גלגל מים

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
גלגל מים מסורתי בפיאקומבו (אנ'), אינדונזיה
גלגל מים הפיך, המניע מנוף מכרה בדה רה מטאליקה (גאורגיוס אגריקולה, 1566)

גלגל מים הוא מכונה להמרת אנרגיה של מים זורמים או נופלים לצורות שימושיות של כוח, לרוב בטחנת מים. גלגל מים מורכב מגלגל (בדרך כלל בנוי מעץ או מתכת), עם מספר להבים או דליים מסודרים על השפה החיצונית היוצרים את רציפות תנועת הגלגל. השימושים כללו טחינת קמח בטחנות, טחינת עץ לעיסה לייצור נייר, חיבוט בברזל יצוק, ייצור במכונות, עיבוד שבבי, ריסוק עפרות וחיבוט סיבים לשימוש בייצור טקסטיל.

חלק מגלגלי המים מוזנים ממי בריכת טחנה, הנוצרת מסכירת נחל זורם. ערוץ למים הזורמים לגלגל מים או ממנו נקרא זרם טחנות (אנ'). זרם המים הבא מבריכת הטחנה לגלגל המים הוא שטף ראשי; זרם המים היוצא מן הגלגל מכונה בדרך כלל מזנב.[1]

גלגלי מים שימשו למטרות שונות ומגוונות מחקלאות ועד עיבוד מתכות בתרבויות עתיקות המשתרעות על פני העולם היווני ההלניסטי, רומא, סין והודו. גלגלי המים ראו שימוש מתמשך בעידן הפוסט-קלאסי, כמו ימי הביניים של אירופה ותור הזהב האיסלאמי, אך גם במקומות אחרים. באמצע עד סוף המאה ה-18, החקירה המדעית של ג'ון סמיטון (אנ') על גלגל המים הובילה לעלייה משמעותית ביעילות וסיפקה את הכוח שנדרש עבור המהפכה התעשייתית.[2][3] גלגלי מים החלו להיות מוחלפים על ידי הטורבינה הקטנה, הזולה והיעילה יותר, שפותחה על ידי בנואה פורניירו (אנ'), החל מהדגם הראשון שלו ב-1827.[3] טורבינות מסוגלות להתמודד עם עומד הידרוסטטי, או קו גובה, החורגים מהיכולת של גלגלי מים בגודל מעשי. גלגלי מים היו עדיין בשימוש מסחרי גם במאה ה-20, אך כיום הם כבר אינם נפוצים לשימוש.

הקושי העיקרי של גלגלי מים הוא התלות שלהם במים זורמים, מה שמגביל את מקום הקמתם. ניתן לראות בסכרים הידרואלקטרים מודרניים כצאצאיו של גלגל המים, מכיוון שגם הם מנצלים את תנועת המים במורד.

סוגים[עריכת קוד מקור | עריכה]

גלגלי מים מחולקים לשני עיצובים בסיסיים:[4]

  • גלגל אופקי עם ציר אנכי.
  • גלגל אנכי עם ציר אופקי.

את האחרון ניתן לחלק לתתי סוגים על פי מיקום פגיעת המים בגלגל, לגלגלים שבהם המים זורמים מתחת הגלגל ופוגעים בכפותיו התחתונות (undershot waterwheel), אלו שבהם המים נופלים מלמעלה ופוגעים בכפותיו העליונות (overshot waterwheel), אלו שבהן המים מגיעים אל אמצע היקף הגלגל ופוגעים בכפותיו האמצעיות (breastshot waterwheel), וסוג נוסף שבהם המים הבאים מלמעלה פוגעים בכפותיו העליונות אך מסובבים אותו במהופך לכיוון זרם המים (backshot waterwheel).[5][6][7] המונח undershot יכול להתייחס לכל גלגל שבו המים עוברים מתחת לגלגל[8] אך לרוב הוא מרמז שכניסת המים בגלגל נמוכה.

בדרך כלל נעשה שימוש בגלגלי מים מסוג Overshot ו-backshot כאשר הפרש הגובה הקיים הוא יותר מכמה מטרים. גלגלי אמצע מתאימים יותר לזרימות גדולות עם עומד מתון. Undershot וגלגל זרמים משתמשים בזרימות גדולות עם עומד נמוך או ללא עומד.

לעיתים קרובות, קיימת בריכת טחנה (אנ') קשורה, המהווה מאגר מים וגודלה נקבע לפי הצורך השוטף לכמות האנרגיה. ראשים גדולים יותר אוגרים יותר אנרגיה פוטנציאלית כבידתית (אנ') עבור אותה כמות מים, כך שהמאגרים עבור גלגלי overshot וגלגלי מכת מים עילית אחורית (backshot, pitchback) נוטים להיות קטנים יותר מאשר מאגרים עבור גלגלי מכת מים אמצעית (breastshot).

גלגלי מים pitchback ו-overshot מתאימים במקומות בהם יש נחל קטן עם הפרש גובה העולה על 2 מטרים, לרוב בשילוב עם מאגר קטן. ניתן להשתמש בגלגלי Breastshot ו-undershot בנהרות או בזרימות בנפח גבוה עם מאגרים גדולים.

תקציר הסוגים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ציר אנכי הידוע גם כאמבט או טחנות נורדיות.
  • גלגל אופקי עם ציר אנכי
  • סילון מים פוגע בלהבים המותקנים על הציר
  • משטחי תנועה – להבים
  • מים - נפח נמוך, עומד הידרוסטטי גבוה
  • יעילות - ירודה
Diagram of vertical axis water mill
זרם (מכונה גם משטח חופשי). גלגלי ספינה הם סוג של גלגל זרמים.
  • גלגל אנכי עם ציר אופקי
  • החלק התחתון של הגלגל נמצא בתוך מים זורמים
  • משטחי תנועה - להבים - שטוחים לפני המאה ה-18, מעוקלים לאחר מכן
  • מים - נפח גדול מאוד, ללא עומד הידרוסטטי
  • יעילות - כ-20% לפני המאה ה-18 ומאוחר יותר 50% עד 60%
Diagram of stream shot waterwheel
מכת מים תחתית
  • גלגל אנכי עם ציר אופקי
  • המים פוגעים בגלגל נמוך למטה, בדרך כלל ברבע התחתון
  • משטחי תנועה - להבים - שטוחים לפני המאה ה-18, מעוקלים לאחר מכן
  • מים - נפח גדול, עומד הידרוסטטי נמוך
  • יעילות - כ-20% לפני המאה ה-18 ומאוחר יותר 50% עד 60%
Diagram of undershot waterwheel showing headrace, tailrace, and water
מכת מים אמצעית
  • גלגל אנכי עם ציר אופקי
  • המים פוגעים בגלגל במרכזו לערך, בדרך כלל בין רבע לשלושת רבעי הגובה.
  • משטחי תנועה - דליים - מעוצבים בקפידה כדי להבטיח שהמים ייכנסו בצורה חלקה
  • מים - נפח גדול, עומד הידרוסטטי בינוני
  • יעילות - 50% עד 60%
Diagram of breastshot waterwheel showing headrace, tailrace, and water
מכת מים עילית
  • גלגל אנכי עם ציר אופקי
  • המים פוגעים בסמוך לחלק העליון של הגלגל ולפני הציר כך שהם מתרחקים מזרם הראש
  • משטחי תנועה – דליים
  • מים - נפח נמוך, עומד הידרוסטטי גדול
  • יעילות - 80% עד 90%
Diagram of overshot waterwheel showing headrace, tailrace, water, and spillage
מכת מים עילית אחורית (הידוע גם בשם pitchback)
  • גלגל אנכי עם ציר אופקי
  • המים פוגעים בסמוך לחלק העליון של הגלגל ולפני הציר כך שהם מסתובבים לאחור לעבר זרם הראש
  • משטחי תנועה – דליים
  • מים - נפח נמוך, עומד הידרוסטטי גדול
  • יעילות - 80% עד 90%
Diagram of backshot waterwheel showing headrace, tailrace, water, and spillage

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-blue.svg ערכים מורחבים – טחנת מים, נוריה

כמו בכל המכונות, תנועה סיבובית יעילה יותר במכשירים להעלאת מים מאשר בתנועה קווית.[9] במונחים של מקור כוח, ניתן לסובב את גלגלי המים על ידי כוח אנושי בהתאמה של בעלי חיים או על ידי זרם המים עצמו. גלגלי מים מגיעים בשני עיצובים בסיסיים, מצוידים בציר אנכי או אופקי. את הסוג האחרון ניתן לחלק, בהתאם למקום בו המים פוגעים במשוטי הגלגל, למים המגיעים מעל לגלגל, למרכז הגלגל או לתחתית הגלגל. שני התפקידים ההיסטוריים העיקריים של גלגלי המים היו הרמת מים למטרות השקיה וטחינה, במיוחד של תבואה. במקרה של גלגל ציר אופקי, נדרשת מערכת גלגלי שיניים להעברת הכוח, אשר גלגלי ציר אנכי אינם זקוקים לה.

סין[עריכת קוד מקור | עריכה]

שני סוגים של משאבות שרשרת המונעות בעזרת הידראוליקה מהטיאנגונג קאיוו (אנ') משנת 1637, שנכתבו בתקופת שושלת מינג על ידי כותב האנציקלופדיות, סונג יינגשינג (1587–1666).

גלגל המים הקדום ביותר שעובד כדוושה תואר על ידי ג'ואנג דזה בשלהי תקופת המדינות הלוחמות (476-221 לפנה"ס). כתוב שגלגל המים הומצא על ידי זיגונג, תלמידו של קונפוציוס במאה ה-5 לפני הספירה.[10] לפחות עד המאה ה-1 לספירה, הסינים של שושלת האן המזרחית השתמשו בגלגלי מים כדי לרסק תבואה בטחנות וכדי להפעיל את מפוחי הבוכנה בחישול עפרות ברזל לברזל יצוק.

בטקסט המכונה "שין לון" (Xin Lun), שנכתב על ידי הואן טאן (אנ') בסביבות שנת 20 לספירה (במהלך גזילת ואנג מאנג), נקבע כי המלך המיתולוגי האגדי, הידוע בשם פו שי, היה האחראי על המצאת העלי והמכתש, שהתפתחו לפטיש הטיה ולאחר מכן לפטיש טפיפה (אנ'). אף על פי שהמחבר מדבר על פו שי המיתולוגי, קטע בכתיבתו נותן רמז לכך שגלגל המים היה בשימוש נרחב במאה ה-1 לספירה בסין:

פו שי המציא את העלי והמכתש, שהוא כל כך שימושי, ומאוחר יותר שופר בצורה חכמה, כך שניתן היה להשתמש בכל משקל הגוף לדריכה על הפטיש ההטיה (tui), ובכך להגדיל את היעילות פי עשרה. לאחר מכן כוחן של בעלי חיים - חמורים, פרדות, שוורים וסוסים - הופעל באמצעות מכונות, וכוח המים שימש גם לחבטות, כך שהתועלת גדלה פי מאה.[11]

בשנת 31 לספירה, המהנדס והפרפקט של מחוז נאניאנג (אנ'), דו שי (אנ') (נפטר 38), יישם שימוש מורכב בגלגל המים ובמכונות כדי להפעיל את המפוח של תנור רם ליצירת ברזל יצוק. דו שי מוזכר בקצרה בספר האן המאוחרת (Hou Han Shu) כדלקמן:

בשנה השביעית לתקופת שלטונו של צ'יין-וו (31 לספירה) הוצב טו שי להיות ראש מחוז נאניאנג. הוא היה אדם נדיב והמדיניות שלו הייתה שלווה; הוא השמיד את עושי הרשע ושיקם את כבודו (של תפקידו). טוב בתכנון, הוא אהב את האנשים הפשוטים וביקש להציל את עמלם. הוא גמל להם דרך המצאתו בעזרת בכוח המים (שואי פאי) את יציקת הכלים החקלאיים (ברזל). לאלה שהיתכו ויוצקו כבר היה את מפוח הדחיפה להבעיר את מדורות הפחמים שלהם, ועתה הם קיבלו את הזכות להשתמש בשטף המים (צ'י שואי) כדי להפעיל אותם... כך קיבלו האנשים תועלת רבה עבור עבודה מועטה. הם מצאו את 'מפוח המים (מופעל) נוח ואימצו אותו באופן נרחב.[12]

לגלגלי מים בסין נמצאו שימושים מעשיים כמו שהוזכר, כמו גם שימושים יוצא דופן. הממציא הסיני ז'אנג הנג (אנ') (78–139) היה הראשון בהיסטוריה שהפעיל כוח מניע בסיבוב המכשיר האסטרונומי, הספירה הארמילרית, באמצעות גלגל מים.[13] מהנדס המכונות מא ג׳אן (אנ') (בערך 200–265) מקאו וויי (אנ') השתמש פעם בגלגל מים כדי להפעיל תיאטרון בובות מכני גדול עבור הקיסר מינג מווי (שלט 226–239).[14]

העולם המערבי[עריכת קוד מקור | עריכה]

העולם היווני-רומי[עריכת קוד מקור | עריכה]

היוונים הקדמונים המציאו את גלגל המים באופן עצמאי והשתמשו בו כמעט בכל הצורות והפונקציות שתוארו לעיל, כולל היישום שלו בטחנות מים.[15] פריצת הדרך הטכנולוגית התרחשה בתקופה ההלניסטית המפותחת מבחינה טכנולוגית בין המאה ה-3 וה-1 לפני הספירה.[16]

אירופה של ראשית ימי הביניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

גלגל מים המניע טחנה קטנה בכפר במוזיאון לארכיטקטורה וחיים עממיים, אוז'הורוד, אוקראינה

טכנולוגיית גלגלי המים העתיקה נמשכה ללא הפוגה בתקופת ראשית ימי הביניים, שבה הופעתם של ז'אנרים דוקומנטריים חדשים כגון קודים משפטיים, אמנות נזירות, אך גם הגיוגרפיה לוותה בעלייה חדה בהתייחסויות לטחנות מים וגלגלים.[17]

הגלגל האנכי המוקדם ביותר בטחנת גאות ושפל (אנ') הוא מקילוטראן מהמאה ה-6 ליד ווטרפורד (אנ'), אירלנד,[18] בעוד שהגלגל האופקי הראשון הידוע בסוג כזה של טחנה הוא מליטל איילנד (אנ') האירי (בערך 630).[19] באשר לשימוש בטחנה נורדית או יוונית נפוצה, הגלגלים האופקיים העתיקים ביותר הידועים נחפרו בבליקילין, אירלנד, ומתוארכים לשנת 636.[19]

גלגל המים המוקדם ביותר שנמצא והונע על ידי אנרגיית גאות ושפל היה בטחנת מנזר ננדרום בצפון אירלנד והוא תוארך לשנת 787, אם כי טחנת גאות ושפל אפשרית אחרת, מתוארכת לשנת 619. טחנות גאות ושפל הפכו נפוצות בשפכים עם טווח גאות ושפל טוב באירופה ובאמריקה בדרך כלל, באמצעות גלגלי תחתית (undershot).

מנזרים ציסטרציאנים, במיוחד, עשו שימוש נרחב בגלגלי מים כדי להפעיל טחנות מים מסוגים רבים. דוגמה מוקדמת לגלגל מים גדול מאוד היא גלגל הקיים מתחילת המאה ה-13 Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda (אנ'), מנזר ציסטרסיאני במחוז אראגון בספרד. טחנות גריסה (לתירס) היו ללא ספק הנפוצות ביותר, אך גם מנסרות, טחנות מלאים וטחנות למשימות רבות אחרות עתירות עבודה. גלגל המים נשאר תחרותי ויעיל אל מול מנוע הקיטור גם בתקופת המהפכה התעשייתית. בסביבות המאה ה-8 עד ה-10, מספר טכנולוגיות השקיה הובאו לספרד וכך הוכנסו לאירופה. אחת מאותן טכנולוגיות היא נוריה - גלגל עם דליים בהיקפו להרמת מים ממקום נמוך לגבוה, בדומה לגלגל המים התחתון. זה אפשר לאיכרים להפעיל טחנות מים בצורה יעילה יותר. לפי ספרו של תומאס גליק, "השקיה וחברה בוולנסיה של ימי הביניים", מקור הנוריה כנראה מאיפשהו בפרס. הוא שימש במשך מאות שנים לפני שהטכנולוגיה הובאה לספרד על ידי ערבים שאימצו אותה מהרומאים. לפיכך תפוצת הנוריה בחצי האי האיברי "תואמת את אזור ההתיישבות האסלאמית המיוצבת".[20] לטכנולוגיה זו הייתה השפעה עמוקה על חיי האיכרים. הנוריה זולה יחסית לבנייה ואיפשרה לאיכרים לעבד את אדמותיהם בצורה יעילה יותר באירופה. יחד עם הספרדים, הטכנולוגיה התפשטה לעולם החדש במקסיקו ובדרום אמריקה עם התפשטות ספרד.

אירופה של המאה ה-17 וה-18[עריכת קוד מקור | עריכה]

אנשים שתכננו, בנו ותיקנו טחנות הבדילו בין שני כוחות, דחף ומשקל, שפעלו על גלגלי מים הרבה לפני אירופה של המאה ה-18. פיצרברט, סופר חקלאי בן המאה ה-16, כתב "משמש את הגלגל כמו גם עם משקל המים כמו בכוח [דחף]".[21] לאונרדו דה וינצ'י דן גם בכוח המים, וציין "המכה [של המים] אינה משקל, אלא מעוררת כוח של משקל, השווה כמעט לעוצמתו".[22] עם זאת, אפילו מימוש שני הכוחות, המשקל והדחף, נותר בלבול לגבי היתרונות והחסרונות של השניים, ולא הייתה הבנה ברורה לגבי היעילות המשמעותית של המשקל.[23] לפני 1750 לא היו בטוחים איזה כוח דומיננטי וההבנה הרחבה הייתה ששני הכוחות פעלו בהשראה שווה אחד עם השני.[24] גלגל המים עורר שאלות לגבי חוקי הטבע, ובמיוחד חוקי התנועה של ניוטון. עבודתו של אוונג'ליסטה טוריצ'לי על גלגלי מים השתמשה בניתוח של עבודתו של גלילאו על גופים נופלים, לפיה מהירותם של מים הנובטים מפתח מתחת לעומדו הייתה שווה בדיוק למהירות טיפת מים שנפלה בנפילה חופשית מאותו גובה.[25]

אירופה התעשייתית[עריכת קוד מקור | עריכה]

גלגל ליידי איזבלה, בלקסי, שבאי מאן, נהג להניע משאבות מכרה

גלגל המים היה כוח מניע מאחורי השלבים המוקדמים ביותר של התיעוש בבריטניה. התקנים הדדיים המונעים על ידי מים שימשו בפטישי מעידה ומפוחי תנורי רם. מסגרת המים של ריצ'רד ארקרייט הונעה על ידי גלגל מים.[26]

גלגל המים החזק ביותר שנבנה בבריטניה היה גלגל המים 100 כ"ס Quarry Bank Mill ליד מנצ'סטר. הוא עוצב ונבנה כגלגל breastshot גבוה, סיים את תפקידו בשנת 1904 לאחר שהוחלף על ידי מספר טורבינות. הוא שוחזר והוא כעת מהווה מוזיאון פתוח לקהל הרחב.

גלגל המים הגדול ביותר, שעדיין פועל, בבריטניה בקוטר של 15.4 מטרים והוא נבנה על ידי חברת דה וינטון מקארנרפון. הוא ממוקם בתוך בתי המלאכה של דינורוויץ' (אנ') של המוזיאון הלאומי בלנבריס, בצפון ויילס.

גלגל המים הגדול בעולם, שעדיין פועל, הוא גלגל לקסי (הידוע גם בשם ליידי איזבלה) בכפר לקסי, שבאי מאן. קוטרו 22.10 מטרים ורוחבו 1.83 מטרים. הוא מתוחזק על ידי המורשת הלאומית של מאנקס.

פיתוח של טורבינות מים (אנ') במהלך המהפכה התעשייתית הוביל לירידה בפופולריות של גלגלי מים. היתרון העיקרי של טורבינות הוא היכולת שלה לרתום עומד גדול בהרבה מקוטר הטורבינה, בעוד שגלגל מים לא יכול לרתום ביעילות עומד גדול מקוטר שלו. הנדידה הטכנולוגית מגלגלי מים לטורבינות מודרניות ארכה כמאה שנים.

צפון אמריקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

קובץ:Portland Basin waterwheel - 5185.JPG
גלגל המתלה עם גיר-חישוק במחסן התעלות של אגן פורטלנד

גלגלי מים שימשו להנעת מנסרות, טחנות גרגירים ולמטרות אחרות במהלך פיתוח ארצות הברית. גלגל המים בקוטר שנים-עשר המטרים במקוי, קולורדו, שנבנה ב-1922, הוא גלגל מים ששרד, מיני רבים שהוציאו מים להשקיה מנהר הקולורדו.

שני שיפורים מוקדמים היו גלגלי מתלים וחישוקי גיר. גלגלי השהייה בנויים באותו אופן כמו גלגל אופניים, החישוק נתמך במתח מהרכזת - זה הוביל לפיתוחם של גלגלים קלים יותר בהשוואה לעיצוב הקודם, שבו החישורים הכבדים היו תחת כוח דחיסה. הילוך חישוקים כלל הוספת גלגל מחורץ לחישוק או למעטה הגלגל. הילוך בדל התחבר לגלגל הילוך ולקח את הכוח לתוך הטחנה באמצעות פיר קו עצמאי. זה הסיר את הלחץ הסיבובי מהציר שיכול היה להיות קל יותר, וגם אפשר יותר גמישות במיקום של רכבת הכוח. סיבוב הציר היה מורם מזה של הגלגל מה שהוביל לאובדן כוח קטן יותר. ניתן לראות דוגמה לעיצוב זה, שנוצר על ידי תומאס יווס ושוכלל על ידי וויליאם ארמסטרונג פיירבורן (אנ'), בגלגל המשוחזר משנת 1849 במחסן תעלת אגן פורטלנד.[27]

קשורים במקצת היו גלגלי דגים (אנ') ששימשו בצפון מערב אמריקה ובאלסקה, להוצאת הסלמון מזרימת הנהרות.

אוסטרליה[עריכת קוד מקור | עריכה]

באוסטרליה בעלת האקלים היבש יחסית, נבנו גלגלי מים במאה ה-19, היכן שהיו זמינים נחלים מתאימים. אלה שימשו להפעלת מנסרות, טחנות קמח וסוללות חותלות ששימשו לריסוק עפרות המכילות זהב. דוגמאות בולטות לגלגלי מים ששימשו בפעולות לכריית זהב היו גלגל המים הגדול של גארפילד ליד צ'וטון ושני גלגלי המים במפלי אדלונג; ישנם שרידים מסוימים בשני האתרים.[28][29][30][31]

גלגלי מים קומפקטיים, הידועים כגלגלי Dethridge, משמשים לא כמקורות כוח אלא למדידת זרימות מים לאדמות מושקות.[32]

הודו[עריכת קוד מקור | עריכה]

ההיסטוריה המוקדמת של טחנות המים בהודו לא ברורה. טקסטים הודיים עתיקים המתוארכים למאה ה-4 לפני הספירה מתייחסים למונח cakkavattaka (גלגל מסתובב), אשר פירושים מסבירים אותו כמכונה עם סירי גלגלים מחוברים (arahatta-ghati-yanta). על בסיס זה, ג'וזף נידהם הציע שהמכונה המתוארת היא נוריה. עם זאת, טרי ס. ריינולדס טוען כי "המונח המשמש בטקסטים הודיים אינו חד משמעי ואינו מציין בבירור מכשיר המופעל על ידי מים". Thorkild Schiøler טען כי "סביר יותר שהקטעים הללו מתייחסים לסוג כלשהו של מכשיר הרמת מים המופעל באמצעות דריכה או ביד, במקום גלגל הרמת מים המופעל על ידי מים."[33]

על פי המסורת ההיסטורית היוונית, הודו קיבלה טחנות מים מהאימפריה הרומית בתחילת המאה הרביעית לספירה כאשר מטרודורוס מסוים הציג "טחנות מים ומרחצאות, שלא היו ידועים ביניהם [הברהמנים] עד אז".[34] מי השקיה לגידולים ניתנו באמצעות גלגלים להעלאת מים, חלקם מונעים מעוצמת הזרם בנהר שממנו הועלו המים. סוג זה של מכשיר להעלאת מים היה בשימוש בהודו העתיקה, לפני השימוש בו, לפי פייסי, באימפריה הרומית המאוחרת או בסין,[35] אף על פי שהעדות הספרותית, הארכאולוגית והציורית הראשונה של גלגל המים הופיעו בעולם ההלניסטי.[15]

בסביבות שנת 1150, האסטרונום בהסקארא השני (אנ') צפה בגלגלים מרימים מים ודמיין גלגל כזה מרים מספיק מים כדי לחדש את הזרם המניע אותו, למעשה, מכונת תנועה נצחית.[36] בניית עבודות מים והיבטים של טכנולוגיית מים בהודו מתוארת בעבודות בשפות הערבית והפרסית. בימי הביניים, התפשטות טכנולוגיות ההשקיה ההודית והפרסית הולידה מערכת השקיה מתקדמת שהשיגה צמיחה כלכלית וגם סייעה לצמיחת התרבות החומרית.[37]

העולם האיסלמי[עריכת קוד מקור | עריכה]

הנוריות של חמה על נהר האורונטס

לאחר התפשטות האסלאם המשיכו מהנדסי העולם האסלאמי לפתח את טכנולוגיות המים של המזרח הקדום; כפי שניתן לראות בחפירה של תעלה באזור בצרה עם שרידי גלגל מים מהמאה ה-7. חמה בסוריה עדיין משמרת כמה מגלגליה הגדולים, על נהר האורונטס, אף על פי שהם אינם בשימוש עוד.[38] אחד הגדולים היה בקוטר של כ-20 מטר ושפתו חולקה ל-120 תאים. גלגל נוסף, לה נורה, שעדיין פועל נמצא במורסיה בספרד. אף על פי שהגלגל המקורי הוחלף בגלגל פלדה, המערכת המורית בתקופת אל-אנדלוס כמעט ללא שינוי. כמה גלגלי מים איסלאמיים מימי הביניים יכלו להרים מים עד לגובה של 30 מטר.[39] קיטאב אל-האווי של מוחמד בן זכריה אל-ראזי במאה ה-10 תיאר נוריה בעיראק שיכולה להרים עד 153,000 ליטר לשעה, או 2,550 ליטר לדקה. זה דומה לתפוקה של נוריה מודרנית במזרח אסיה, שיכולה להרים עד 288,000 ליטר לשעה, או 4,800 ליטר לדקה.[40]

גלגל מים בדג'מבי, סומטרה (סביבות 1918)

השימושים התעשייתיים של טחנות מים בעולם האסלאמי מתוארכים למאה ה-7, בעוד שטחנות מים עם גלגלים אופקיים ואנכיים היו שניהם בשימוש נרחב עד המאה ה-9. בעולם האסלאם נעשה שימוש במגוון של טחנות מים תעשייתיות, לרבות טחנות קמח, מקלפות אורז (אנ'), מנסרות, מפעלי אוניות, מפעלי פלדה, טחנות סוכר וטחנות גאות ושפל. עד המאה ה-11, בכל מחוז ברחבי העולם האסלאמי היו טחנות מים תעשייתיות אלה בפעילות, מאל-אנדלוס וצפון אפריקה ועד המזרח התיכון ומרכז אסיה.[41] מהנדסים מוסלמים ונוצרים השתמשו גם בגל ארכובה ובטורבינות מים, גלגלי שיניים בטחנות מים ובמכונות להעלאת מים, וסכרים כמקור מים, ששימשו לספק כוח נוסף לטחנות מים ולמכונות להעלאת מים.[42] ייתכן שטחנות מלאות ומפעלי פלדה התפשטו מספרד האסלאמית לספרד הנוצרית במאה ה-12. טחנות מים תעשייתיות הועסקו גם במתחמי מפעלים גדולים שנבנו באל-אנדלוס בין המאות ה-11 וה-13.[43]

המהנדסים של העולם האסלאמי פיתחו מספר פתרונות כדי להשיג את התפוקה המקסימלית מגלגל מים. אחד הפתרונות היה להרכיב אותם על מזחים של גשרים כדי לנצל את הזרימה המוגברת. פתרון נוסף היה ספינות, סוג של טחנת מים המופעלת על ידי גלגלי מים המורכבים על דפנות הספינות העוגנות באמצע הזרם. טכניקה זו הופעלה לאורך נהרות הפרת והחידקל בעיראק של המאה ה-10, שם יכלו מפעלי ספינות גדולים העשויים מעץ טיק וברזל לייצר 10 טון קמח מתירס מדי יום עבור האסמים בבגדד.[44] מנגנון גלגל תנופה, המשמש להחלקת העברת הכוח ממכשיר הנעה למכונה מונעת, הומצא על ידי אבן באסל (1038–1075) מאל-אנדלוס; הוא היה חלוץ בשימוש בגלגל התנופה באנטיליה (משאבת שרשרת) ובנוריה.[45] המהנדסים של אל-ג'זארי במאה ה-13 ותקי אל-דין במאה ה-16 תיארו בחיבוריהם הטכנולוגיים מכונות יצירתיות רבות להעלאת מים. הם גם השתמשו בגלגלי מים כדי להפעיל מגוון מכשירים, כולל שעוני מים ובובות מכניות שונות.

פיתוחים מודרניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

גלגל הידראולי[עריכת קוד מקור | עריכה]

פיתוח מודרני של גלגל breastshot הוא הגלגל ההידראולי, המשלב למעשה מערכות ויסות אוטומטיות. Aqualienne הוא דוגמה אחת. הוא מייצר בין 37 קילוואט ל-200 קילוואט של חשמל מזרימת מים בנפח 20 מטרים מעוקבים עם עומד של 1 עד 3.5 מטרים.[46] הוא נועד לייצר חשמל באתרים של טחנות מים לשעבר.

יעילות[עריכת קוד מקור | עריכה]

גלגלי overshot (ובעיקר אחוריים) הם הסוג היעיל ביותר; גלגל פלדה אחורי יכול להיות יעיל יותר (כ-60%) מכל הטורבינות למעט המתקדמות והבנויות היטב. במצבים מסוימים עדיף גלגל מעבר על פני טורבינה.[47]

פיתוח גלגלי הטורבינה ההידראולית ושיפור יעילותם (>67%) פתח נתיב חלופי להתקנת גלגלי מים בטחנות קיימות, או פיתוח מחדש של טחנות נטושות.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Dictionary definition of "tailrace"
  2. ^ Musson; Robinson (1969). Science and Technology in the Industrial Revolution. University of Toronto Press. p. 69. מסת"ב 9780802016379.
  3. ^ 1 2 Thomson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. p. 34. מסת"ב 978-0-8018-9141-0.
  4. ^ "Types of Water Wheels – The Physics of a Water Wheel". ffden-2.phys.uaf.edu. Retrieved 2017-07-10.
  5. ^ Stream wheel term and specifics
  6. ^ Merriam Webster
  7. ^ Power in the Landscape
  8. ^ Collins English Dictionary
  9. ^ Oleson 2000, p. 229
  10. ^ How Water Influences Our Lives. Springer. 22 November 2016. מסת"ב 9789811019388.
  11. ^ Needham, p. 392
  12. ^ Needham, p. 370
  13. ^ Morton, p. 70
  14. ^ Needham, p. 158
  15. ^ 1 2 Oleson 1984, pp. 325ff.; Oleson 2000, pp. 217–302[page range too broad]; Donners, Waelkens & Deckers 2002, pp. 10−15[page range too broad]; Wikander 2000, pp. 371−400[page range too broad]
  16. ^ Wikander 2000, p. 395; Oleson 2000, p. 229 It is no surprise that all the water-lifting devices that depend on subdivided wheels or cylinders originate in the sophisticated, scientifically advanced Hellenistic period, ...
  17. ^ Wikander 2000, p. 372f.; Wilson 2002, p. 3
  18. ^ Murphy 2005
  19. ^ 1 2 Wikander 1985, pp. 155–157
  20. ^ Glick, p. 178
  21. ^ Anthony Fitzherbert, Surveying (London, 1539, reprinted in [Robert Vansitarrt, ed] Certain Ancient Tracts Concerning the Management of Landed Property Reprinted [London, 1767.] pg. 92.
  22. ^ Leonardo da Vinci, MS F, 44r, in Les manuscrits de Leonardo da Vinci, ed Charles Ravaisson-Moilien (Paris, 1889), vol.4; cf, Codex Madrid, vol. 1, 69r [The Madrid Codices], trans. And transcribed by Ladislao Reti (New York, 1974), vol. 4.
  23. ^ Smeaton, "An Experimental Inquiry Concerning the Natural Powers of Water and Wind to Turn Mills, and Other Machines, depending on Circular Motion," Royal Society, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 51 (1759); 124–125
  24. ^ Torricelli, Evangelista, Opere, ed. Gino Loria and Giuseppe Vassura (Rome, 1919.)
  25. ^ Torricella, Evangelica, Opere, ed. Gino Loria and Giuseppe Vassura (Rome, 1919.)
  26. ^ "Hydro Power from the Early Modern to the Industrial Age: Ca. 1500–1850 - Electricity & Alternative Energy - Alberta's Energy Heritage". Archived from the original on 2019-11-15.
  27. ^ *Nevell, Mike; Walker (2001). Portland Basin and the archaeology of the Canal Warehouse. Tameside Metropolitan Borough with University of Manchester Archaeological Unit. מסת"ב 978-1-871324-25-9.
  28. ^ Davies, Peter; Lawrence, Susan (2013). "The Garfield water wheel: hydraulic power on the Victorian goldfields" (PDF). Australasian Historical Archaeology. 31: 25–32.
  29. ^ "Garfield Water Wheel". www.goldfieldsguide.com.au. Retrieved 2022-02-06.
  30. ^ "Adelong Falls Gold Workings/Reserve". New South Wales State Heritage Register. Office of Environment & Heritage. H00072. Retrieved 1 June 2018.
  31. ^ Pearson, Warwick (1997). "Water-Powered Flourmills in Nineteenth-Century Tasmania" (PDF). Australasian Historical Archaeology. 15: 66–78.
  32. ^ McNicoll, Ronald, "Dethridge, John Stewart (1865–1926)", Australian Dictionary of Biography, Canberra: National Centre of Biography, Australian National University, retrieved 2022-02-06
  33. ^ Reynolds, p. 14
  34. ^ Wikander 2000, p. 400: This is also the period when water-mills started to spread outside the former Empire. According to Cedrenus (Historiarum compendium), a certain Metrodoros who went to India in c. A.D. 325 "constructed water-mills and baths, unknown among them [the Brahmans] till then".
  35. ^ Pacey, p. 10
  36. ^ Pacey, p. 36
  37. ^ Siddiqui
  38. ^ al-Hassani et al., p. 115
  39. ^ Lucas, Adam (2006), Wind, Water, Work: Ancient and Medieval Milling Technology, Brill Publishers, p. 26, מסת"ב 978-90-04-14649-5
  40. ^ Donald Routledge Hill (1996), A history of engineering in classical and medieval times, Routledge, pp. 145–6, מסת"ב 978-0-415-15291-4
  41. ^ Lucas, p. 10
  42. ^ Ahmad Y Hassan, Transfer Of Islamic Technology To The West, Part II: Transmission Of Islamic Engineering
  43. ^ Lucas, p. 11
  44. ^ Hill; see also Mechanical Engineering)
  45. ^ Ahmad Y Hassan, Flywheel Effect for a Saqiya.
  46. ^ [1]? Aqualienne breastshot wheel
  47. ^ For a discussion of the different types of water wheels, see Syson, pp. 76–91

ביבליוגרפיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • Soto Gary, Water Wheel. vol. 163. No. 4. (Jan., 1994), p. 197
  • al-Hassani, S.T.S., Woodcock, E. and Saoud, R. (2006) 1001 inventions : Muslim heritage in our world, Manchester : Foundation for Science Technology and Civilisation, מסת"ב 0-9552426-0-6
  • Allan. April 18, 2008. Undershot Water Wheel. Retrieved from Making an Undershoot Water Wheel, באתר www.builditsolar.com
  • Donners, K.; Waelkens, M.; Deckers, J. (2002), "Water Mills in the Area of Sagalassos: A Disappearing Ancient Technology", Anatolian Studies, Anatolian Studies, Vol. 52, vol. 52, pp. 1–17, doi:10.2307/3643076, JSTOR 3643076, S2CID 163811541
  • Glick, T.F. (1970) Irrigation and society in medieval Valencia, Cambridge, MA: Belknap Press of Harvard University Press, מסת"ב 0-674-46675-6
  • Greene, Kevin (2000), "Technological Innovation and Economic Progress in the Ancient World: M.I. Finley Re-Considered", The Economic History Review, vol. 53, no. 1, pp. 29–59, doi:10.1111/1468-0289.00151
  • Hill, D.R. (1991) "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, 264 (5:May), pp. 100–105
  • Lucas, A.R. (2005). "Industrial Milling in the Ancient and Medieval Worlds: A Survey of the Evidence for an Industrial Revolution in Medieval Europe". Technology and Culture. 46 (1): 1–30. doi:10.1353/tech.2005.0026. S2CID 109564224.
  • Lewis, M.J.T. (1997) Millstone and Hammer: the origins of water power, University of Hull Press, מסת"ב 0-85958-657-X
  • Morton, W.S. and Lewis, C.M. (2005) China: Its History and Culture, 4th Ed., New York : McGraw-Hill, מסת"ב 0-07-141279-4
  • Murphy, Donald (2005), Excavations of a Mill at Killoteran, Co. Waterford as Part of the N-25 Waterford By-Pass Project (PDF), Estuarine/ Alluvial Archaeology in Ireland. Towards Best Practice, University College Dublin and National Roads Authority
  • Needham, J. (1965) Science and Civilization in China – Vol. 4: Physics and physical technology – Part 2: Mechanical engineering, Cambridge University Press, מסת"ב 0-521-05803-1
  • Nuernbergk, D.M. (2005) Wasserräder mit Kropfgerinne: Berechnungsgrundlagen und neue Erkenntnisse, Detmold : Schäfer, מסת"ב 3-87696-121-1
  • Nuernbergk, D.M. (2007) Wasserräder mit Freihang: Entwurfs - und Berechnungsgrundlagen, Detmold : Schäfer, מסת"ב 3-87696-122-X
  • Pacey, A. (1991) Technology in World Civilization: A Thousand-year History, 1st MIT Press ed., Cambridge, Massachusetts : MIT, מסת"ב 0-262-66072-5
  • Oleson, John Peter (1984), Greek and Roman Mechanical Water-Lifting Devices: The History of a Technology, University of Toronto Press, מסת"ב 978-90-277-1693-4
  • Quaranta Emanuele, Revelli Roberto (2015), "Performance characteristics, power losses and mechanical power estimation for a breastshot water wheel", Energy, Energy, Elsevier, 87: 315–325, doi:10.1016/j.energy.2015.04.079
  • Oleson, John Peter (2000), "Water-Lifting", in Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History, vol. 2, Leiden: Brill, pp. 217–302, מסת"ב 978-90-04-11123-3
  • Reynolds, T.S. (1983) Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel, Johns Hopkins studies in the history of technology: New Series 7, Baltimore: Johns Hopkins University Press, מסת"ב 0-8018-2554-7
  • Schioler, Thorkild (1973), Roman and Islamic Water-Lifting Wheels, Odense University Press, מסת"ב 978-87-7492-090-8
  • Shannon, R. 1997. Water Wheel Engineering. Retrieved from [2].
  • Siddiqui, Iqtidar Husain (1986). "Water Works and Irrigation System in India during Pre-Mughal Times". Journal of the Economic and Social History of the Orient. 29 (1): 52–77. doi:10.1163/156852086X00036.
  • Syson, l. (1965) British Water-mills, London : Batsford, 176 p.
  • Wikander, Örjan (1985), "Archaeological Evidence for Early Water-Mills. An Interim Report", History of Technology, vol. 10, pp. 151–179
  • Wikander, Örjan (2000), "The Water-Mill", in Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History, vol. 2, Leiden: Brill, pp. 371–400, מסת"ב 978-90-04-11123-3
  • Wilson, Andrew (1995), "Water-Power in North Africa and the Development of the Horizontal Water-Wheel", Journal of Roman Archaeology, vol. 8, pp. 499–510
  • Wilson, Andrew (2002), "Machines, Power and the Ancient Economy", The Journal of Roman Studies, [Society for the Promotion of Roman Studies, Cambridge University Press], vol. 92, pp. 1–32, doi:10.2307/3184857, JSTOR 3184857, S2CID 154629776

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא גלגל מים בוויקישיתוף
  • Glossary of water wheel terms
  • Essay/audio clip
  • WaterHistory.org Several articles concerning water wheels
  • Computer simulation of an undershot water wheel
  • Persian Wheel in India, 1814–1815 painting with explanatory text, at British Library website.
  • Computer simulation of an overshot water wheel
  • Guide to the Water Wheel Construction: A Thesis Presented to N.C. College of Agri. and Mech. Arts by L. T. Yarbrough 1893 June
  • Foundry Patterns for 18 different Welsh waterwheel shrouds - 2015