Het ontstaan van watermolens
De ontwikkeling van de watermolen in de oudheid begon waarschijnlijk met het eerdere gebruik van waterschoepraderen voor irrigatie in de landbouw, mogelijk al rond 1200 v.Chr. in Mesopotamië en in culturen zoals Egypte, Syrië, India en China. Deze raderen hieven water op, maar gebruikten de waterkracht nog niet voor mechanische arbeid zoals malen.
De eerste industriële revolutie
Na het ontstaan van de watermolens hebben de oude Romeinen deze geperfectioneerd en geautomatiseerd. De Romeinen hebben het tandwiel niet uitgevonden. Het concept van het tandwiel is ouder dan het Romeinse Rijk. De Romeinen hebben het tandwiel veel meer toegepast en geperfectioneerd, waarmee zij onder andere watermolens konden mechaniseren. Door de kracht van het water op het waterrad werd de horizontale as van het waterrad in beweging gezet. Door tandwielen toe te passen kon men deze horizontale kracht met tandwielen die haaks op elkaar stonden omzetten in een verticale kracht, waarmee molenstenen werden aangedreven om graan tot meel te malen. Meestal hadden houten tandwielen die op elkaar stonden even en oneven tanden. Heeft het ene tandwiel 50 tanden, dan heeft het andere tandwiel 51 tanden, waarmee dezelfde tanden van elk tandwiel elkaar slecht om de 50 omwentelingen raken. Zouden het tandwielen beide 50 tanden hebben, dan zouden dezelfde tanden elkaar elke omwenteling raken. Het even op oneven principe voorkomt slijtage en daarmee onnodig onderhoudt. Wordt een tandwiel met een grotere diameter op tandwiel met een kleinere diameter geplaatst, dan wordt een vertraging of versnelling bewerkstelligd.
- China
Er zijn ook aanwijzingen dat men in China al rond 800 v.Chr. systemen met tandwielen gebruikte (bijvoorbeeld differentiëlen). - Oude Grieken
- Van de Oude Grieken Midden tijdens de 3e eeuw v.Chr. (ca. 250 v.Chr.) in Alexandrië (Egypte, Hellenistische wereld) is de eerste schriftelijke vermelding door Philon van Byzantium (Griekse ingenieur) in zijn Pneumatica over de horizontale as. Dit toonde de theoretische kennis van waterkracht aan.
- De Grieken krijgen meestal de eer voor de eerste gedocumenteerde, complexe toepassingen van tandwielen. Het beroemdste voorbeeld is het Mechanisme van Antikythera (rond 100 v.Chr.), een geavanceerde astronomische rekenmachine met meer dan 30 bronzen tandwielen.
- Romeinen
- Door de Romeinen in de stad Rome (Italië) rond 20 v.Chr. de eerste gedocumenteerde Europese watermolen, beschreven als onderslagmolen door de architect Vitruvius. Het was een graanmolen in de stad, wat duidde op het vroege gebruik van waterkracht voor stedelijke voorziening.
- Door de Romeinen in de stad Veralbanum (Noord-Italië / Midden-Oosten) in de 1 eeuw n.Chr. de vroege archeologische vondsten van het eenvoudige horizontale type (ook wel “Griekse molen” genoemd), wat wijst op de verspreiding binnen het Romeinse Rijk.
De Romeinen waren meesters in het toepassen van deze Griekse en andere technieken. Zij gebruikten tandwielen op grote schaal in:
- Watermolens
Om de draaibeweging van het verticale waterrad over te brengen naar de horizontale maalstenen. - Diverse machines
Voor het hijsen van zware lasten en in andere machines voor civiele techniek en oorlogvoering.
Uitvindingen door de Romeinen – Architectuur & bouwtechniek
De oude Romeinen waren meesters in techniek, architectuur en organisatie. Hieronder een korte opsomming van enkele van hun belangrijkste uitvindingen en bijdragen:
- Romeins beton (Opus Caementicium)
Een vroege, extreem duurzame vorm van cement die het mogelijk maakte om reusachtige en complexe bouwwerken zoals het Pantheon en het Colosseum en koepels te bouwen. - Aquaducten
Ingenieuze systemen van kanalen, tunnels en bruggen om water over lange afstanden van de bron naar steden en badhuizen te transporteren. - Wegennetwerk
Een uitgebreid en gestandaardiseerd netwerk van verharde wegen, zoals de Via Appia, cruciaal voor militair transport en handel. - Boog- en gewelvenconstructies
Ze perfectioneerden het gebruik van de boog, wat leidde tot de constructie van stevige bruggen en aquaducten. - Riolering
Het aanleggen van grootschalige ondergrondse rioolsystemen, zoals de Cloaca Maxima, voor het afvoeren van afvalwater.
Organisatorisch & sociaal
- De kalender
De Romeinen introduceerden de Juliaanse kalender door Julius Caesar, de voorloper van onze huidige Gregoriaanse kalender. - Het Latijnse alfabet
De basis van veel moderne westerse schriften. - Romeinse cijfers
Een systeem om getallen te noteren. - Gestandaardiseerd muntstelsel
Het gebruik van gestandaardiseerd geld, munten van goud, zilver en koper, voor handel in het hele rijk. - Rechtssysteem
De basisprincipes van het Romeinse recht hebben de juridische systemen van veel westerse landen beïnvloed.
Comfort & overige
- Vloerverwarming (Hypocaustum)
Een systeem om badhuizen en villa’s te verwarmen door hete lucht onder de vloer te laten circuleren. - Badhuizen (Thermen)
Grote openbare badcomplexen die dienden als sociale en recreatieve centra. - Medische instrumenten
Veel geavanceerde chirurgische instrumenten.
De serie over het ontstaan van watermolens is gebaseerd op algemene kennis en openbare bronnen, die wij hebben getoetst op correctheid. We willen van deze serie geen wetenschappelijk verhaal maken. Wij schrijven voor een zo breed mogelijk publiek om deze kennis voor iedereen laagdrempelig beschikbaar te maken, ook voor de jeugd. Wij zijn geen wetenschappers, maar doen wel diepgravend onderzoek alvorens wij het publiceren.
Waterrad Griekse molen, Perahora-Lutraki, Griekenland, 1ᵉ eeuw n.Chr (reconstructie).
Thessaloniki Technology Museum
Watermolens ontwikkeld door de eeuwen heen
De echte watermolen, die waterkracht gebruikte om bijvoorbeeld graan te malen, wordt doorgaans gelinkt aan:
- De Grieken
Zij kenden het gebruik van watermolens vermoedelijk in de 2e eeuw v.Chr. en het gebruik van waterkracht als energiebron werd al beschreven in het werk van Philon van Byzantium. De meest primitieve variant zou de Griekse molen zijn geweest, met een horizontaal waterrad dat de maalsteen direct liet draaien, hoewel de efficiëntie en het bestaan ervan soms ter discussie staan. - De Romeinen
Ze bouwden watermolens, waarschijnlijk na de technologie te hebben leren kennen in gebieden als Syrië en Egypte. De Romeinse architect Vitruvius beschreef rond 20 v.Chr. de eerste gedocumenteerde Europese watermolen, een onderslagmolen op de Tiber in Rome. - Technologische vooruitgang
Een belangrijke Romeinse ontwikkeling was het gebruik van tandwielen om de beweging van een verticaal schoepenrad over te brengen naar de horizontale maalstenen. Dit maakte molens efficiënter en minder afhankelijk van alleen sterke stroming. Een complex uit de 2e eeuw in het Franse Fontvieille, met twee rijen van acht bovenslag graanmolens, getuigt van deze geavanceerde toepassing.
Romeinse watermolens
In 2016 heeft Marco (M.M.C.) van Tiggelen een scriptie geschreven voor zijn studie aan de Radboud Universiteit. De scriptie “Romeinse watermolens: De techniek, de toepassing en het belang van watermolens in de late oudheid.” Beschrijft niet alleen de ontwikkeling en de opkomst van watermolens in de Romeinse tijd van circa 200 jaar voor tot circa 300 jaar na de jaartelling, maar ook met name de invloed van de slavernij hier in.
|
Marco van Tiggelen eindigt de conclusie van zijn scriptie als volgt:
|
Verantwoording:
Marco (M.M.C.) van Tiggelen – Radboud Universiteit
Download de scriptie Romeinse watermolens – Marco van Tiggelen – Radboud Universiteit
Bovenslag-, middenslag- en onderslag watermolens
Er zijn in de basis twee typen watermolens. De bovenslag watermolen, de middenslag watermolen en de onderslag watermolen.
Bovenslag watermolen (Middeleeuwse ontwikkeling)
- Aandrijving
Het water wordt via een goot boven naar het rad geleid en valt van bovenaf in de bakken of schoepen van het rad. De kracht komt voornamelijk van het gewicht van het neervallende water (potentiële energie). - Verval
Vereist een groter verval, vaak meer dan 2-3 meter, en werkt meestal met een kleiner debiet*. - Werking
De bakken vullen zich en door het gewicht gaan ze naar beneden, waardoor het rad draait. Dit type rad draait in de tegenovergestelde richting van een onderslagrad. - Rendement
Over het algemeen hoger dan een onderslagmolen, omdat de zwaartekracht efficiënt wordt gebruikt.
Middenslag watermolen
Een middenslag watermolen past men toe in een situatie met een middelmatig tot klein verval (hoogteverschil) van het water, vaak op een beek of kleine rivier.
Hier zijn de belangrijkste kenmerken en toepassingssituaties:
- Wateraanvoer
Het water wordt ongeveer halverwege het waterrad aangevoerd, via een goot of molentak. - Aandrijfprincipe
De molen haalt zijn energie uit een combinatie van:- Het gewicht van het water dat in de schoepen valt en naar beneden drukt.
- De stroomsnelheid van het water dat de schoepen raakt.
- Verval
Een middenslagmolen is ideaal bij een gemiddeld verval dat groter is dan bij een onderslagmolen, maar kleiner dan bij een bovenslagmolen. Dit ligt typisch in het bereik van ongeveer 1 tot 3 meter. - Rendement
Het rendement is over het algemeen hoger dan bij een onderslagmolen, maar lager dan bij een bovenslagmolen.
Kortom, de middenslagmolen is een efficiënte oplossing op plaatsen waar de beek niet snel genoeg stroomt voor een onderslagmolen, maar waar het verval, door bijvoorbeeld een stuw of de natuurlijke helling van het landschap, niet hoog genoeg is om het water boven op het rad te leiden zoals bij een bovenslagmolen. Middenslagmolens kwamen en komen sporadisch voor. Ze kwamen vaak voor in de meer heuvelachtige gebieden in Nederland zoals Limburg, de Veluwe en België.
Onderslag watermolen (Oudste type)
- Aandrijving
Het water stroomt onder het rad door en duwt tegen de schoepen aan de onderkant. De kracht komt voornamelijk van de snelheid van het stromende water (kinetische energie). - Verval
Geschikt voor waterlopen met een klein verval, doorgaans minder dan 1-2 meter, en een groot debiet* (veel water). - Werking
De waterstroom wordt vaak via een sluis of nauwe goot tegen de schoepen geleid voor een hogere snelheid. - Rendement
Over het algemeen lager dan een bovenslagmolen, omdat er altijd water langs de schoepen kan lekken zonder arbeid te verrichten.
* Debiet
De hoeveelheid vloeistof of gas die per tijdseenheid door een bepaald punt stroomt, zoals water uit een kraan of een rivier.
Overige typen
Er zijn nog meer typen watermolen met een ander aandrijving dan een bovenslag-, middenslag of onderslag watermolen. Dit zijn watermolens die worden aangedreven op basis van een turbine of waarbij een wormwiel wordt toegepast binnen de constructie. De turbine watermolen is een uitvinding uit de 18e of 19e eeuw. De uitvinding en toepassing door aandrijving van watermolens op basis van een wormwiel hebben we niet kunnen vaststellen, maar dit is waarschijnlijk van voor de 18e eeuw. Beide typen worden hier onder toegelicht.
Zo kan het ook
Er zijn nog meer toepassingen om een watermolen aan te drijven. Zo kan water met hoge snelheid en veel kracht op een horizontaal draaiend waterrad worden gestort. Kijk voor de uitleg op de pagina Watermill Mylos (Luka’s watermill).
Turbine watermolen
De turbine watermolen is een moderner type watermolen dat de energie van stromend water omzet in een draaiende beweging, net als een traditioneel waterrad. Het belangrijkste verschil is echter de methode van energieoverdracht. De werking van een turbine watermolen berust op de druk van het water, in plaats van voornamelijk het gewicht of de snelheid, zoals bij de meeste schoepenraderen.
De werking
- Watertoevoer
Het water wordt via een toevoerkanaal (vaak een buis of kanaal) naar de turbine geleid. - Drukopbouw
Door de constructie wordt het water onder druk gezet, wat de basis vormt voor de energieopwekking. - Geleideschoepen (Stator)
Voordat het water de rotor bereikt, stroomt het door vaste geleideschoepen (stator). Deze schoepen zijn cruciaal, omdat ze de stroomrichting en de snelheid van het water zo aanpassen dat het met optimale efficiëntie de rotor raakt. - Rotor
Het water met hoge druk en snelheid stroomt vervolgens tegen de gebogen schoepen van de rotor, het draaiende deel van de turbine. De vorm van de schoepen zorgt ervoor dat de druk van het water de rotor in beweging brengt. - Draaiende beweging
De rotor begint te draaien en de as van de turbine zet deze rotatie over op de maal- of hamerinstallatie in de molen of een generator voor het opwekken van elektriciteit. - Waterafvoer
Het ‘uitgewerkte’ water stroomt onderaan de turbine weg.
Belangrijkste kenmerken
- Compactheid en efficiëntie
Turbines zijn veel compacter dan een traditioneel waterrad en hebben vaak een hoger rendement, vooral bij een beperkt verval (hoogteverschil) van het water. - Druk
De turbine benut de waterdruk optimaal, wat een groot voordeel is ten opzichte van oudere waterraderen. - Toepassing
Turbines, zoals de Francis- of Pelton-turbine, zijn een uitvinding uit de 18e en 19e eeuw en werden vaak gebruikt om in watermolens het houten buitenrad te vervangen vanwege het hogere rendement.
Wormwiel
Wormwielen worden gebruikt in watermolens, maar over het algemeen niet als de hoofdaandrijving tussen het waterwiel en bijvoorbeeld de maalstenen. Een wormwieloverbrenging, die bestaat uit een worm, een soort schroef, en een wormwiel, een tandwiel, wordt gekenmerkt door de grote vertraging. Het biedt een zeer grote overbrengingsverhouding in een compacte ruimte. De as van het wormwiel draait veel langzamer dan de as van de worm.
Wormwielen zijn ideaal voor mechanismen die een precisie, zware vertraging en zelfremmendheid vereisen. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn bij het verstellen van de schuifdeuren of kleppen die de waterstroom naar het waterwiel regelen, de zogenaamde regulateurs, zoals beschreven in historische constructies. De zelfremmendheid zorgt ervoor dat de klep op zijn plaats blijft staan zodra de bediening stopt.
De afbeelding toont het principe van een wormwiel.
Innovatie
De watermolen was in de Romeinse tijd een belangrijke innovatie, omdat deze een goedkoper en lichter alternatief bood voor de handmolens of de rosmolens die door slaven of dieren werden aangedreven zoals de alinea “Romeinse watermolens” hier boven. In de Middeleeuwen zou de technologie zich pas echt op grote schaal verspreiden en voor innovatie zorgen en veel meer toepassingen dan alleen graan malen gebruikt worden. We kennen inmiddels de volgende type molens. Dit kunnen ook windmolens zijn:
Korenmolen – Malen
Graan malen tot meel. Dit kunnen ook andere granen zijn zoals rogge of gerst.
Poldermolen – Waterbeheersing / Bemaling
Pompen van overtollig water uit polders of laaggelegen gebieden om het land droog te houden met behulp van schepraderen, vijzels of pompen.
Oliemolen – Persen en slaan van olie
Perst olie uit oliehoudende zaden zoals lijnzaad, koolzaad en raapzaad. De olie werd gebruikt voor verlichting, zeep, verf en lak.
Houtzaagmolen – Zagen van hout
Zaagt boomstammen tot planken, balken en latten voor de scheepsbouw, huizenbouw en andere constructies.
Papiermolen – Maken van papierpulp
Maalde en stampten vodden en later houtvezels tot een fijne pulp, de basis voor de papierproductie.
Volmolen – Textielbewerking (vollen)
Maakte geweven wollen stof (laken) steviger en compacter door de vezels te laten vervilten, een proces genaamd ‘vollen’, door middel van stampers of hamers.
Pelmolen – Pellen van graan / rijst
Pelde gerst om gort te maken, en later ook rijst, door de oneetbare vliesjes van de korrels te verwijderen.
Verfmolen / Krijtmolen – Vermalen van grondstoffen
Maalde minerale en plantaardige grondstoffen tot fijne verfpoeders en pigmenten bijvoorbeeld voor de schilder- of aardewerkindustrie.
Snui- en specerijenmolen – Fijnmalen
Maalde gedroogde bladeren tot snuiftabak, en verwerkte specerijen zoals peper, mosterd, kaneel en nootmuskaat.
Runmolen / Eekmolen – Bewerking van leer
Maalde eikenschors tot poeder, run of eek, dat werd gebruikt bij het looien van dierenhuiden tot leer.
Meer informatie
Wil je meer informatie en lezen over het ontstaan van watermolens en indrukwekkende watermolencomplexen uit de oudheid, kijk dan op onderstaande pagina’s uit deze serie:
- De watermolens van Barbegal
- De watermolens op de Monte Ginico – Janiculumheuvel
- Het watermolencomplex in Jerash (Gerasa)
- Het watermolencomplex van Simitthus (Chemtou)
- Het watermolencomplex bij Caesarea Maritima
Bijzonderen watermolens
De komende periode wordt deze serie met meer pagina’s uitgebreid.
