למעשה מנגנון כללי לניצול הכוח. כוחה של טחנת מונע על ידי סוסים או בקר היה קטן בהשוואה לכוח מגלגלי מים מוגזמים, אשר בדרך כלל הניבו שניים עד חמישה כוחות סוס.