Ruota idraulica: funzionamento, tipologie, storia e utilizzi

Articolo principale: Watermill

Europa greco-romana

La tecnologia della ruota ad acqua era nota da tempo, ma non fu messa in uso su vasta scala fino al Medioevo, quando un'acuta carenza di manodopera rese macchine come la ruota ad acqua economicamente convenienti. Tuttavia, le ruote ad acqua nell'antica Roma e nell'antica Cina trovarono molti usi pratici nell'alimentare i mulini per pestare il grano e altre sostanze. I romani usavano ruote idrauliche sia fisse che galleggianti e introdussero l'energia idrica in altri paesi dell'Impero Romano. I romani erano noti per l'uso estensivo delle ruote idrauliche nei progetti minerari, con enormi ruote idrauliche dell'epoca romana trovate in luoghi come l'odierna Spagna. Nel I secolo a.C., l'epigrammatico greco Antipatro di Tessalonica fu il primo a fare un riferimento alla ruota idraulica.

Antica Cina

Almeno dal I secolo d.C., i cinesi della dinastia Han orientale cominciarono a usare le ruote idrauliche per schiacciare il grano nei mulini e per alimentare i soffietti a pistone nella forgiatura del minerale di ferro in ghisa.

Nel testo noto come Xin Lun, scritto da Huan Tan intorno al 20 d.C. (durante l'usurpazione di Wang Mang), si afferma che il leggendario re mitologico conosciuto come Fu Xi era il responsabile del pestello e del mortaio, che si è evoluto nel martello basculante e poi nel martello a scatto (vedi martello a scatto). Anche se l'autore parla del mitologico Fu Xi, un passaggio del suo scritto lascia intendere che la ruota idraulica era in uso dal I secolo d.C. in Cina.

Nell'anno 31 d.C., l'ingegnere e prefetto di Nanyang, Du Shi, applicò un uso complesso della ruota idraulica e dei macchinari per alimentare i mantici dell'altoforno per creare la ghisa. Le ruote idrauliche in Cina trovarono usi pratici come questo, così come un uso straordinario. L'inventore Zhang Heng (78-139) fu il primo nella storia ad applicare la forza motrice nella rotazione dello strumento astronomico di una sfera armillare, per mezzo di una ruota ad acqua. L'ingegnere meccanico Ma Jun (200-265) una volta usò una ruota ad acqua per alimentare e far funzionare un grande teatro meccanico di marionette per l'imperatore Ming di Wei.

Europa medievale e moderna

I monasteri cistercensi, in particolare, facevano largo uso di ruote ad acqua per alimentare mulini di vario tipo. Un primo esempio di una ruota idraulica molto grande è ancora presente nel Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda, un monastero cistercense nella regione spagnola dell'Aragona, all'inizio del XIII secolo. I mulini a macina (per il mais) erano senza dubbio i più comuni, ma c'erano anche segherie, mulini di follatura e mulini per svolgere molti altri compiti ad alta intensità di lavoro. La ruota ad acqua rimase competitiva con il motore a vapore fino alla rivoluzione industriale.

La principale difficoltà delle ruote idrauliche era la loro inseparabilità dall'acqua. Questo significava che i mulini spesso dovevano essere situati lontano dai centri abitati e dalle risorse naturali. I mulini ad acqua erano ancora in uso commerciale fino al ventesimo secolo, comunque.

Le ruote ad acqua Overshot & pitchback sono adatte dove c'è un piccolo torrente con un dislivello di più di 2 metri, spesso in associazione con un piccolo serbatoio. Le ruote Breastshot e undershot possono essere usate su fiumi o flussi ad alto volume con grandi serbatoi.

La ruota ad acqua più potente costruita nel Regno Unito era la Quarry Bank Mill Waterwheel da 100 hp vicino a Manchester. Un progetto ad alto rendimento, fu ritirato nel 1904 e sostituito con diverse turbine. Ora è stata restaurata ed è un museo aperto al pubblico.

Le moderne dighe idroelettriche possono essere considerate come i discendenti della ruota ad acqua, poiché anch'esse sfruttano il movimento dell'acqua in discesa per far girare una ruota.