Wasserrad

Ein Wasserrad ist eine Maschine , die die kinetische Energie von fließendem oder fallendem Wasser in nutzbare Energie umwandelt , häufig in einer Wassermühle . Es besteht aus einem großen Rad (meist aus Holz oder Metall), an dessen Außenring zahlreiche Schaufeln oder Becher befestigt sind, die den Antriebsmechanismus bilden. Wasserräder wurden bis weit ins 20. Jahrhundert hinein kommerziell genutzt, sind heute aber nicht mehr weit verbreitet. Sie werden zum Mahlen von Mehl in Getreidemühlen , zum Vermahlen von Holz zu Zellstoff für die Papierherstellung , zum Hämmern von Schmiedeeisen , zur maschinellen Bearbeitung, zum Zerkleinern von Erz und zum Stampfen von Fasern für die Textilherstellung eingesetzt .

Manche Wasserräder werden durch Wasser aus einem Mühlteich gespeist, der durch das Aufstauen eines fließenden Bachs entsteht . Ein Kanal, durch den das Wasser zu oder von einem Wasserrad fließt, wird als Mühlkanal bezeichnet . Der Kanal, der das Wasser vom Mühlteich zum Wasserrad leitet, heißt Oberkanal ; derjenige, der das Wasser nach dem Verlassen des Rades abführt, wird üblicherweise als Unterkanal bezeichnet . ^{[ 1 ]}

Wasserräder wurden in den antiken Zivilisationen des Nahen Ostens , der hellenistischen Welt , Chinas , des Römischen Reiches und Indiens für verschiedene Zwecke eingesetzt, von der Landwirtschaft bis zur Eisenverhüttung . Auch in der nachklassischen Zeit , beispielsweise im mittelalterlichen Europa und im islamischen Goldenen Zeitalter , fanden Wasserräder weiterhin Verwendung . Mitte bis Ende des 18. Jahrhunderts führten John Smeatons wissenschaftliche Untersuchungen des Wasserrads zu deutlichen Effizienzsteigerungen und lieferten so die dringend benötigte Energie für die Industrielle Revolution . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Wasserräder wurden allmählich von der kleineren, kostengünstigeren und effizienteren Turbine verdrängt , die von Benoît Fourneyron ab seinem ersten Modell im Jahr 1827 entwickelt wurde . ^{[ 3 ]} Turbinen können Fallhöhen bewältigen , die die Leistungsfähigkeit von Wasserrädern in praktischer Größe übersteigen.

Die größte Schwierigkeit von Wasserrädern liegt in ihrer Abhängigkeit von fließendem Wasser, was ihre Standortwahl einschränkt. Moderne Wasserkraftwerke können als Nachfolger des Wasserrads betrachtet werden, da auch sie die Gefälleströmung des Wassers nutzen.

Wasserräder gibt es in zwei Grundbauarten: ^{[ 4 ]}

• ein horizontales Rad mit einer vertikalen Achse; oder
• ein senkrechtes Rad mit einer waagerechten Achse.

Letztere lassen sich je nach Auftreffpunkt des Wassers in Rücklauf- (Pitch-Back ^{[ 5 ]} ), Oberlauf-, Brustlauf-, Unterlauf- und Stromlaufräder unterteilen. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Der Begriff Unterlauf kann sich auf jedes Rad beziehen, bei dem das Wasser unter dem Rad hindurchfließt ^{[ 9 ]} , impliziert aber üblicherweise einen niedrigen Wassereintrittspunkt.

Oberschlächtige und hinterschlächtige Wasserräder kommen typischerweise dort zum Einsatz, wo der Höhenunterschied mehr als ein paar Meter beträgt. Brustschlächtige Räder eignen sich besser für große Wassermengen bei mäßiger Fallhöhe . Unterschlächtige und Bachräder nutzen große Wassermengen bei geringer oder keiner Fallhöhe.

Oftmals gibt es einen zugehörigen Mühlteich , ein Reservoir zur Speicherung von Wasser und damit von Energie bis zum Bedarf. Größere Fallhöhen speichern bei gleicher Wassermenge mehr potenzielle Energie, daher sind die Reservoirs für ober- und hinterschlächtige Wasserräder tendenziell kleiner als für vorderschlächtige.

Oberschlächtige und rückschlächtige Wasserräder eignen sich für kleine Bäche mit einem Höhenunterschied von mehr als 2 Metern, oft in Verbindung mit einem kleinen Stausee. Mittelschlächtige und unterschlächtige Wasserräder können an Flüssen oder bei hohem Wasserdurchfluss mit großen Stauseen eingesetzt werden.

Vertikalachsenmühlen, auch als Wannenmühlen oder nordische Mühlen bekannt. Horizontales Rad mit vertikaler Achse Ein Wasserstrahl trifft auf an der Achse befestigte Schaufeln. Antriebsflächen – Schaufeln Wasser – geringes Volumen, hohe Förderhöhe Effizienz – schlecht
Strömungsrad (auch als Freispiegelrad bekannt ). Schiffsräder sind eine Art Strömungsrad. Vertikales Rad mit horizontaler Achse Der untere Teil des Rades wird in fließendes Wasser gestellt. Antriebsflächen – Klingen – flach vor dem 18. Jahrhundert, danach gebogen Wasser – sehr großes Volumen, kein Druck Wirkungsgrad – etwa 20 % vor dem 18. Jahrhundert und später 50 bis 60 %
Unterschuss Vertikales Rad mit horizontaler Achse Das Wasser trifft das Rad im unteren Bereich, typischerweise im unteren Viertel. Antriebsflächen – Klingen – flach vor dem 18. Jahrhundert, danach gebogen Wasser – großes Volumen, geringe Fallhöhe Wirkungsgrad – etwa 20 % vor dem 18. Jahrhundert und später 50 bis 60 %
Brustaufnahme Vertikales Rad mit horizontaler Achse Das Wasser trifft ungefähr in der Mitte auf das Rad, typischerweise zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Höhe. Fahrflächen – Schaufeln – sorgfältig geformt, um einen reibungslosen Wassereintritt zu gewährleisten Wasser – großes Volumen, mäßiger Druck Effizienz – 50 bis 60 %
Überschuss Vertikales Rad mit horizontaler Achse Das Wasser trifft nahe dem oberen Rand des Rades und vor der Achse auf, sodass es vom Kopfkanal weggeleitet wird. Fahrflächen – Schaufeln Wasser – geringes Volumen, große Druckhöhe Effizienz – 80 bis 90 %
Rückwurf (auch bekannt als Pitchback) Vertikales Rad mit horizontaler Achse Das Wasser trifft nahe dem oberen Rand des Rades und vor der Achse auf, sodass es zurück zum Hauptlaufkanal gelenkt wird. Fahrflächen – Schaufeln Wasser – geringes Volumen, große Druckhöhe Effizienz – 80 bis 90 %

Ein horizontales Rad mit einer vertikalen Achse.

Das Wasserrad , auch als Rohrmühle , nordische Mühle oder griechische Mühle bekannt ^{[ 10 ] [ 11 ],} ist eine primitive und ineffiziente Form der modernen Turbine. Liefert es jedoch die benötigte Leistung, ist der Wirkungsgrad zweitrangig. Es ist üblicherweise im Inneren eines Mühlengebäudes unterhalb der Arbeitsebene montiert. Ein Wasserstrahl trifft auf die Schaufeln des Wasserrads und versetzt sie in Drehung. Es handelt sich um ein einfaches System, das in der Regel ohne Getriebe auskommt, sodass die vertikale Achse des Wasserrads die Antriebsspindel der Mühle bildet.

Ein Dampfrad ^{[ 6 ] [ 12 ]} ist ein vertikal montiertes Wasserrad, das durch das Wasser in einem Wasserlauf angetrieben wird, indem es auf Schaufeln oder Flügel am unteren Ende des Rades trifft. Dieser Wasserradtyp ist der älteste Typ von Wasserrädern mit horizontaler Achse. Sie werden auch als Freilaufräder bezeichnet , da das Wasser nicht durch Mühlgräben oder Radgruben eingeschränkt wird.

Wasserräder sind kostengünstiger und einfacher zu bauen und umweltschonender als andere Radtypen. Sie verändern den Flusslauf nicht wesentlich. Zu ihren Nachteilen zählt ihr geringer Wirkungsgrad, wodurch sie weniger Energie erzeugen und nur bei ausreichendem Wasserdurchfluss eingesetzt werden können. Ein typisches Flachbrett-Unterschlächtiges Wasserrad nutzt etwa 20 Prozent der Energie des auftreffenden Wassers, wie der englische Bauingenieur John Smeaton im 18. Jahrhundert maß. ^{[ 13 ]} Modernere Wasserräder weisen einen höheren Wirkungsgrad auf.

Strömungsräder profitieren kaum oder gar nicht von der Fallhöhe, also einem Unterschied im Wasserspiegel.

Auf schwimmenden Plattformen montierte Wasserräder werden oft als Hüfträder und die Mühle als Schiffsmühle bezeichnet . Sie wurden manchmal unmittelbar stromabwärts von Brücken montiert , wo die Strömungsbehinderung durch die Brückenpfeiler die Strömungsgeschwindigkeit erhöhte.

Historisch gesehen waren sie sehr ineffizient, aber im 18. Jahrhundert wurden bedeutende Fortschritte erzielt. ^{[ 14 ]}

Ein unterschlächtiges Wasserrad ist ein vertikal montiertes Wasserrad mit einer horizontalen Achse, die durch das Wasser angetrieben wird, das von einem niedrigen Wehr im unteren Viertel auf das Rad trifft. Der größte Teil der Energiegewinnung stammt aus der Wasserbewegung und vergleichsweise wenig aus der Fallhöhe. Funktionsweise und Konstruktion ähneln denen von Dampfrädern.

Der Begriff Unterschuss wird manchmal mit verwandten, aber unterschiedlichen Bedeutungen verwendet:

• alle Räder, bei denen das Wasser unter dem Rad hindurchfließt ^{[ 15 ]}
• Räder, bei denen das Wasser im unteren Viertel eintritt.
• Räder, bei denen Schaufelräder in den Wasserstrom eingesetzt werden. Siehe den oben abgebildeten Bach. ^{[ 16 ] [ 12 ]}

Dies ist die älteste Art von vertikalem Wasserrad.

Der Begriff „Brustschuss“ wird unterschiedlich verwendet. Einige Autoren beschränken ihn auf Wasserräder, bei denen das Wasser etwa auf 10 Uhr eintritt, andere auf 9 Uhr und wieder andere auf einen Bereich von Höhen. ^{[ 17 ]} In diesem Artikel wird er für Wasserräder verwendet, bei denen der Wassereintritt deutlich oberhalb des Bodens und deutlich unterhalb des oberen Randes liegt, typischerweise in der mittleren Hälfte.

Sie zeichnen sich aus durch:

• Eimer, die so geformt sind, dass die Turbulenzen beim Wassereintritt minimiert werden
• Eimer mit seitlichen Belüftungslöchern, damit die Luft beim Einlaufen des Wassers entweichen kann.
• Eine gemauerte „Schürze“, die sich eng an die Radfläche anschmiegt und dazu beiträgt, das Wasser in den Eimern während ihrer Abwärtsbewegung zurückzuhalten.

Es werden sowohl kinetische (Bewegungs-) als auch potenzielle (Größe und Gewicht) Energie genutzt.

Der geringe Abstand zwischen Rad und Mauerwerk erfordert, dass ein Brustschlittenrad über einen guten Schmutzfangkorb (im britischen Englisch „screen“) verfügt, um zu verhindern, dass sich Schmutz zwischen Rad und Schürze verklemmt und möglicherweise schwere Schäden verursacht.

Brustschlittenräder sind weniger effizient als Oberschlitten- und Hinterschlittenräder, können aber hohe Durchflussmengen und damit hohe Leistungen bewältigen. Sie eignen sich besonders für gleichmäßige, hohe Fördermengen, wie sie beispielsweise entlang der Falllinie an der nordamerikanischen Ostküste vorkommen. Brustschlittenräder sind in den Vereinigten Staaten von Amerika am weitesten verbreitet und gelten als treibende Kraft der industriellen Revolution. ^{[ 14 ]}

Ein vertikal montiertes Wasserrad, das durch Wasser angetrieben wird, das in Schaufeln knapp hinter dem oberen Radkopf eintritt, wird als oberschlächtiges Wasserrad bezeichnet. Der Begriff wird manchmal fälschlicherweise auch für rückschlächtige Wasserräder verwendet, bei denen das Wasser hinter dem Rad nach unten fließt.

Bei einem typischen oberschlächtigen Wasserrad wird das Wasser oben, etwas hinter der Achse, zum Rad geleitet. Das Wasser sammelt sich in den Schaufeln auf dieser Seite des Rades und ist dadurch schwerer als auf der anderen, „leeren“ Seite. Durch dieses Gewicht dreht sich das Rad, und das Wasser fließt in den Unterwasserkanal, sobald sich das Rad so weit gedreht hat, dass sich die Schaufeln umdrehen. Die oberschlächtige Bauweise ist sehr effizient; sie erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 90 % ^{[ 18 ]} und benötigt keine hohe Durchflussrate.

Nahezu die gesamte Energie wird durch das Gewicht des in den Unterwasserkanal abgesenkten Wassers gewonnen, wobei die kinetische Energie des in das Wasserrad eintretenden Wassers einen geringen Beitrag leistet. Sie eignen sich für größere Fallhöhen als andere Wasserradtypen und sind daher ideal für hügelige Gebiete. Selbst das größte Wasserrad, das Laxey Wheel auf der Isle of Man , nutzt jedoch nur eine Fallhöhe von etwa 30 Metern. Die weltweit größten Turbinen, beispielsweise im Wasserkraftwerk Bieudron in der Schweiz , nutzen eine Fallhöhe von etwa 1.869 Metern.

Oberschlächtige Wasserräder benötigen im Vergleich zu anderen Radtypen eine große Fallhöhe, was in der Regel erhebliche Investitionen in den Bau des Zulaufkanals erfordert. Manchmal erfolgt der letzte Zulauf des Wassers zum Rad über eine Rinne oder eine Druckrohrleitung , die mitunter lang sein kann.

Ein rückläufiges Wasserrad (auch als Pitchback-Wasserrad bezeichnet ) ist eine Variante des oberschlächtigen Wasserrads, bei dem das Wasser kurz vor dem Scheitelpunkt des Rades eingeleitet wird. In vielen Fällen bietet es den Vorteil, dass sich der untere Teil des Rades in die gleiche Richtung wie das Wasser im Unterwasserkanal bewegt, was die Effizienz steigert. Es arbeitet auch bei Hochwasser, wenn der Wasserstand den unteren Teil des Rades überfluten kann, besser als ein oberschlächtiges Wasserrad. Es dreht sich so lange, bis das Wasser im Radbecken hoch genug steht. Dadurch eignet sich diese Technik besonders für Flüsse mit starken Abflussschwankungen und reduziert die Größe, Komplexität und somit die Kosten des Unterwasserkanals.

Die Drehrichtung eines rückwärtslaufenden Spinnrads ist dieselbe wie die eines vorwärtslaufenden Spinnrads, ansonsten ähnelt es aber sehr dem oberwärtslaufenden Spinnrad. Siehe unten.

Manche Wasserräder sind oben überschlächtig und unten hinterschlächtig, wodurch potenziell die besten Eigenschaften beider Bauarten vereint werden. Das Foto zeigt ein Beispiel in der Finch Foundry in Devon, Großbritannien. Der Wasserkanal ist die darüberliegende Holzkonstruktion, und ein Abzweig links versorgt das Wasserrad mit Wasser. Das Wasser tritt unterhalb des Rades wieder in den Bach aus.

Eine besondere Art von oberschlächtigem Wasserrad ist das reversible Wasserrad. Es besitzt zwei Schaufelradsätze, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, sodass es sich je nach Wasserzufuhr in beide Richtungen drehen kann. Reversible Wasserräder wurden im Bergbau eingesetzt , um verschiedene Förderanlagen für Erz zu betreiben. Durch Ändern der Drehrichtung des Rades konnten Fässer oder Körbe mit Erz in einen Schacht oder eine schiefe Ebene befördert werden. Üblicherweise befand sich auf der Achse des Rades eine Seiltrommel oder ein Kettenkorb. Unverzichtbar ist eine Bremsvorrichtung (Bremsrad), um das Rad anhalten zu können. Die älteste bekannte Zeichnung eines reversiblen Wasserrades stammt von Georgius Agricola aus dem Jahr 1556.

Wie bei allen Maschinen ist die Drehbewegung bei Wasserförderanlagen effizienter als die Schwingbewegung. ^{[ 19 ]} Wasserräder können entweder durch menschliche oder tierische Kraft oder durch die Wasserströmung selbst angetrieben werden. Es gibt zwei Grundbauarten von Wasserrädern: solche mit vertikaler und solche mit horizontaler Achse. Letztere lassen sich, je nachdem, wo das Wasser auf die Schaufeln trifft, in oberschlächtige, mittelschlächtige und unterschlächtige Wasserräder unterteilen. Historisch gesehen dienten Wasserräder hauptsächlich der Wasserförderung zur Bewässerung und dem Mahlen, insbesondere von Getreide. Bei Mühlen mit horizontaler Achse ist ein Getriebe zur Kraftübertragung erforderlich, bei Mühlen mit vertikaler Achse hingegen nicht.

Das Wasserrad tauchte erstmals im Alten Nahen Osten [ ^{20 ] [ 21 ] [ 22 ], genauer} gesagt im alten Ägypten , im 4. Jahrhundert v. Chr. auf. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 21 ]} Auch in anderen Teilen des Nahen Ostens gibt es archäologische Hinweise auf die mögliche Nutzung von Wasserrädern in Westasien im 4. Jahrhundert v. Chr. ^{[ 24 ]} , jedoch fehlen literarische Belege für die Nutzung von Wasserrädern in Mesopotamien ^{[ 25 ] [ 26 ]} vor dem 3. Jahrhundert v. Chr. ^{[ 27 ] [ 28 ]} . Im Nahen Osten wurde das Wasserrad ab dem 3. Jahrhundert v. Chr. zum Bewegen von Mühlsteinen und zum Mahlen von Getreide in kleinem Maßstab verwendet . ^{[ 20 ]} Terry S. Reynolds vermutet, dass die ersten Wasserräder Norias waren und sich bis zum 2. Jahrhundert v. Chr. in Syrien und Kleinasien zur vertikalen Wassermühle weiterentwickelten , von wo aus sie sich nach Griechenland und ins Römische Reich verbreiteten . ^{[ 29 ]} Wasserräder wurden im Nahen Osten während der hellenistischen Zeit zwischen dem 3. und 1. Jahrhundert v. Chr. verwendet, ^{[ 30 ]} und die Sāqiya verbreitete sich in dieser Zeit rasch im gesamten Nahen Osten. ^{[ 31 ]}

Das unterteilte Wasserrad existierte in zwei Grundformen: dem Rad mit unterteiltem Körper ( lateinisch Tympanum ) und dem Rad mit unterteiltem Felgenrand oder einem Felgenrand mit separaten, daran befestigten Behältern. ^{[ 19 ]} Die Räder konnten entweder von Menschen durch Treten auf der Außenseite oder von Tieren mithilfe eines Sakia- Getriebes angetrieben werden. ^{[ 32 ]} Obwohl das Tympanum eine große Förderleistung besaß, konnte es das Wasser nur bis zu einer Höhe unterhalb seines eigenen Radius heben und benötigte ein hohes Drehmoment zum Drehen. ^{[ 32 ]} Diese Konstruktionsmängel wurden durch das Rad mit unterteiltem Felgenrand behoben, das leichter war und eine höhere Förderhöhe aufwies. ^{[ 33 ]}

Bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. gab es im alten Ägypten von Schaufelrädern angetriebene Wasserräder . ^{[ 34 ] [ 23 ]} Die Ägypter gelten als Erfinder des Wasserrads mit angebrachten Töpfen, des Wasserrads mit Wasserkammern und der Eimerkette, die über eine Rolle mit daran befestigten Eimern lief. Die Erfindung des unterteilten Wasserrads erfolgte im alten Ägypten um das 4. Jahrhundert v. Chr. in einem ländlichen Kontext, fernab der hellenistischen Metropole Alexandria , und verbreitete sich anschließend in andere Teile Nordafrikas . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 21 ]}

Laut John Peter Oleson tauchten sowohl das unterteilte Wasserrad als auch die hydraulische Noria im 4. Jahrhundert v. Chr. in Ägypten auf, wobei die Sakia ein Jahrhundert später erfunden wurde. Dies wird durch archäologische Funde in Faijum gestützt , wo der älteste archäologische Beleg für ein Wasserrad in Form einer Sakia aus dem 3. Jahrhundert v. Chr. gefunden wurde. Ein ebenfalls in Faijum gefundener Papyrus aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. erwähnt ein zur Bewässerung genutztes Wasserrad, ein Fresko aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. aus Alexandria zeigt eine unterteilte Sakia, und die Schriften des Kallixenos von Rhodos erwähnen die Verwendung einer Sakia im ptolemäischen Ägypten während der Herrschaft von Ptolemaios IV . im späten 3. Jahrhundert v. Chr. ^{[ 35 ] [ 23 ] [ 21 ]}

Im ptolemäischen Ägypten wurden Wasserräder zwischen dem 3. und 1. Jahrhundert v. Chr. eingesetzt. ^{[ 30 ]} Die früheste literarische Erwähnung eines wasserbetriebenen, unterteilten Rades findet sich in einer mittelalterlichen arabischen Übersetzung der „Pneumatica“ (Kap. 61) von Philo von Byzanz ( ca. 280–220  v. Chr. ), der dessen Verwendung in der ägyptischen Bewässerung beschreibt. ^{[ 36 ]} In seinen „Parasceuastica“ (91,43–44) empfiehlt Philo den Einsatz solcher Räder zum Überfluten von Belagerungsminen als Verteidigungsmaßnahme gegen feindliches Sabotagefeuer. ^{[ 37 ]} Anders als andere Wasserhebevorrichtungen und Pumpen jener Zeit lässt sich die Erfindung des unterteilten Rades keinem bestimmten hellenistischen Ingenieur zuordnen und erfolgte möglicherweise im späten 4. Jahrhundert v. Chr. in einem ländlichen ägyptischen Kontext fernab der hellenistischen Metropole Alexandria. Die Ursprünge der Wasserkraftnutzung werden eher der Realität des ländlichen Lebens entlang des Nils in Ägypten zugeschrieben als dem intellektuellen Zentrum Alexandrias, das keinen geeigneten Bach zum Antrieb eines Schaufelrads besaß. ^{[ 21 ]} Unter der Herrschaft von Ptolemaios IV. (221–205 v. Chr.) scheinen später in Alexandria unter der Herrschaft von Ptolemaios IV . (221–205 v. Chr.) Schaufelräder mit mehreren Kammern das Mittel der Wahl zum Entwässern von Trockendocks gewesen zu sein. ^{[ 37 ]} Mehrere griechische Papyri aus dem ptolemäischen Ägypten des 3. und 2. Jahrhunderts v. Chr. erwähnen die Verwendung dieser Räder, liefern aber keine weiteren Details. ^{[ 37 ]}

Die früheste Darstellung eines unterteilten Wasserrads stammt aus einer Grabmalerei im ptolemäischen Ägypten aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. Sie zeigt ein Ochsenpaar, das das Rad über ein Sakia- Getriebe antreibt, welches hier ebenfalls erstmals belegt ist. ^{[ 38 ]} Das Sakia-Getriebesystem ist bereits so weit entwickelt, dass „moderne ägyptische Vorrichtungen nahezu identisch sind“. ^{[ 38 ]} Es wird vermutet, dass Wissenschaftler oder Techniker des Museums von Alexandria an seiner Entwicklung beteiligt waren. ^{[ 39 ]} Eine Episode aus dem Alexandrinischen Krieg von 48 v. Chr. berichtet, wie Cäsars Feinde mit Zahnradantrieb Wasserräder einsetzten, um Meerwasser von erhöhten Stellen auf die eingeschlossenen Römer zu gießen. ^{[ 40 ]}

Die Erfindung der Wassermühle ist Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. ^{[ 41 ]} Laut der Historikerin Helaine Selin gibt es Hinweise darauf, dass die Wassermühle vor 350 v. Chr. im Persischen Reich entstand , vermutlich im Gebiet des heutigen Iran oder Irak , und ursprünglich zum Mahlen von Getreide diente . In Iran und am Oberlauf des Tigris in der heutigen Türkei gab es Steinbrüche, die für ihre Mühlsteine ​​bekannt waren . Die zu dieser Zeit erfundenen Mühlen besaßen horizontale, propellerartige Wasserräder, die die Mühlsteine ​​direkt antrieben. ^{[ 24 ]} Allerdings fehlen schriftliche Belege für die Verwendung von Wasserrädern im damaligen Mesopotamien . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Unter Berücksichtigung indirekter Belege aus den Arbeiten des griechischen Technikers Apollonius von Perge vermutet der britische Technikhistoriker M. J. T. Lewis, dass die Wassermühle mit vertikaler Achse im frühen 3. Jahrhundert v. Chr. und die mit horizontaler Achse um 240 v. Chr. auftrat. Als Erfindungsorte nennt er Byzanz (in Kleinasien ) und Alexandria (im ptolemäischen Ägypten). ^{[ 42 ]} Örjan Wikander merkt jedoch an, dass diese Hypothese Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen sei. ^{[ 41 ]} Der griechische Geograph Strabon ( ca. 64 v. Chr.  – ca. 24 n. Chr. ) berichtet von einer Wassermühle, die vor 71 v. Chr. im Palast des pontischen Königs Mithridates VI. Eupator existierte , deren genaue Konstruktion dem Text jedoch nicht entnommen werden kann (XII, 3, 30 C 556). ^{[ 43 ]}

Laut Joseph Needham und anderen Historikern lässt der Text Xin Lun , verfasst von Huan Tan um 20 n. Chr. (während der Usurpation von Wang Mang ), darauf schließen, dass Wasserräder zum Mahlen von Getreide in Mühlen eingesetzt wurden. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} Im Xin Lun heißt es, der legendäre mythologische König Fu Xi sei für die Erfindung von Mörser und Stößel verantwortlich gewesen, aus denen sich der Kipphammer und schließlich der Fallhammer entwickelten (siehe Fallhammer ). Obwohl der Autor vom mythologischen Fu Xi spricht, deutet eine Passage seines Werkes darauf hin, dass das Wasserrad im 1. Jahrhundert n. Chr. in China bereits weit verbreitet war ( Wade-Giles -Schreibung).

Fu Xi erfand den Stößel und Mörser, der sich als äußerst nützlich erwies. Später wurde er so geschickt verbessert, dass das gesamte Körpergewicht zum Treten des Stampfhammers ( Tui ) genutzt werden konnte, wodurch die Effizienz um das Zehnfache gesteigert wurde. Anschließend wurde die Kraft von Tieren – Eseln, Maultieren, Ochsen und Pferden – mithilfe von Maschinen eingesetzt, und auch Wasserkraft wurde zum Stampfen verwendet, wodurch der Nutzen um das Hundertfache erhöht wurde. ^{[ 45 ]}

Im Jahr 31 n. Chr. wandte der Ingenieur und Präfekt von Nanyang , Du Shi (gest. 38), eine komplexe Methode zur Nutzung des Wasserrads und weiterer Maschinen an, um die Blasebälge des Hochofens zur Herstellung von Gusseisen anzutreiben . Du Shi wird im Buch der Späteren Han-Dynastie ( Hou Han Shu ) kurz wie folgt erwähnt (in Wade-Giles-Schreibung):

Im siebten Jahr der Qinwu-Ära (31 n. Chr.) wurde Tu Shih zum Präfekten von Nanyang ernannt. Er war ein großzügiger Mann und verfolgte eine friedliche Politik; er ging gegen Übeltäter vor und sicherte die Würde seines Amtes. Er war ein geschickter Planer, liebte das einfache Volk und wollte dessen Arbeit erleichtern. Er erfand einen wasserbetriebenen Hubbalg ( Shui Phai ) zum Gießen von landwirtschaftlichen Geräten aus Eisen. Diejenigen, die schmiedeten und gossen, besaßen bereits Blasebälge zum Anheizen ihrer Holzkohlefeuer; nun wurden sie angewiesen, die Strömung des Wassers ( Chi Shui ) zum Betrieb des Balgs zu nutzen. So profitierte das Volk mit geringem Arbeitsaufwand erheblich. Der wasserbetriebene Blasebalg erwies sich als praktisch und fand weite Verbreitung. ^{[ 47 ]}

Laut dem Buch Jin erfand Zhang Heng ( 78–139) um 130 eine wasserbetriebene Armillarsphäre , die sich durch Wasseraustritt „drehen“ konnte. Spätere Generationen vermuteten, dass es sich dabei um ein Wasserrad handelte. ^{[ 48 ]}

Laut den Aufzeichnungen der Drei Reiche nutzte der Maschinenbauingenieur Ma Jun (ca. 200–265) aus Cao Wei ein Wasserrad, um ein großes mechanisches Puppentheater für Kaiser Ming von Wei ( Regierungszeit 226–239) anzutreiben. ^{[ 49 ]} Die Vorrichtung war aus großen Holzstücken geschnitzt, radförmig und parallel zum Boden betrieben, um Wasser anzuheben und so verschiedene Puppen sowie Mühlen mit Stößel anzutreiben. ^{[ 50 ]} Der Präfekt Han Ji wurde vor 238 zum Leiter der Metallurgie ernannt. Er „passte den Ofenbalg an die Nutzung von ständig fließendem Wasser an, wodurch eine dreifach höhere Effizienz als zuvor erreicht wurde.“ ^{[ 47 ]} Zwanzig Jahre später wurde eine neue Konstruktion von einem Mann namens Du Yu eingeführt. ^{[ 47 ]} Eine Aufzeichnung aus dem Jahr 263 oder später erwähnt eine Vorrichtung namens Shui Dui , die Wasserräder nutzte.

Am Flussufer wird ein Shui Dui errichtet, hinter dem Wasserräder angebracht sind. Ein Querbalken verläuft durch die Räder. Die beiden Enden des Querbalkens sind abwechselnd mit einem etwa zwei Chi langen Holzstück verbunden, das direkt auf das hintere Holz des Shui Dui trifft. Wird das Wasser angehoben, dreht sich das Rad und treibt so das Holzstück an, das wiederum auf das hintere Holz des Shui Dui trifft, um das Getreide zu schälen – ganz ohne menschliche Kraft. Daher wird diese Vorrichtung Shui Dui genannt. ^{[ 44 ]}

Zu Beginn der Yuanjia-Ära (424–429) wurde ein künstlicher See für wasserbetriebene Blasebälge angelegt, die in Schmelz- und Gießereien zum Einsatz kamen. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Erdarbeiten des Sees undicht und für ihren Zweck unzureichend waren. Sie wurden abgerissen und durch handbetriebene „Tretmühlen-Blasbälge“ ersetzt. ^{[ 51 ]}

Abfolge von Rädern, die in Rio Tinto-Minen gefunden wurden

Entwässerungsrad aus den Rio Tinto-Minen

Ein Gedicht des Thessalonichers pries das Wasserrad, weil es die Frauen von der anstrengenden Arbeit des Mahlens und Schrotens befreite. ^{[ 52 ] [ 53 ]}

Um 300 n. Chr. wurde die Noria eingeführt, als die hölzernen Behälter durch preiswerte Keramiktöpfe ersetzt wurden, die außen an einem offenen Rad befestigt wurden. ^{[ 21 ]}

Die erste eindeutige Beschreibung einer Wassermühle mit Zahnradantrieb stammt vom römischen Architekten Vitruv aus dem späten 1. Jahrhundert v. Chr., der die Anwendung des Sakia-Zahnradsystems bei einer Wassermühle beschreibt. ^{[ 54 ]} Vitruvs Bericht ist besonders wertvoll, da er die Entstehung der Wassermühle aufzeigt: die Kombination der beiden griechischen Erfindungen Zahnrad und Wasserrad zu einem effektiven mechanischen System zur Nutzung der Wasserkraft. ^{[ 55 ]} Vitruvs Wasserrad wird als mit dem unteren Ende im Wasserlauf eingetaucht beschrieben, sodass die Schaufelräder durch die Strömung des Wassers angetrieben wurden (X, 5.2). ^{[ 56 ]}

Etwa zur gleichen Zeit erscheint das oberschlächtige Wasserrad erstmals in einem Gedicht des Antipater von Thessaloniki , der es als arbeitssparende Vorrichtung preist (IX, 418.4–6). ^{[ 57 ]} Auch Lukrez (ca. 99–55 v. Chr.) greift dieses Motiv auf und vergleicht die Rotation des Wasserrads mit der Bewegung der Sterne am Firmament (V 516). ^{[ 58 ]} Der dritte Typ mit horizontaler Achse, das brustschlächtige Wasserrad, ist im späten 2. Jahrhundert n. Chr. in Zentralgallien archäologisch belegt . [ ^{59 ] Die} meisten ausgegrabenen römischen Wassermühlen waren mit einem dieser Räder ausgestattet, die zwar komplexer zu konstruieren waren, aber wesentlich effizienter als das Wasserrad mit vertikaler Achse. ^{[ 60 ]} Im Wassermühlenkomplex von Barbegal aus dem 2. Jahrhundert n. Chr. wurde eine Reihe von sechzehn oberschlächtigen Wasserrädern über einen künstlichen Aquädukt gespeist. Es handelte sich um eine protoindustrielle Getreidefabrik, die als „die größte bekannte Konzentration mechanischer Kraft in der Antike“ bezeichnet wurde. ^{[ 61 ]}

Im römischen Nordafrika wurden um 300 n. Chr. mehrere Anlagen gefunden, bei denen vertikalachsige Wasserräder mit schräg gestellten Schaufeln am Boden eines mit Wasser gefüllten, kreisförmigen Schachts installiert waren. Das Wasser aus dem Mühlgraben, das tangential in die Grube mündete, erzeugte eine wirbelnde Wassersäule, die das vollständig untergetauchte Rad wie eine echte Wasserturbine wirken ließ – die frühesten bisher bekannten Anlagen dieser Art. ^{[ 62 ]}

Abgesehen von seiner Verwendung zum Mahlen und zur Wasserförderung nutzten antike Ingenieure das Schaufelrad für Automaten und in der Schifffahrt. Vitruv (X 9,5–7) beschreibt mehrstufige Schaufelräder, die als Schiffskilometerzähler dienten – die frühesten ihrer Art. Die erste Erwähnung von Schaufelrädern als Antriebsmittel findet sich in der Militärschrift „De Rebus Bellicis“ (Kapitel XVII) aus dem 4./5. Jahrhundert , in der der anonyme römische Autor ein von Ochsen angetriebenes Schaufelrad-Kriegsschiff beschreibt. ^{[ 63 ]}

Nach der Ausbreitung des Islams führten Ingenieure der islamischen Welt die Wassertechnologien des Alten Nahen Ostens fort, wie die Ausgrabung eines Kanals in der Region Basra mit Überresten eines Wasserrads aus dem 7. Jahrhundert belegt. In Hama ( Syrien) sind am Fluss Orontes noch einige große Wasserräder erhalten , obwohl sie nicht mehr in Betrieb sind. ^{[ 64 ]} Eines der größten hatte einen Durchmesser von etwa 20 Metern und sein Radkranz war in 120 Kammern unterteilt. Ein weiteres, noch funktionierendes Wasserrad befindet sich in La Nora ( Spanien) in Murcia . Obwohl das ursprüngliche Rad durch ein Stahlrad ersetzt wurde, ist das maurische System aus al-Andalus ansonsten nahezu unverändert. Einige mittelalterliche islamische Wasserräder mit Kammern konnten Wasser bis zu 30 Meter hoch heben. ^{[ 65 ]} Muhammad ibn Zakariya al-Razi beschrieb in seinem im 10. Jahrhundert erschienenen Werk „Kitab al-Hawi“ eine Noria im Irak, die bis zu 153.000 Liter pro Stunde (34.000 imp gal/h) bzw. 2.550 Liter pro Minute (560 imp gal/min) fördern konnte. Dies ist vergleichbar mit der Leistung moderner Norias in Ostasien , die bis zu 288.000 Liter pro Stunde (63.000 imp gal/h) bzw. 4.800 Liter pro Minute (1.100 imp gal/min) fördern können. ^{[ 66 ]}

Die industrielle Nutzung von Wassermühlen in der islamischen Welt lässt sich bis ins 7. Jahrhundert zurückverfolgen, wobei horizontal und vertikal angetriebene Wassermühlen im 9. Jahrhundert weit verbreitet waren. In der islamischen Welt wurden verschiedene industrielle Wassermühlen eingesetzt, darunter Getreidemühlen , Schälmühlen , Sägewerke , Schiffsmühlen, Stampfmühlen , Stahlwerke , Zuckermühlen und Gezeitenmühlen . Im 11. Jahrhundert waren diese industriellen Wassermühlen in allen Provinzen der islamischen Welt in Betrieb, von al-Andalus und Nordafrika bis zum Nahen Osten und Zentralasien . ^{[ 67 ]} Muslimische Ingenieure nutzten auch Kurbelwellen und Wasserturbinen , Zahnräder in Wassermühlen und Hebeanlagen sowie Staudämme als Wasserquelle, um Wassermühlen und Hebeanlagen mit zusätzlicher Energie zu versorgen. [ ^{68 ] Walkmühlen} und Stahlwerke verbreiteten sich möglicherweise im 12. Jahrhundert vom islamischen Spanien ins christliche Spanien. Industrielle Wassermühlen wurden auch in großen Fabrikkomplexen eingesetzt, die zwischen dem 11. und 13. Jahrhundert in al-Andalus errichtet wurden. ^{[ 69 ]}

Die Ingenieure der islamischen Welt entwickelten verschiedene Lösungen, um die maximale Leistung von Wasserrädern zu erzielen. Eine Lösung bestand darin, sie an Brückenpfeilern zu montieren, um den erhöhten Wasserdurchfluss auszunutzen. Eine andere Lösung war die Schiffsmühle, eine Art Wassermühle, die von Wasserrädern angetrieben wurde, die an den Seiten von Schiffen befestigt waren , die mitten im Fluss vor Anker lagen . Diese Technik wurde im Irak des 10. Jahrhunderts entlang des Tigris und Euphrat eingesetzt , wo große Schiffsmühlen aus Teakholz und Eisen täglich 10 Tonnen Mehl aus Getreide für den Kornspeicher in Bagdad produzieren konnten . ^{[ 70 ]} Der Schwungradmechanismus , der die Kraftübertragung von einem Antriebsgerät auf eine angetriebene Maschine glättet, wurde von Ibn Bassal ( ca. 1038–1075) aus Al-Andalus erfunden ; er war ein Pionier in der Verwendung des Schwungrads in der Saqiya ( Kettenpumpe ) und der Noria. ^{[ 71 ]} Die Ingenieure Al-Jazari im 13. Jahrhundert und Taqi al-Din im 16. Jahrhundert beschrieben in ihren technischen Abhandlungen zahlreiche erfinderische Wasserpumpen. Sie nutzten Wasserräder auch zum Antrieb verschiedener Geräte, darunter diverse Wasseruhren und Automaten .

Die Frühgeschichte der Wassermühle auf dem indischen Subkontinent ist weitgehend unbekannt. Altindische Texte aus dem 4. Jahrhundert v. Chr. erwähnen den Begriff „cakkavattaka“ (Drehrad), der in Kommentaren als „arahatta-ghati-yanta“ (Maschine mit angebrachten Töpfen) erklärt wird. Darauf aufbauend vermutete Joseph Needham , dass es sich bei der Maschine um eine „ noria “ handelte. Terry S. Reynolds argumentiert jedoch, dass der in indischen Texten verwendete Begriff mehrdeutig sei und nicht eindeutig auf ein wasserbetriebenes Gerät hinweise. Thorkild Schiøler hielt es für wahrscheinlicher, dass sich diese Passagen auf eine Art Tret- oder Handgerät zum Wasserheben beziehen, anstatt auf ein wasserbetriebenes Wasserrad. ^{[ 72 ]}

Der griechischen Geschichtsschreibung zufolge gelangten Wassermühlen Anfang des 4. Jahrhunderts n. Chr. aus dem Römischen Reich nach Indien, als ein gewisser Metrodoros „Wassermühlen und Bäder einführte, die ihnen [den Brahmanen] bis dahin unbekannt waren“. ^{[ 73 ]} Die Bewässerung der Felder erfolgte mithilfe von Wasserrädern, die das Wasser hoben; einige wurden durch die Strömung des Flusses angetrieben, aus dem das Wasser gepumpt wurde. Diese Art von Wasserhebevorrichtung wurde im alten Indien verwendet und war, laut Pacey, bereits vor ihrer Verwendung im späteren Römischen Reich oder in China im Einsatz. ^{[ 74 ]} Frühere literarische, archäologische und bildliche Belege für das Wasserrad finden sich jedoch in der hellenistischen Welt. ^{[ 75 ]}

Um 1150 beobachtete der Astronom Bhaskara Achārya Wasserräder und stellte sich ein solches Rad vor, das genügend Wasser hob, um den treibenden Bach zu speisen – quasi eine Art Perpetuum Mobile . ^{[ 76 ]} Der Bau von Wasseranlagen und Aspekte der Wassertechnologie in Indien werden in arabischen und persischen Werken beschrieben. Im Mittelalter führte die Verbreitung indischer und persischer Bewässerungstechnologien zur Entwicklung eines fortschrittlichen Bewässerungssystems, das Wirtschaftswachstum und die Entwicklung der materiellen Kultur förderte. ^{[ 77 ]}

Ismail al-Jazaris Buch über das Wissen über raffinierte mechanische Vorrichtungen (1206) verwendet den Begriff „ Sindhi -Rad“ zur Beschreibung einer Sāqiya . Dies deutet darauf hin, dass sie ihren Ursprung im nordwestlichen indischen Subkontinent (dem heutigen Pakistan ) haben könnte. ^{[ 31 ]} Während des Sultanats von Delhi (1206–1526) wurden Wasserräder mit Zahnradantrieb aus der islamischen Welt nach Indien eingeführt. ^{[ 78 ]}

Die antike Wasserradtechnologie wurde im Frühmittelalter unvermindert weiterentwickelt, wobei das Aufkommen neuer urkundlicher Gattungen wie Rechtskodizes , Klosterurkunden , aber auch Hagiographie mit einem starken Anstieg der Erwähnungen von Wassermühlen und -rädern einherging. ^{[ 79 ]}

Das früheste vertikale Wasserrad einer Gezeitenmühle stammt aus dem 6. Jahrhundert in Killoteran bei Waterford , Irland [ ^{80 ] ,} während das erste bekannte horizontale Wasserrad in einer solchen Mühle aus dem irischen Little Island (um 630) stammt ^{[ 81 ]} . Was die Verwendung in einer gewöhnlichen nordischen oder griechischen Mühle betrifft, so wurden die ältesten bekannten horizontalen Wasserräder im irischen Ballykilleen ausgegraben und datieren auf etwa 636 ^{[ 81 ].}

Insbesondere Zisterzienserklöster nutzten Wasserräder intensiv zum Antrieb verschiedenster Wassermühlen. ^{[ 46 ]} Ein frühes Beispiel für ein sehr großes Wasserrad ist das noch erhaltene Rad im Real Monasterio de Nuestra Señora de Rueda aus dem frühen 13. Jahrhundert , einem Zisterzienserkloster in der spanischen Region Aragonien . Getreidemühlen waren zweifellos am weitesten verbreitet, aber es gab auch Sägewerke, Walkmühlen und Mühlen für viele andere arbeitsintensive Aufgaben. Das Wasserrad blieb bis weit in die Industrielle Revolution hinein konkurrenzfähig mit der Dampfmaschine . Etwa im 8. bis 10. Jahrhundert gelangten verschiedene Bewässerungstechnologien nach Spanien und somit nach Europa. Eine dieser Technologien ist die Noria, im Grunde ein Rad mit Schaufeln am Umfang zum Wasserschöpfen. Sie ähnelt dem später in diesem Artikel erwähnten unterschlächtigen Wasserrad. Sie ermöglichte es den Bauern, Wassermühlen effizienter anzutreiben. Laut Thomas Glicks Buch „ Irrigation and Society in Medieval Valencia“ stammt die Noria vermutlich aus Persien . Sie wurde bereits Jahrhunderte vor ihrer Einführung in Spanien durch Araber genutzt, die sie von den Römern übernommen hatten. Die Verbreitung der Noria auf der Iberischen Halbinsel entspricht somit dem Gebiet der etablierten islamischen Siedlungen. ^{[ 82 ]}

Die von Wilhelm dem Eroberer einberufene Versammlung , gemeinhin als „ Domesday Book “ oder Domesday Book bezeichnet, erstellte ein Inventar aller potenziell steuerpflichtigen Besitztümer in England, darunter über sechstausend Mühlen an dreitausend verschiedenen Standorten ^{[ 83 ]} , im Vergleich zu weniger als hundert im vorangegangenen Jahrhundert ^{[ 46 ] .}

Die Wahl des Wasserradtyps hing vom Standort ab. Bei geringen Wassermengen und hohen Wasserfällen entschied sich ein Mühlenbauer in der Regel für ein oberschlächtiges Wasserrad . Dies lag daran, dass die Schaufeln auch geringe Wassermengen auffangen und nutzen konnten. ^{[ 84 ]} Bei großen Wassermengen und kleinen Wasserfällen kam das unterschlächtige Wasserrad zum Einsatz, da es besser für diese Bedingungen geeignet und kostengünstiger zu bauen war. Solange ausreichend Wasser vorhanden war, spielte die Effizienz keine Rolle. Im 18. Jahrhundert, mit steigendem Energiebedarf und gleichzeitig begrenzten Wasserressourcen, rückte die Effizienz der Anlagen in den Vordergrund. ^{[ 84 ]}

Im 11. Jahrhundert war die Nutzung von Wasser in einigen Teilen Europas weit verbreitet. ^{[ 83 ]} Das Wasserrad prägte und veränderte die Weltsicht der Westeuropäer nachhaltig. Mit seiner Erfindung vollzog Europa den Übergang von menschlicher und tierischer Muskelarbeit hin zu maschineller Arbeit. Der Mediävist Lynn White Jr. argumentierte, die Verbreitung unbelebter Energiequellen sei ein deutliches Zeugnis für die Entstehung einer neuen Einstellung des Westens zu Macht, Arbeit, Natur und vor allem Technologie. ^{[ 83 ]}

Die Nutzung der Wasserkraft ermöglichte ab dem 11. Jahrhundert Steigerungen der landwirtschaftlichen Produktivität, Nahrungsmittelüberschüsse und die großflächige Urbanisierung. Die Nützlichkeit der Wasserkraft motivierte europäische Experimente mit anderen Energiequellen wie Wind- und Gezeitenmühlen. ^{[ 85 ]} Wasserräder beeinflussten den Städtebau, insbesondere den Bau von Kanälen. Die in dieser frühen Phase entwickelten Techniken, wie das Aufstauen von Bächen und der Kanalbau , lenkten Europas Fokus auf die Wasserkraft . So wurden beispielsweise Wasserversorgung und Bewässerungstechnik kombiniert, um die Antriebskraft des Wasserrads zu optimieren. ^{[ 86 ]}

Die Wassermühle diente zum Mahlen von Getreide, wodurch Mehl für Brot, Malz für Bier oder grobes Mehl für Brei hergestellt wurde. ^{[ 87 ]}

Mühlenbauer unterschieden schon lange vor dem 18. Jahrhundert in Europa zwischen den beiden Kräften, Impuls und Gewicht, die in Wasserrädern wirken. Fitzherbert, ein Landwirtschaftsschriftsteller des 16. Jahrhunderts, schrieb: „Es treibt das Rad sowohl mit dem Gewicht des Wassers als auch mit Kraft [Impuls] an.“ ^{[ 88 ]} Auch Leonardo da Vinci erörterte die Wasserkraft und bemerkte: „Der Schlag [des Wassers] ist nicht Gewicht, sondern erweckt eine Gewichtskraft, die fast seiner eigenen Kraft entspricht.“ ^{[ 89 ]} Trotz des Wissens um die beiden Kräfte, Gewicht und Impuls, herrschte jedoch weiterhin Verwirrung über deren Vor- und Nachteile, und die überlegene Effizienz des Gewichts war nicht eindeutig geklärt. ^{[ 90 ]} Vor 1750 war man sich nicht sicher, welche Kraft dominant war, und man ging allgemein davon aus, dass beide Kräfte sich gegenseitig gleichermaßen beeinflussten. ^{[ 91 ]} Das Wasserrad warf Fragen zu den Naturgesetzen, insbesondere den Gesetzen der Kraft , auf . Evangelista Torricellis Arbeit über Wasserräder nutzte eine Analyse von Galileis Arbeit über fallende Körper, wonach die Geschwindigkeit eines aus einer Öffnung unter seinem Kopf austretenden Wasserstrahls exakt der Geschwindigkeit eines Wassertropfens entspricht, der aus derselben Höhe frei fällt. ^{[ 92 ]}

Das Wasserrad war eine treibende Kraft in den Anfängen der Industrialisierung Großbritanniens. Wasserbetriebene Hubvorrichtungen wurden in Fallhämmern und Hochofenbälgen eingesetzt. Richard Arkwrights Waterframe wurde von einem Wasserrad angetrieben. ^{[ 93 ]}

Während der Entwicklung der Vereinigten Staaten wurden Wasserräder zum Antrieb von Sägewerken, Getreidemühlen und für andere Zwecke eingesetzt. Das 1922 erbaute Wasserrad in McCoy, Colorado , mit einem Durchmesser von 12 Metern (40 Fuß), ist eines der vielen erhaltenen, die einst Wasser zur Bewässerung aus dem Colorado River pumpten .

Two early improvements were suspension wheels and rim gearing. Suspension wheels are constructed in the same manner as a bicycle wheel, the rim being supported under tension from the hub- this led to larger lighter wheels than the former design where the heavy spokes were under compression. Rim-gearing entailed adding a notched wheel to the rim or shroud of the wheel. A stub gear engaged the rim-gear and took the power into the mill using an independent line shaft. This removed the rotative stress from the axle which could thus be lighter, and also allowed more flexibility in the location of the power train. The shaft rotation was geared up from that of the wheel which led to less power loss. An example of this design pioneered by Thomas Hewes and refined by William Armstrong Fairburn can be seen at the 1849 restored wheel at the Portland Basin Canal Warehouse.^[94]

Australia has a relatively dry climate, nonetheless, where suitable water resources were available, water wheels were constructed in 19th-century Australia. These were used to power sawmills, flour mills, and stamper batteries used to crush gold-bearing ore. Notable examples of water wheels used in gold recovery operations were the large Garfield water wheel near Chewton—one of at least seven water wheels in the surrounding area—and the two water wheels at Adelong Falls; some remnants exist at both sites.^{[95][96][97][98]} The mining area at Walhalla once had at least two water wheels, one of which was rolled to its site from Port Albert, on its rim using a novel trolley arrangement, taking nearly 90 days.^[99] A water wheel at Jindabyne, constructed in 1847, was the first machine used to extract energy—for flour milling—from the Snowy River.^[100]

Compact water wheels, known as Dethridge wheels, were used not as sources of power but to measure water flows to irrigated land.^[101]

Water wheels were used extensively in New Zealand.^[102] The well-preserved remains of the Young Australian mine's overshot water wheel exist near the ghost town of Carricktown,^[103] and those of the Phoenix flour mill's water wheel are near Oamaru.^[104]

Eine neuere Entwicklung des Wasserrads ist das hydraulische Wasserrad mit integrierten automatischen Regelsystemen. Die Aqualiere ist ein Beispiel dafür. Sie erzeugt zwischen 37 kW und 200 kW Strom aus einem Wasserdurchfluss von 20 m³ ⁽ 710 Kubikfuß) und einer Fallhöhe von 1 bis 3,5 m (3 bis 11 Fuß). ^{[ 105 ]} Sie ist für die Stromerzeugung an Standorten ehemaliger Wassermühlen konzipiert.

Oberschlächtige (und insbesondere rückschlächtige) Wasserräder sind die effizientesten Turbinentypen; ein rückschlächtiges Stahlrad kann einen höheren Wirkungsgrad (ca. 60 %) erreichen als alle Turbinen außer den modernsten und am besten konstruierten . In manchen Fällen ist ein oberschlächtiges Wasserrad einer Turbine vorzuziehen. ^{[ 106 ]}

Die Entwicklung der hydraulischen Turbinenräder mit ihrem verbesserten Wirkungsgrad (>67%) eröffnete einen alternativen Weg für den Einbau von Wasserrädern in bestehende Mühlen oder die Sanierung stillgelegter Mühlen.

Die dem Rad zur Verfügung stehende Energie hat zwei Komponenten:

• Kinetische Energie – hängt davon ab, wie schnell das Wasser beim Eintritt in das Rad fließt.
• Potenzielle Energie – hängt von der Höhenänderung des Wassers zwischen Eintritt und Austritt aus dem Rad ab.

Die kinetische Energie kann berücksichtigt werden, indem man sie in eine äquivalente Fallhöhe, die Geschwindigkeitsfallhöhe, umrechnet und diese zur tatsächlichen Fallhöhe addiert. Bei stehendem Wasser ist die Geschwindigkeitsfallhöhe null, und bei langsam fließendem Wasser ist sie in guter Näherung vernachlässigbar. Die Geschwindigkeit im Unterwasserkanal wird nicht berücksichtigt, da das Wasser bei einem idealen Wasserrad mit null Energie austreten würde, was eine Geschwindigkeit von null voraussetzt. Dies ist unmöglich; das Wasser muss sich vom Wasserrad wegbewegen, was eine unvermeidbare Ursache für Ineffizienz darstellt.

Die Leistung beschreibt, wie schnell diese Energie abgegeben wird, und wird durch die Durchflussrate bestimmt. Man schätzt, dass die antike, von Eseln oder Sklaven angetriebene Mühle Roms etwa eine halbe PS leistete , das horizontale Wasserrad etwas mehr als eine halbe PS, das unterschlächtige vertikale Wasserrad etwa drei PS und das mittelalterliche oberschlächtige Wasserrad bis zu vierzig bis sechzig PS. ^{[ 107 ]}

• ${\displaystyle \eta =}$Effizienz
• ${\displaystyle \rho =}$Dichte von Wasser (1000 kg/ ^m³ )
• ${\displaystyle A=}$Querschnittsfläche des Kanals ( ^m² )
• ${\displaystyle D=}$Raddurchmesser (m)
• ${\displaystyle P=}$Leistung (W)
• ${\displaystyle d=}$Entfernung (m)
• ${\displaystyle g=}$Schwerkraft (9,81 m/s² ⁼ 9,81 N/kg)
• ${\displaystyle h=}$Kopf (m)
• ${\displaystyle h_{p}=}$Druckhöhe , die Differenz der Wasserstände (m)
• ${\displaystyle h_{v}=}$Geschwindigkeitshöhe (m)
• ${\displaystyle k=}$ Geschwindigkeitskorrekturfaktor. 0,9 für glatte Kanäle. ^{[ 108 ]}
• ${\displaystyle v=}$Geschwindigkeit (m/s)
• ${\displaystyle {\dot {q}}=}$Volumenstrom (m³ ^/ s)
• ${\displaystyle t=}$Zeit (s)

^{Punktnotation}

Der Druckunterschied entspricht der Höhendifferenz zwischen den Wasserspiegeln im Zulauf- und Ablaufkanal. Der Geschwindigkeitsunterschied wird aus der Wassergeschwindigkeit im Zulaufkanal an der gleichen Stelle berechnet, an der der Druckunterschied gemessen wird. Die Geschwindigkeit kann mit der Schwimmstabmethode ermittelt werden, indem die Zeit eines schwimmenden Objekts über eine bestimmte Strecke gemessen wird. Da sich das Wasser an der Oberfläche schneller bewegt als das Wasser in Bodennähe und an den Seitenwänden, muss ein Korrekturfaktor gemäß der untenstehenden Formel angewendet werden. ^{[ 108 ]}${\displaystyle h_{p}}$${\displaystyle h_{v}}$${\displaystyle v}$

Es gibt viele Möglichkeiten, den Volumenstrom zu messen . Zwei der einfachsten sind:

• Aus der Querschnittsfläche und der Strömungsgeschwindigkeit. Diese müssen an derselben Stelle gemessen werden, dies kann jedoch an jeder beliebigen Stelle im Ein- oder Auslaufkanal erfolgen. Es muss die gleiche Wassermenge durchfließen wie durch das Rad. ^{[ 108 ]}
• Die Messung des Volumenstroms mit der Eimer-und-Stoppuhr-Methode ist mitunter praktikabel. ^{[ 109 ]}

Menge	Formel
Leistung	${\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {q}}}$[ 110 ]
Effektiver Kopf	${\displaystyle h=h_{p}+h_{v}}$[ 111 ]
Geschwindigkeitskopf	${\displaystyle h_{v}={\frac {v^{2}}{2\cdot g}}}$[ 112 ] [ 111 ]
Volumenstrom	${\displaystyle {\dot {q}}=A\cdot v}$[ 108 ]
Wassergeschwindigkeit	${\displaystyle v=k\cdot {\frac {d}{t}}}$[ 108 ]

Menge	Näherungsformel
Leistung (bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 70 %)	${\displaystyle P=7000\cdot {\dot {q}}\cdot h}$
Optimale Drehzahl	${\displaystyle {\frac {21}{\sqrt {D}}}}$U/min [ 113 ]

Menge	Näherungsformel [ 113 ]
Leistung (bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 20 %)	${\displaystyle P=100\cdot A\cdot v^{3}}$
Optimale Drehzahl	${\displaystyle {\frac {9\cdot v}{D}}}$ U/min

Eine parallele Entwicklung ist die hydraulische Rad-/Teilreaktionsturbine, die ebenfalls ein Wehr in der Radmitte aufweist, jedoch Schaufeln verwendet, die zum Wasserstrom geneigt sind. Die WICON-Stamm-Druckmaschine (SPM) nutzt diese Strömung. ^{[ 114 ]} Geschätzter Wirkungsgrad: 67 %.

Die Fakultät für Bauingenieurwesen und Umwelt der Universität Southampton in Großbritannien hat beide Arten von hydraulischen Radmaschinen untersucht, deren hydraulische Effizienz abgeschätzt und Verbesserungen vorgeschlagen, z. B. die Rotationshydraulik-Druckmaschine (geschätzter maximaler Wirkungsgrad 85 %). ^{[ 115 ]}

Diese Art von Wasserrädern zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad bei Teillast/variablem Durchfluss aus und kann bei sehr geringen Fallhöhen unter 1 m betrieben werden. In Kombination mit direkt angetriebenen Axialfluss-Permanentmagnetgeneratoren und Leistungselektronik stellen sie eine praktikable Alternative für die Wasserkrafterzeugung bei geringen Fallhöhen dar .

• Wasserkraft
• Wasserkraft
• Peltonrad
• Wasserturbine
• Wassermühle

Für Geräte zum Heben von Wasser zur Bewässerung

• Noria
• Sakia

Vorrichtungen zum Heben von Wasser zur Landentwässerung

• Schaufelrad

^ Punktnotation. Ein Punkt über der Größe kennzeichnet eine Rate. Anders ausgedrückt: wie viel pro Sekunde. In diesem Artikel bezeichnet q das Wasservolumen undv das Wasservolumen pro Sekunde. q, wie in „Wassermenge“, wird verwendet, um Verwechslungen mit v für „Geschwindigkeit“ zu vermeiden. ${\displaystyle {\dot {q}}}$

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• Glossar der Wasserradbegriffe
• Essay/Audio-Clip
• WaterHistory.org: Mehrere Artikel über Wasserräder
• Computersimulation eines unterschlächtigen Wasserrads. Archiviert am 10.08.2009 im Internetarchiv (Wayback Machine).
• Das Gemälde „Persisches Rad in Indien, 1814–1815“ mit erläuterndem Text ist auf der Website der British Library archiviert ( Archiviert am 21.10.2012 in der Wayback Machine) .
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