Водяное колесо — механическое устройство для использования энергии текущей или падающей воды с помощью набора лопастей, установленных вокруг колеса. Сила движущейся воды воздействует на лопасти, и в результате вращение колеса передается на механизмы через вал колеса. Водяное колесо было, пожалуй, самым ранним источником механической энергии, заменившим энергию человека и животных, и впервые использовалось для решения таких задач, как подъем воды, набивка ткани и помол зерна.
Ниже приводится краткое описание водяных колес. Полное описание см. в разделе «Преобразование энергии»: Водяные колеса.
Сочетание водяного колеса и передаточного механизма, часто включающего зубчатую передачу, в средние века обычно обозначалось как мельница. Из трех различных типов водяных мельниц самой простой и, вероятно, самой ранней было вертикальное колесо с веслами, на которые действовала сила потока. Следующим было горизонтальное колесо, приводившее в движение жернов через вертикальный вал, прикрепленный непосредственно к колесу. Третьей была зубчатая мельница, приводимая в движение вертикальным водяным колесом с горизонтальным валом. Она требовала больше знаний и инженерных навыков, чем первые две, но обладала гораздо большим потенциалом. Вертикальные водяные колеса также различались по месту контакта воды с колесом: первое — подколенное колесо, второе — грудное колесо и третье — перекольное колесо. Эти водяные колеса обычно использовали энергию движущихся потоков, но в XI веке появились и приливные мельницы.
У каждого типа мельниц были свои преимущества и недостатки. Об их развитии до Средневековья известно сравнительно немного, но некоторые их характеристики позволяют определить порядок появления в контексте сложности конструкции и возможностей использования.
Простое вертикальное колесо не требовало дополнительных конструкций, но сила и скорость отбора мощности зависели от характеристик потока и диаметра колеса. Поскольку изменение направления силы не требовалось, это колесо оказалось наиболее полезным для подъема воды, например, с помощью вереницы горшков, приводимых в движение цепной передачей.
Горизонтально-колесная мельница (иногда называемая норвежской или греческой) также не требовала особых вспомогательных конструкций, но была пригодна для измельчения, поскольку верхний жернов закреплялся на вертикальном валу. Однако такую мельницу можно было использовать только там, где ток был пригоден для измельчения.
Мельница с зубчатым вертикальным колесом была более универсальной. Строительство было относительно простым, если колесо имело нижнюю часть, потому что лопасти колеса можно было просто опустить в поток, будь то река, прилив или построенная человеком мельница. Мельник мог выбрать передаточное число, чтобы согласовать использование мощности со скоростью течения, а колесо можно было установить на арке моста или на барже, стоящей на якоре в середине потока. Витрувий описал первое вертикальное колесо с зубчатой передачей, о котором у нас есть достоверные сведения. Эта мельница имеет большое значение еще и потому, что это было первое применение зубчатой передачи для использования не только мускульной силы. Эта мельница имела колесо с нижней прорезью и, в отличие от колес с грудной или верхней прорезью, не использовала вес падающей воды.
Мельницы с зубчатой грудью и колесами overshot требовали больше вспомогательных конструкций, но они позволяли наиболее широко использовать имеющуюся водную энергию. Основная проблема строительства заключалась в размещении мельницы там, где падение воды соответствовало бы требуемому диаметру колеса. Для этого можно было использовать либо длинный жернов, идущий вверх по течению, либо плотину.
О деталях разработки мельниц с зубчатым колесом в период между Витрувием и XII веком известно немного. Выдающимся сооружением была зерновая мельница в Барбегале, недалеко от Арля, Франция, которая имела 16 каскадных колес диаметром 7 футов (2 м) с деревянной передачей. По оценкам, эта мельница могла удовлетворить потребности населения численностью 80 000 человек.
Несмотря на то, что мельница с зубчатой передачей, способная адаптироваться к самым разным условиям течения, использовалась еще в Римской империи, исторические данные свидетельствуют о том, что ее наиболее драматические промышленные последствия произошли в Средние века в Западной Европе. После XIII века водяное колесо с уступом, по-видимому, стало более распространенным, чем с уступом.
Зубчатая мельница Средневековья была фактически общим механизмом для использования энергии. Мощность мельницы, приводимой в движение лошадью или скотом, была невелика по сравнению с мощностью водяных колес, которые обычно вырабатывали от двух до пяти лошадиных сил.
