Młyn wodny to silnik wodny, który zamienia energię nurtu albo spadku wody na ruch obrotowy. Koło wodne przekazuje ten ruch przez wał i przekładnię na kamień młyński, a ziarno trafiające między dwa kamienie zostaje rozdrobnione na mąkę lub kaszę.
Czym jest młyn wodny?
W sensie technicznym młyn wodny jest budowlą wyposażoną w urządzenia wykorzystujące energię wody do wykonywania pracy mechanicznej. Woda może napędzać koło dzięki sile nurtu albo dzięki ciężarowi spadającej wody ze spiętrzonego zbiornika. Przed upowszechnieniem maszyn parowych, spalinowych i elektrycznych takie urządzenia należały do najważniejszych źródeł energii stosowanych w gospodarce.
Sam budynek nie wykonywał jednak pracy. Najważniejszy był układ napędowy: koło wodne, wał, przekładnie oraz urządzenie robocze, na przykład kamienie młyńskie. Droga energii wyglądała następująco:
- Woda płynąca lub spadająca wprawiała w ruch koło wodne.
- Koło obracało wał główny przechodzący do wnętrza młyna.
- Przekładnia zmieniała kierunek osi obrotu i dostosowywała prędkość.
- Wrzeciono obracało biegunem, czyli górnym kamieniem młyńskim.
- Ziarno ścierane między kamieniami opuszczało mlewnik jako mąka i otręby.
Jak koło wodne wykorzystuje siłę wody?
Koło wodne działa dzięki naciskowi wody na łopatki, przegrody albo korytka umieszczone na jego obwodzie. Konstruktor dobierał jego typ do przepływu rzeki, różnicy poziomów i możliwości wykonania jazu, stawu lub kanału doprowadzającego wodę. Nie każde koło wodne działało więc w ten sam sposób.
Koło podsiębierne, nazywane też walnym, wykorzystywało przede wszystkim energię nurtu. Woda przepływała pod dolną częścią koła i naciskała na łopatki. Takie rozwiązanie można było zastosować przy niewielkim spadku terenu, ale jego sprawność była stosunkowo mała i zależała od aktualnego poziomu oraz prędkości rzeki.
Koło nasiębierne, zwane korytkowym lub korzecznym, otrzymywało wodę od góry. Doprowadzano ją ze stawu górnego przez koryto, a ciężar napełniających się korytek wprawiał koło w ruch. Taki układ wymagał spiętrzenia wody za pomocą jazu, grobli i stawidła, lecz pozwalał lepiej wykorzystać jej energię potencjalną.
Koło śródsiębierne otrzymywało wodę mniej więcej na wysokości osi. Łączyło cechy obu pozostałych rozwiązań i mogło efektywnie wykorzystywać zarówno przepływ, jak i częściowy spadek wody. W praktyce typ koła zależał od warunków terenowych, dlatego nie można utożsamiać wszystkich młynów wodnych z jednym rozwiązaniem.
Przybliżone wartości sprawności poszczególnych typów przedstawia tabela:
| Typ koła | Zasada działania | Przybliżona sprawność |
|---|---|---|
| Podsiębierne | Nurt naciska na łopatki od dołu | 20–30% |
| Śródsiębierne | Woda dopływa na wysokości osi koła | około 50% |
| Nasiębierne | Woda spada na korytka z góry | 70–90% |
W młynie nasiębiernym stawidło regulowało dopływ, a kanał ulgowy odprowadzał nadmiar wody. Po przejściu przez koło woda trafiała do stawu dolnego albo wracała do rzeki. W tradycyjnych konstrukcjach koło młyńskie wykonywano z drewna. Jego średnica często wynosiła około 3 metrów, choć duże koła podsiębierne mogły być znacznie większe.
Jak ruch koła trafia na kamienie młyńskie?
W typowym młynie koło wodne miało oś poziomą, natomiast kamień młyński musiał obracać się wokół osi pionowej. Sam wał nie mógł więc napędzić bieguna bezpośrednio. Potrzebna była przekładnia, która zmieniała kierunek obrotu, a często także zwiększała prędkość obrotową.
Koło wodne było osadzone na wale głównym. Wał przechodził przez ścianę młyna i przenosił obrót do wnętrza. Na jego końcu znajdowało się koło palczaste, wyposażone w wystające drewniane kołki lub kliny. Elementy te zazębiały się z pałączkami drugiego zespołu przekładni.
Drugą część tworzyła cywia, nazywana także sześciornicą. Składała się z dwóch krążków, czyli ryfek, połączonych ukośnie ustawionymi cewkami. Cywia była osadzona na pionowej osi zwanej wrzecionem. Gdy koło palczaste obracało się razem z wałem poziomym, jego palce naciskały na elementy cywi. W ten sposób cywia zaczynała obracać się wokół osi pionowej.
Na górnym końcu wrzeciona znajdowała się paprzyca – trójramienna kształtka umieszczona w gnieździe bieguna. Przenosiła obrót wrzeciona na górny kamień młyński. W tradycyjnych młynach koła i zębatki wykonywano z twardego drewna, między innymi grabowego, później coraz częściej stosowano części metalowe.
Schemat przekładni można uprościć tak:
koło wodne → wał główny poziomy → koło palczaste → cywia → wrzeciono pionowe → paprzyca → biegun
Jak powstaje mąka?
Para kamieni młyńskich tworzy mlewnik. Dolny, nieruchomy kamień to leżak. Na nim znajduje się górny, obracający się kamień nazywany biegunem. Ziarno trafia przez otwór w środku bieguna, a następnie przesuwa się między powierzchniami obu kamieni ku ich zewnętrznym krawędziom.
Powierzchnia leżaka mogła być stosunkowo gładka, natomiast biegun miał ukośne nacięcia i bruzdy. Ich zadaniem było chwytanie ziaren, rozcieranie ich oraz przesuwanie mlewa na zewnątrz. Bez tych żłobkowań kamienie ślizgałyby się po sobie, a ziarno nie przemieszczałoby się prawidłowo.
Odległość między kamieniami trzeba było regulować. Zbyt mała szczelina powodowała nadmierne ścieranie kamieni i nagrzewanie produktu, a zbyt duża dawała grubo rozdrobnione mlewo. Kamienie zużywały się podczas pracy, dlatego regularnie je ostrzono, czyli odnawiano bruzdy na powierzchni roboczej.
Obracający się biegun był mocowany do paprzycy, a ta do wrzeciona. Dzięki temu energia przekazana przez wodę docierała do miejsca, w którym następowało właściwe rozdrobnienie ziarna.
Do czego jeszcze służyły młyny wodne?
Koło wodne nie musiało napędzać kamieni młyńskich. Ten sam rodzaj energii wykorzystywano do poruszania urządzeń wykonujących inne ciężkie, powtarzalne prace:
- Tartaki – koło napędzało wały i piły do cięcia drewna.
- Folusze – stępory ubijały sukno, zwiększając zwartość włókien.
- Kuźnie i hamernie – młoty wodne obrabiały żelazo oraz inne metale.
- Kruszarki rudy – urządzenia rozdrabniały surowiec przed dalszą obróbką.
- Stępy i olejarnie – mechanizmy tłukły ziarno lub pomagały tłoczyć olej.
W każdym z tych zastosowań zasada pozostawała podobna: woda poruszała koło, koło obracało wał, a przekładnia przekazywała ruch do urządzenia roboczego. Różnił się tylko końcowy element wykonujący pracę.
Od koła wodnego do turbiny
Koło wodne było prostym i trwałym silnikiem, ale jego moc zależała od przepływu, spadku wody, średnicy koła oraz strat w przekładniach. W XIX wieku zaczęły je zastępować turbiny wodne, które sprawniej wykorzystywały energię przepływu i mogły napędzać nowocześniejsze urządzenia.
Zmiana technologii nie zmieniła podstawowej idei. Tak jak dawniej, woda nadal dostarcza energii, a układ mechaniczny przekazuje ją do urządzenia wykonującego pracę. Różnica polega na tym, że turbinę można połączyć także z generatorem i wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.
