Rueda hidráulica: qué es, cómo funciona y su historia
Descubre qué es una rueda hidráulica, cómo funciona y su historia: desde molinos medievales hasta la energía hidráulica moderna. Funcionamiento, usos y evolución.
Para las ruedas de agua utilizadas para impulsar embarcaciones, véase rueda de paletas. Para las ruedas utilizadas únicamente para elevar el agua, véase noria. Para las fábricas o industrias impulsadas por ruedas de agua, véase molino de agua.
Una rueda hidráulica es un sistema hidroeléctrico; una máquina para extraer energía del flujo de agua. Las ruedas hidráulicas y la energía hidroeléctrica se utilizaron ampliamente en la Edad Media, impulsando la mayor parte de la industria en Europa, junto con el molino de viento. El uso más común de la rueda hidráulica era la molienda de la harina en los molinos de parrilla, pero otros usos incluían el trabajo de fundición y el mecanizado, y el machacado del lino para su uso en el papel.
Una rueda hidráulica consiste en una gran rueda de madera o de metal, con una serie de palas o cubos dispuestos en el borde exterior que forman la superficie motriz. Lo más habitual es que la rueda esté montada verticalmente sobre un eje horizontal, pero la rueda de bañera o nórdica está montada horizontalmente sobre un eje vertical. Las ruedas verticales pueden transmitir la potencia a través del eje o mediante una corona dentada y suelen accionar correas o engranajes; las horizontales suelen accionar directamente su carga. Un canal creado para que el agua siga después de salir de la rueda se conoce comúnmente como "tailrace".
Tipos principales
- Rueda de corriente o undershot: el agua incide en las palas en la parte inferior de la rueda, aprovechando principalmente la velocidad del flujo. Es habitual en ríos de poco desnivel. Su eficiencia es relativamente baja.
- Rueda de mamparo o breastshot: el agua golpea la rueda aproximadamente a la altura del eje o algo por debajo; combina el empuje por peso del agua con el movimiento del fluido. Se usa en situaciones intermedias de caída y caudal.
- Rueda de cubo o overshot: el agua se vierte por encima de la rueda llenando los cubos; aprovecha principalmente la energía potencial (altura) del agua y es la más eficiente tradicionalmente.
- Rueda horizontal o de baño (nórdica): montada sobre eje vertical, suele accionarse directamente por el chorro de agua y se empleó en molinos domésticos y pequeñas instalaciones.
Componentes y funcionamiento
Las partes básicas son: el cuerpo de la rueda, las palas o cubos, el eje, los cojinetes y los mecanismos de transmisión (engranajes, correas, poleas). En instalaciones con rueda vertical, el eje transmite la rotación a las máquinas interiores mediante trenes de engranajes (por ejemplo el pit wheel, wallower y demás ruedas dentadas en la arquitectura del molino tradicional).
Conceptos hidráulicos clave:
- Caudal: volumen de agua que pasa por unidad de tiempo (m³/s).
- Salto o cabeza: diferencia de altura entre la entrada y la salida del agua; determina la energía potencial disponible.
- Presa, canal y conducción (headrace/penstock): estructuras que conducen el agua desde la fuente hasta la rueda.
- Tailrace: canal o cauce por donde sale el agua tras pasar por la rueda (se mantiene en el texto original como "tailrace").
Eficiencia y materiales
La eficiencia depende del tipo de rueda y su diseño. Las ruedas overshot bien construidas pueden alcanzar eficiencias del 60–85% históricamente; las breastshot suelen situarse en torno al 50–70% y las undershot tienen rendimientos más bajos (20–40%) cuando sólo aprovechan la corriente. Los materiales tradicionales eran madera y hierro fundido; en restauraciones o réplicas modernas puede emplearse acero, aluminio o polímeros para mejorar resistencia y mantenimiento.
Historia y evolución
El uso de la rueda hidráulica se remonta a la antigüedad (Grecia y Roma), con un desarrollo notable en la Edad Media en Europa, donde se multiplicaron los molinos para molienda, forjas y otras industrias. Durante la Revolución Industrial la rueda hidráulica comenzó a ser sustituida en grandes industrias por la máquina de vapor y, más tarde, por turbinas hidráulicas (inventadas y perfeccionadas en los siglos XIX y XX) que permiten aprovechar mejor grandes caudales y elevadas presiones.
Usos tradicionales y modernos
- Molienda de cereales en molinos de parrilla y otros tipos de molinos.
- Accionamiento de maquinarias en herrerías, aserraderos, molinos de papel (trabajando el lino y otros materiales), y fábricas (ver molino de agua).
- Pequeñas centrales hidroeléctricas y aplicaciones de micro-hidroelectricidad en zonas rurales, utilizando ruedas o turbinas adaptadas.
Ventajas e inconvenientes
- Ventajas: tecnología sencilla, uso de energía renovable, bajos costes de operación, posibilidad de almacenamiento mecánico (molienda continua) y vida útil larga con mantenimiento adecuado.
- Inconvenientes: dependencia del régimen hídrico, impacto ambiental local si se realizan presas o alteraciones del cauce, y menor densidad de potencia frente a turbinas modernas en instalaciones a gran escala.
Conservación y patrimonio
Muchas ruedas hidráulicas y molinos han sido restaurados por su valor histórico y etnográfico; constituyen elementos del patrimonio industrial y turístico en numerosos países. Las intervenciones suelen conservar la forma original (madera y mecanismos visibles) al tiempo que se incorporan mejoras para seguridad y durabilidad.
Ejemplos notables
En Europa hay numerosos ejemplos de molinos y ruedas históricas funcionando con técnicas tradicionales; en algunos casos se utilizan para generación de electricidad a pequeña escala o para demostraciones educativas sobre energía hidráulica, mecanismos y técnicas artesanales.
En resumen, la rueda hidráulica es una tecnología antigua pero eficiente en contextos adecuados: aprovechando caudales y desniveles modestos, sigue siendo una solución práctica para impulsar máquinas y generar energía renovable a pequeña escala.
Una rueda hidráulica de 42 pies de altura en el Old Mill del Berry College en Rome, Georgia
Historia
Artículo principal: Molino de agua
Europa grecorromana
La tecnología de la rueda hidráulica se conocía desde hacía mucho tiempo, pero no se generalizó su uso hasta la Edad Media, cuando una aguda escasez de mano de obra hizo que máquinas como la rueda hidráulica fueran rentables. Sin embargo, las ruedas hidráulicas de la antigua Roma y de la antigua China encontraron muchos usos prácticos en el accionamiento de molinos para machacar el grano y otras sustancias. Los romanos utilizaron ruedas hidráulicas tanto fijas como flotantes e introdujeron la energía hidráulica en otros países del Imperio Romano. Se sabe que los romanos utilizaron ampliamente las ruedas hidráulicas en proyectos mineros, con enormes ruedas hidráulicas de la época romana encontradas en lugares como la actual España. En el siglo I a.C., el epigramático griego Antípatro de Tesalónica fue el primero en hacer referencia a la rueda hidráulica.
La antigua China
Al menos en el siglo I d.C., los chinos de la dinastía Han oriental empezaron a utilizar ruedas hidráulicas para triturar el grano en los molinos y para accionar los fuelles de pistón en la forja del mineral de hierro en fundición.
En el texto conocido como el Xin Lun, escrito por Huan Tan hacia el año 20 d.C. (durante la usurpación de Wang Mang), se afirma que el legendario rey mitológico conocido como Fu Xi fue el responsable del mortero, que evolucionó hasta convertirse en el dispositivo de martillo basculante y, posteriormente, en el de martillo de viaje (véase martillo de viaje). Aunque el autor habla del Fu Xi mitológico, un pasaje de su escrito da a entender que la rueda hidráulica ya se utilizaba ampliamente en el siglo I d.C. en China.
En el año 31 d.C., el ingeniero y prefecto de Nanyang, Du Shi, aplicó un complejo uso de la rueda hidráulica y la maquinaria para impulsar los fuelles del alto horno para crear hierro fundido. Las ruedas hidráulicas en China encontraron usos prácticos como éste, así como un uso extraordinario. El inventor Zhang Heng (78-139) fue el primero en la historia en aplicar la fuerza motriz en la rotación del instrumento astronómico de una esfera armilar, mediante el uso de una rueda hidráulica. El ingeniero mecánico Ma Jun (200-265) utilizó una vez una rueda hidráulica para alimentar y hacer funcionar un gran teatro de marionetas mecánico para el emperador Ming de Wei.
Europa medieval y moderna
Los monasterios cistercienses, en particular, hacían un uso extensivo de las ruedas hidráulicas para accionar molinos de muchos tipos. En el Real Monasterio de Nuestra Señora de Rueda, un monasterio cisterciense de la región de Aragón, de principios del siglo XIII, todavía se conserva un ejemplo de una rueda hidráulica muy grande. Los molinos de muelas (para el maíz) eran, sin duda, los más comunes, pero también había aserraderos, batanes y molinos para realizar muchas otras tareas que requerían mucha mano de obra. La rueda hidráulica siguió compitiendo con la máquina de vapor hasta bien entrada la Revolución Industrial.
La principal dificultad de las ruedas hidráulicas era su inseparabilidad del agua. Esto significaba que los molinos a menudo tenían que estar ubicados lejos de los centros de población y de los recursos naturales. Sin embargo, los molinos de agua siguieron utilizándose comercialmente hasta bien entrado el siglo XX.
Las ruedas hidráulicas de paso y de retroceso son adecuadas cuando hay una corriente pequeña con una diferencia de altura de más de 2 metros, a menudo en asociación con un pequeño embalse. Las norias de tiro alto y tiro bajo pueden utilizarse en ríos o caudales elevados con grandes embalses.
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Rueda de agua de la pechera
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rueda de agua bajo el agua
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Rueda de agua de sobrecarga
La noria más potente construida en el Reino Unido fue la de Quarry Bank Mill, de 100 CV, cerca de Manchester. Con un diseño de gran altura, fue retirada en 1904 y sustituida por varias turbinas. Ahora ha sido restaurada y es un museo abierto al público.
Las presas hidroeléctricas modernas pueden considerarse descendientes de la rueda hidráulica, ya que también aprovechan el movimiento del agua cuesta abajo para hacer girar una rueda.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es una rueda hidráulica?
R: Una rueda hidráulica es una máquina que extrae energía del flujo del agua.
P: ¿Cuál era el uso más común de las ruedas hidráulicas en la Edad Media?
R: El uso más común de las ruedas hidráulicas era moler la harina en los molinos de molino.
P: ¿Qué otros usos tenían las ruedas hidráulicas?
R: Otros usos de las ruedas hidráulicas eran los trabajos de fundición, el mecanizado y el machacado del lino para obtener papel.
P: ¿Cómo se construye una rueda hidráulica?
R: Una rueda hidráulica consiste en una gran rueda de madera o metal, con paletas o cubos dispuestos en el borde exterior que forman la superficie motriz.
P: ¿Cómo se montan las ruedas hidráulicas verticales?
R: Las ruedas hidráulicas verticales se montan verticalmente sobre un eje horizontal y pueden transmitir la potencia a través del eje o mediante una corona dentada y, normalmente, correas o engranajes de transmisión.
P: ¿Cómo se montan las ruedas hidráulicas horizontales?
R: Las ruedas hidráulicas horizontales se montan horizontalmente sobre un eje vertical y suelen impulsar directamente su carga.
P: ¿Qué es un "tailrace"?
R: Un "tailrace" es un canal creado para que el agua lo siga después de salir de la rueda.
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