MODELL AV PERPETUUM MOBILE

Transkript

1 VATTENKRAFT

2 MODELL AV PERPETUUM MOBILE OMKRING 1810 Förmålet visar resultatet av någon uppfinnares dröm om en evighetsmaskin, d.v.s. en maskin som går utan att energi i någon form behöver tillföras utifrån. Denna dröm är många hundra år gammal. Den första dokumentationen är daterad 1245 och återfinns i arkitekten Villard de Honnecourts ännu bevarade skissbok. Det var en apparat som dock inte liknar det aktuella föremålet. Sedan dess har många olika apparater avsedda att arbeta efter olika principer sett dagens ljus. Ett flertal av vetenskapshistoriens verkligt stora namn, bl a Leonardo da Vinci och Daniel Bernouli var inte främmande för tanken. I Ramellis och Diderots rikt illustrerade encyklopedier från och 1700-talen Museets modell av ett perpetuum mobile. finns många konstruktioner redovisade. Inte förrän bland andra Christiaan Huygens i slutet av 1600-talet påvisade, att det är teoretiskt omöjligt att framställa en fungerande evighetsmaskin, mattades intresset dock utan att helt dö ut ens bland skolande ingenjörer och vetenskapsmän. Det aktuella föremålet avses fungera på ett sätt som redovisas i ett flertal varianter i ovan nämnda encyklopedier. Den enkla grundidén består i, att man låter ett vattenhjul driva en pump som pumpar tillbaka det nedstörtande vattnet till en tank eller ränna, varifrån det återigen går till vattenhjulet. Ingen ytterligare tillförsel av vatten behövs alltså! I många fall kan man t.o.m. se hur uppfinnaren tänkt sig, att hans maskin ska kunna driva något nyttigt och inte bara sig själv. Ett exempel (se fig) visar drivning av en slipsten, och man kan se, hur uppfinnaren t.o.m. tänkt sig att stjäla litet av vattnet från vattenhjulet för att spola över slipstenen, där en man sitter och våtslipar knivseggar. Den komplicerade och energikrävande mekaniska transmissionen har inte bekymrat upphovsmannen. Konstnären har dessutom givit snäckan, som skall uppfordra vattnet, en nära nog vertikal lutning, så att den omöjligen skulle kunna pumpa upp vatten. Avbildning från 1700-talet som visar ett perpetuum mobile som driver en slipsten. Det utställda föremålet är en modell av ett sådant perpetuum mobile som skulle drivas av det rundpumpade vattnet. Konstruktören modellbyggaren är okänd. KÄLLOR: Grenander, Max, Perpetuum Mobile, Stockholm TM

3 HORISONTELLT VATTENHJUL SKVALTHJUL 1900-TALET Skvalthjulet är den allra enklaste typen av vattenhjul. De har använts i Sverige sedan medeltiden för malning av säd i s.k. skvaltkvarnar. Museets skvalthjul köptes in Det horisontella vattenhjulets skvaltans tidiga historia och ursprung är höljt i dunkel. Några säkra bevis för att denna typ av vattenhjul skulle ha använts under antiken eller tidigare finns inte. Det har antagits att det horisontella vattenhjulet skulle var äldre än det vertikala eftersom konstruktionen är enklare men detta är bara en hypotes. En gissning är att det horisontella vattenhjulet började att användas omkring 100 f.kr., någonstans utanför medelhavsregionen i Asien, kanske i Kina. Vad som är säkert är att det horisontella vattenhjulet spreds runt i hela Europa under medeltiden. Det går inte att exakt datera när vattenhjulet infördes i Sverige. Sparsamma historiska dokument tyder på att det kan ha skett i slutet av 1100-talet eller i början av 1200-talet. Det går inte heller att avgöra om det handlar om horisontella eller vertikala vattenhjul. Ett definitivt bevis för skvalthjulets förekomst finns i landskapslagarna Dalalagen och Västmannalagen från 1200-talets andra hälft. Det horisontella vattenhjulet uppträdde i två former, dels med raka snedställda skovlar, dels med en krans av skedformade skovlar. Den senare varianten förekom i sydliga Europa men var ovanlig i de nordiska länderna. Den moderna vattenturbinen kan betrakta som en vidareutveckling av det horisontella vattenhjulet. Det horisontella vattenhjulet kom att utvecklas under senmedeltiden och under nya tiden. Hjul med skedformiga blad placerades i sumpar för att hushålla med vattnet. Under 1700-talet och i början av 1800-talet gjordes en mängd försök att förbättra det horisontella vattenhjulet. I Frankrike utfäste 1826 Sociéte d - Encouragement pour l industrie Nationale ett pris om 6000 francs till den som kunde konstruera ett horisontellt vattenhjul med skedformade skovlar som uppfyllde vissa krav på verkningsgrad m. m. Konstruktionen skulle svara mot industrins behov. Den unge ingenjören Bénoît Fourneyron lämnade in det vinnande bidraget och hans konstruktion Fourneyronturbinen räknas som den första praktiskt användbara vattenturbinen. ATT FÅ VATTEN PÅ SIN KVARN Det horisontella vattenhjulets huvudsakliga användningsområde var i mjölkvarnar skvaltkvarnar. Det förekom dock även inom andra områden, t.ex. vid tröskning av säd och slipning av marmorkulor (Tyskland). Den svenske bergsvetenskapsmannen Sven Rinman nämner i Afhandling rörande mechaniquen (1782) planslipning av sten som ett användningsområde inom bergbruket. Skvaltkvarnar har använts i Sverige från medeltiden till modern tid. Ännu under 1:a världskriget användes skvaltor och så sent som under 2:a världskriget maldes med skvaltkvarnar, bl.a. i Halland. Det horisontella vattenhjulet underlättade arbetet högst avsevärt. Den dagliga handmalningen kunde ersättas av en höst och/eller vårmalning (den tid då vattenflödet var rikligast). Detta fick betydelse för kost- och hushållningen. Det daglig baket ersattes med storbak av lagringsbart förrådsbröd: knäckebröd och tunnbröd. Skvaltkvarnen var till skillnad från hjulkvarnen enkel till sin konstruktion och kunde i princip uppföras av varje bonde. Varje hushåll i en by kunde bygga sin egen skvalta. Dessa kunde ligga i rad efter varandra längs en bäck. Kvarntypen benämns därför gärna husbehovskvarn. Eftersom skvaltkvarnen var enkel att uppföra blev den en konkurrent till den större hjulkvarnen. På 1500-talet blev alla skattepliktiga bönder skyldiga att mala i kronans tullkvarnar eller i särskilt priviligerade kvarnar. Kungens fogdar fick i uppgift att förstöra de skvaltor som störde tullkvarnarna. För skvaltkvarn finns många synonyma uttryck bl.a. fotkvarn, enfota, klubbkvarn och bäckakvarn. Det gamla talesättet att få vatten på sin kvarn avser kanske inte specifikt skvaltan men kan nämnas. DET SKVALTAR OCH STÄNKER Ett skvalthjul är tillverkat av trä och försett med fasta snedställda skovlar. I mitten av hjulet sitter en axel. Vattnet leds genom en lutande ränna och verkar mot bladen genom stöt aktion. Det är vattenstrålens rörelseenergi som utnyttjas. Det horisontella vattenhjulet användes till att mala säd i en anläggning som kallades för skvaltkvarn. En sådan anläggning bestod av ett kvarnhus och en ränna av trä. Genom rännan leddes vattnet från en damm. Rännan kunde stängas och öppnas med en trälucka som manövrerades med en hävstång. Vattenhjulets vertikala axel löpte genom ett hål i mitten av två kvarnstenar. Understenen, liggaren, var fast. Överstenen var Skvalthjul. 3

4 fästad vid toppen på axeln och sattes i rörelse av vattenhjulet, utan någon mellanliggande växel (som var nödvändig då vertikala hjul användes). Axelns nedre ända stödde mot en horisontell stock, den sk lättan. Genom att höja eller sänka lättan var det möjligt att reglera avståndet mellan stenarna under malningen. Säden, som förvarades i en trattformig behållare ovanför stenarna, fick sakta rinna ned genom hålet i löparen ögat. Tratten mynnade i en liten lucka skon eller skeppet - vilken reglerade tillförseln av säd. På luckan satt en liten pinne skakpinne som släpade mot löpstenens ovansida. När löparen gick runt skakades säden ned. Skvalthjulets verkningsgrad är mycket låg, omkring 15%. Endast en mindre del av vattnets energi kan alltså överföras till hjulet. Systemet är öppet och det mesta av vattnet skvaltar och stänker till ingen nytta. FEM KRONOR Museets skvalthjul användes i en husbehovskvarn på Svalhults gård, Breareds socken, nordost om Halmstad, fram till 1927, då kvarnen brann ned. Hjulet köptes in till Tekniska Museet 1937 från lantbrukare Edvin Svensson i Svanhult. Priset var 5 kr och köpet förmedlades av Fil.Dr. Erik Salvén, Halmstad. KÄLLOR: Sundin, Bosse, Att få vatten på sin kvarn; om kvarnar i historien, i I Teknikens Backspegel, red. Bosse Sundin, Malmö Ek, Sven B., Väderkvarnar och Vattenmöllor, Lund 1962, s 5 10, 49 53, Reynolds, Terry S., Stronger than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel, Baltimore 1983, s Rinman, Sven, Afhandling rörande Mechaniquen, med tillämpning i synnerhet till bruk och bergverk, Stockholm 1782, s Wikander, Örjan, Vattenmöllor och möllare i det romerska riket, Lund 1980, s 139. Åberg, Alf, Från skvaltkvarn till storkraftverk, Stockholm 1962, s Åsgrim, Agneta, Kvarnar i Varbergs kommun, Varbergs Museums årsbok Bilaga till TM (Tekniska Museets arkiv). TM

5 MODELL AV UNDERFALLSHJUL 1800-TALET Utmärkande för underfallshjulet är, att vattnet träffar skovlarna i hjulets nedre del. Underfallshjul användes redan i romarriket och har fungerat som drivkälla i bl.a. kvarnar och sågverk fram till vår tid. Underfallshjulets tidigare historia och ursprung är inte klarlagd. Troligtvis har underfallshjulet utvecklats ur den s.k. Norian som användes för bevattningsändamål i Fjärran Österns länder. Norian var en form av underfallshjul. Det drevs av vattnet i en ström. På hjulets kant satt hinkar som fylldes med vatten och lyftes upp, när hjulet roterade. Det första skriftliga belägget för ett underfallshjul och ett vattenhjul över huvud taget är från ca 25 f.kr. Det är ett dokument i vilket den romerske arkitekten och ingenjören Vitruvius beskriver såväl underfallshjulet som Norian. Från det första århundradet f.kr. finns även arkeologiska fynd av underfallsvattenhjul (Pompeii). Den första avbildningen av ett underfallshjul är från 400-talet (Östromerska riket). Underfallshjul har använts i Europa och andra delar av världen från antiken fram till våra dagar. Det första användningsområdet var i mjölkvarnar. Det anses, att den vattenhjulsdrivna kvarnen fick sitt genombrott i det romerska riket på 300-talet e.kr. Större, praktisk betydelse fick vattenhjulet under medeltiden. Användningen ökade väsentligt från och med 1200-talet. Det var förmodligen också under 1200-talet, som vattenhjulstekniken började att användas i Sverige. Förutom i mjölkvarnar har underfallshjul använts i t.ex. sågar och inom bergsbruket, bl.a. i stampverk. Inom järnhanteringen användes underfallshjul bl.a. till att driva stångjärnshamrar och masugnarnas blåsbälgar. Ytterligare exempel är tråddragning, oljeslagning, pappersframställning och linberedning. Underfallshjulets konstruktion var i stort sett densamma under två årtusenden, även om en gradvis utveckling pågick. Avsevärda förbättringar av underfallshjulet gjordes Tråddrageri drivet av underfallshjul vid Götarpsån i Gnosjö, Småland. Foto: K. Björlingson. 5

6 Noria. under 1800-talet. UNDERFALLSHJULETS KONSTRUKTION OCH FUNKTION Vattenhjul delas in i tre huvudtyper (vi bortser här från det horisontella vattenhjulet eller skvaltan): underfalls-, bröstfalls- och överfallshjul beroende på den punkt där vattnet träffar hjulet. Ett underfallshjul, liksom ett bröstfallsoch överfallshjul, bestod av fyra huvudbeståndsdelar: (1) hjulaxeln, (2) armar (ekrar), (3) hjulringar och (4) skovlar. En viss variation 3förekom dock. En del hjul av denna typ var exempelvis utrustade med en botten som hindrade vattnet att strömma in mot centrum. Underfallshjulen var vanligtvis utrustade med flata, rakt utgående placerade skovlar. När vattnet strömmar på undersidan av hjulet och träffar skovlarna, sätts hjulet i rörelse. Underfallshjulen kunde placeras mitt ute i ett strömmande vatten, vanligtvis förankrade mellan två pråmar (vadhjul). Det vanliga var dock, att underfallshjulet sattes upp vid en damm, och att vattnet leddes mot skovlarn genom en kanal eller ränna. Med hjälp av en pådragslucka mellan dammen och hjulet kunde vattenflödet regleras. Tilloppsrännan kunde vara rak, lutande eller buktig. Den senare varianten var effektivast, eftersom den buktiga rännan den s.k. skulbron höll kvar vattnet längre. Det var ofta de geografiska förutsättningarna som avgjorde, vilken hjultyp man valde att använda. Var vattenmängden liten och fallhöjden hög, valdes ett överfallshjul; var vattenmängden stor och fallhöjden låg, valdes ett underfallshjul. Underfallshjulet var i fråga om prestanda underlägset överfallshjulet. Men underfallshjulet hade fördelen av enklare konstruktion, högre hastighet och mindre dimension. Ett problem med det traditionella underfallshjulet var dess begränsade användbarhet vid skiftande vattennivåer. De medeltida konstruktörerna löste detta problem, genom att konstruera hjul som var höj- och sänkbara och alltså kunde anpassas till vattennivån. Ett annat sätt var, som tidigare nämnts, att placera hjulet ute i vattendraget. Verkningsgraden för det traditionella underfallshjulet låg mellan %. Med buktig tilloppsränna och utformade blad kunde verkningsgraden höjas upp mot 50 60%. Ett genomsnittligt underfallshjul utvecklade 5 7 hk. Modellen är förmodligen ett elevarbete utfört vid Teknologiska Institutet i Stockholm (föregångare till Kgl. Tekniska Högskolan). KÄLLOR: Ek, Sven B., Väderkvarnar och vattenmöllor, Lund 1962, s 12, 64 68, Reynolds, Terry S., Stronger than a hundred men, A History of the Vertical Water Wheel, Baltimore 1983, s 9 19, Näslund, O. J., Sågar: Bidrag till kännedom om sågarnas uppkomst och utveckling, Stockholm 1937, s Sundin, Bosse, Att få vatten på sin kvarn: Om kvarnar i historien, i I Teknikens Backspegel, red. Bosse Sundin, Malmö Uppfinningarnas Bok, Del II, Stockholm 1901, s

7 MODELL AV HÖGT BRÖSTFALLSHJUL 1800-TALET Bröstfallshjulet har fått sitt namn av, att vattnet leds in i höjd med hjulaxeln. I mitten av 1800-talet byggdes bröstfallshjul med en diameter på över 20 meter. Uppgifter saknas om, när de första bröstfallshjulen började användas. En medeltida avbildning tyder på, att hjultypen användes redan under 1200-talet. De tidigaste, säkra bevisen på användning av bröstfallshjul är från 1500-talet. Bröstfallshjulen kom dock att spela en begränsad roll fram till mitten av 1700-talet. Vid denna tid uppstod ett intresse för att förbättra vattenhjulen och både teoretiker och mer praktiskt inriktade konstruktörer kom att ägna sig åt att ta fram den effektivaste typen av vattenhjul. Ett resultat av dessa ansträngningar var insikten i, att överfalls- och bröstfallshjul var överlägsna underfallshjulet. Utvecklingen av bröstfallshjulet kom huvudsakligen att äga rum i Storbritannien. Bakgrunden var landets begränsade vattenflöden i kombination med textilindustrins krav på effektivare vattenhjul för att driva de nya textilmaskinerna. Omkring år 1800 hade bröstfallshjulet i stort sett ersatt underfallshjulet inom den brittiska industrin, och efter 1800 kom det i stor utsträckning även att ersätta överfallshjulen. Fördelen med bröstfallshjul jämfört med överfallshjul var, att de var lättare att manövrera vid olika vattennivåer. I slutet av 1700-talet och i början av 1800-talet började järn att användas som konstruktionsmaterial i vattenhjul. Järnet möjliggjorde att större och kraftfullare vattenhjul kunde byggas. I Storbritannien och USA uppfördes gigantiska vattenhjul helt eller delvis byggda av järn. Ett exempel är The Lady Isabella, ett högt bröstfallshjul, som byggdes 1854 vid en gruva på ön Isle of man i Engelska kanalen. Hjulet, som har en diameter på 22 meter det finns fortfarande kvar utvecklade omkring 230 hk. Bröstfallshjul användes för en rad olika ändamål. De stora bröstfallshjulen användes inom industrin och för pumpning vid t.ex. gruvor. I mindre skala, i t.ex. kvarnar och sågar, var de i bruk till in på 1900-talet. Bröstfallshjulet kunde fortfarande vid mitten av 1800-talet konkurrera med de mindre men effektivare vattenturbinerna. I likhet med överfallshjulet försvann emellertid bröstfallshjulet som drivkälla inom industrin i samband med att vattenkraften började utnyttjas för elproduktion i slutet av 1800-talet. Vattenturbinen var mindre, hade jämnare gång och gav ett högre varvtal, egenskaper som var nödvändiga för att driva en generator. BRÖSTFALLSHJULETS KONSTRUKTION OCH FUNKTION Modellen visar ett bröstfallshjul eller medelfallshjul som det också kallas. I ett sådant vattenhjul leds vattnet in mot skovlarna i jämnhöjd med hjulaxeln. Bröstfallshjul kan betecknas som ett mellanting mellan under- och överfallshjul. Det är i huvudsak vattnets tyngd som driver det runt men också dess tryck. Bröstfallshjul kunde vara utrustade med raka skovlar, men vanligare var att de hade celler hinkar. En tättslutande ränna bröstet som anslöts till hjulets ytterkant, såg till, att vattnet inte lämnade cellerna för tidigt. Bröstfallshjulet användes i kombination med en damm. Med hjälp av ledskenor kunde vattnet styras in mot cellerna. Vattenflödet reglerades med en pådragslucka stämbord som sitter framför ledskenorna. Man skiljer mellan låga och höga bröstfallshjul beroende på, om vattnet leds in under eller ovanför hjulaxeln. Bröstfallshjulet konstruktionelement motsvarade underfalls- och överfallshjulets (se s 6). Ett bröstfallshjul av denna storlek kunde ha en verkningsgrad uppgående till %. Effekten var uppskattningsvis mellan hk. Uppgifter saknas om modellens tillkomsthistoria. Troligen är den ett elevarbete utfört vid Teknologiska Institutet i Stockholm (föregångare till Kgl. Tekniska Högskolan). KÄLLOR: Reynolds, Terry S., Stronger than a hundred men, A History of the Vertical Water Wheel, Baltimore 1983, s 99, , , 307, , TM Lady Isabella uppfört 1854 av the Great Laxey Mining Company, Isle of Man. 7

8 MODELL AV GRUVSPEL, DRIVET AV DUBBELSKOVLAT ÖVERFALLSVATTENHJUL 1840-TALET FALU KOPPARGRUVA Utmärkande för överfallshjulet är, att vattnet leds in ovanifrån och att det får verka genom sin tyngd. Större överfallshjul användes bl.a. inom bergsbruket för att driva spel för uppfordring av malm. Riktigt när de första överfallshjulen började användas är okänt. Man vet att överfallshjul användes i Romarriket för malning av säd i kvarnar. Det äldsta belägget för ett överfallshjul är en väggmålning från 200-talet som hittats i Roms katakomber. Överfallshjul användes under medeltiden till en mängd olika ändamål. Den vanligaste tillämpningen var i mjölkvarnar, men hjultypen användes också inom bergsbruket. Vid gruvorna användes överfallshjul för att pumpa vatten och spela upp malm. Gruvspelen var placerade vid gruvkanten. Eftersom gruvdriften var bunden till gruvan, som kunde ligga långt ifrån vattenfallet, fick vattnet ledas fram till gruvan. (Ett annat alternativ var att överföra kraften från vattenfallet med hjälp av sammankopplade stänger, s.k stånggångar. Tekniken började användas vid tyska bergverk i slutet av 1500-talet, se s 11). För att gruvspelen skulle kunna köras åt båda hållen (reverseras) byggdes överfallshjulen med dubbla uppsättningar skovlar, vända åt olika håll. Man vet att sådana vattenhjul s.k. Kehrräder användes vid bergverk i Ungern redan på 1470-talet. Den tyske bergsmannen Georg Bauer Agricola ( ) beskriver ett sådant hjul i sin bok De re Metallica. Dubbelskovlade överfallshjul användes vid Falu Koppargruva i början av 1600-talet. Med tiden blev konstruktionerna allt större. I början av 1700-talet byggde Christopher Polhem, som under en tid var konstmästare i Falun, ett hjul som mätte 14 meter i diameter. Genom olika förbättringar kunde gruvspelens kapacitet successivt ökas. I slutet av 1700-talet infördes böjda paraboliska tilloppsrännor, och i början av 1800-talet introducerades den koniska linkorgen. Mellan 1750 och 1850 växte en vetenskap fram som behandlade vattenhjulet. Modellen av överfallshjulet vid Drottningens schakt. Denna vetenskap baserades dels på teoretiska antaganden, dels på fakta från experiment. Resultaten av experimenten visade, att överfallshjulet var överlägset underfallshjulet i fråga om effekt. I slutet av 1700-talet och i början av 1800-talet började vattenhjul utföras helt eller delvis av järn. Det innebar, att vattenhjulen kunde byggas i större dimensioner, och att de blev kraftfullare. Under 1800-talet byggdes gigantiska överfallshjul i Europa och USA. Ett av de allra största konstruerades i USA av skotten Henry Burden för ett järnverk i närheten av New York. Hjulet vägde vattenfyllt ca 250 ton, verkningsgraden var omkring 84% och effekten hela 278 hk. Överfallshjulet var den mest seglivade varianten av de olika vattenhjulen. Under vissa förhållanden kunde det konkurrera 8

9 med de mindre vattenturbinerna. Den slutliga dödsstöten för överfallshjulet som drivkälla inom industrin kom i slutet av talet, då elkrafttekniken utvecklades. Överfallshjulet kunde nu inte längre konkurrera med den mindre och i förhållande till sin storlek effektivare vattenturbinen. Överfallshjulet användes dock i småskaliga sammanhang, tex i kvarnar, långt in på 1900-talet. CARL GUSTAF HUSBERG Om modellens ursprung vet vi inte så mycket, men troligen är den byggd vid Falu Bergsskola. Det gruvspel som tjänade som förebild för modellen användes vid Drottningens schakt vid Falu Koppargruva från 1840-talet och framåt. Spelet var konstruerat av Carl-Gustaf Husberg ( ), konstmästare vid gruvan mellan åren Carl-Gustaf Husberg var född i Nyköping och kom tidigt i kontakt med mekaniska anordningar i faderns kvarn. Han fick som barn ingen skolundervisning, men ett naturligt anlag för mekanik förde honom till Falu koppargruva, där han fick anställning Mellan åren genomgick Husberg Falu Bergsskola och 1839 befordrades han till konstmästare. Husberg begärde avsked från gruvan 1850 och flyttade till Västmanland, där han kom att ägna sig åt en kvarnrörelse. För sina insatser tilldelades Husberg av Bergskollegiet (1844) utmärkelsen Svensk bergsmans hedersmärke för snille och flit i guld. Husberg var framgångsrik som konstruktör av olika transportanordningar. Bl.a. konstruerade han Sveriges första linbana, en självstjälpande hund malmvagn, och en farkonst föregångare till hissen. Husbergs olika konstruktioner kom till användning vid hundratals gruvanläggningar och masugnar runt om i Sverige. VATTEN FRÅN OVAN Utmärkande för överfallshjulet är, att vattnet leds genom en tilloppsränna till toppen Gruvspel som drivs av dubbelskovlat vattenhjul. Ur Agricolas De re Metallica. 9

10 av hjulet. Det tillströmmande vattnet faller ned i s.k. celler hinkar som är inbyggda runt hjulets hela omkrets. När cellerna fylls med vatten drivs hjulet runt av vattnets tyngd. Vid en låg punkt töms cellerna på vatten och processen upprepas. Överfallshjul var lämpliga där fallhöjden var hög och vattenmängden liten. Ett överfallshjul består, i likhet med under- och bröstfallshjul, av fem beståndsdelar: Hjulaxeln. Två parallella hjulringar fästade i axeln med armar eller ekrar. Mellan hjulringarna sitter skovlarna eller cellerna. Insidan av hjulet är ofta klätt med brädor som bildar en trumma. En skillnad mellan över- och underfallshjulet ligger i skovlarnas utseende. Underfallshjulet har oftast plana skovlar medan överfallshjulet är utrustat med celler eller fack som ska hålla vattnet kvar. Varje cell består av två eller flera brädor som sitter i vinkel mot varandra. Hjulringarna bildar sidor och trumman av brädor utgör botten. Ett primärt problem vid konstruktionen av cellerna var, att förhindra att vattnet spilldes ut, innan cellen hade nått läget för urtappning. På modellen kan vi iaktta, att vattnet samlas i den s.k. vattenpråmen kummern som är belägen ovanför hjulet. Hit leddes vattnet från närmaste damm genom rännor eller urborrade timmerstockar pipstockar. Från vattenpråmen utgick utloppsrännor strumpar som styrde in vattnet mot hjulets celler. Utloppsrännorna kunde vara raka eller som på modellen svagt böjda. Vattenhjulet var normalt inbyggt i ett hjulhus som rymde en s.k. styrkammare. Från styrkammaren kunde hjulstyraren med hjälp av stänger styra vattenflödet och bestämma åt vilket håll hjulet skulle gå. Styraren kunde även bromsa hjulet med en friktionsbroms på hjulaxeln mellan linkorgarna. Malmen hissades upp i tunnor och linan lindades upp på den s.k. linkorgen. Spelet på modellen är utrustat med två mot varandra ställda koniska linkorgar. Med detta arangemang kunde en lastad tunna firas upp samtidigt som en tom tunna firades ned. Fördelen med att använda koniska linkorgar i stället för att linda upp linan direkt på axeln ligger i en bättre viktfördelning. Linan lindas upp i en spiral från den smala ändan mot den bredare, så att tunnan till en början dras upp när linvarven har liten diameter den lyftande kraften är då störst. När tunnan avancerat ett stycke minskar den lyftande kraften, men då har samtidigt tyngden minskat, eftersom linan lindats upp en bit. I allmänhet hade överfallshjulet en diameter om 3 4,5 m. Större hjul med en diameter upp mot 20 meter användes dock framförallt inom bergsbruket. En övre gräns för överfallshjulets storlek utgjorde fallhöjden, som inte fick överskrida hjulets diameter. Ett överfallshjul som användes t.ex. i en kvarn utvecklade mellan 5 10 hk. De större överfallshjulen som användes vid bergverken kunde utveckla hk eller mer. Ett överfallshjul har en högre verkningsgrad än ett underfallshjul. Beroende på konstruktionen ligger verkningsgraden mellan 50 70% men kan nå upp till drygt 80%. KÄLLOR: Spade, Bengt, m.fl., Kraftöverföringen Hellsjön Grängesberg: En hundraårig milstolpe i kraftteknikens historia, Västerås,1993, s Järnkontorets Analer 1922, s Forsslund, Karl-Erik, Falu Gruva och Stora Kopparbergs Bergslag, Stockholm 1936, s , 187, 240. Sahlin, Carl, Svenska linbanekonstruktioner, i Dædalus Rydberg, Sven, Dalarnas industrihistoria, Några huvudlinjer, Malung 1992, sid TM

11 MODELL AV DUBBEL STÅNGGÅNG 1850-TALET FALU KOPPARGRUVA En stånggång består av sammankopplade stänger. Med hjälp av en sådan anordning kunde kraften från ett vattenhjul överföras till ett gruvschakt. Stångångar började användas i Tyskland i slutet av 1500-talet, och ännu in på 1930-talet användes de vid svenska gruvor. Bergshantering är ett område, där man tidigt hade ett stort behov av kraft. Vid gruvorna drevs pumpverk och spel med vattenhjul. Om inte gruvan var belägen i anslutning till ett vattendrag, kunde vattnet ledas fram till vattenhjulen i kanaler och rännor. Det var dock inte alltid den bästa lösningen. Med ett vattenhjul stående vid gruvkanten, kunde det hända, att vattnet rann ut ur de otäta rännorna och ner i gruvan. En bättre lösning var, att överföra kraften från vattenfallet till gruvan med hjälp av s.k. stånggångar. Stånggången bestod av sammankopplade stänger. Med hjälp av vevar på hjulaxeln omvandlades vattenhjulets roterande rörelse till en fram- och tillbakagående rörelse. Stängerna hängdes upp på stolpar på ett sådant sätt, att friktionen blev så liten som möjlig, när stängerna gick fram och åter. Stängerna var fästade vid s.k. vinkarmar. Dessa kunde ha olika utseende. I de tidiga stånggångarna var vinkarmarna av trä och fästade direkt under stängerna. I senare konstruktioner, som kan iakttas på denna modell, användes hängande vinkarmar av smidesjärn. Det är osäkert var och när stånggångar först började att användas. Förmodligen utvecklades stånggångstekniken vid de mellantyska bergverken i slutet av talet. I Sverige introducerades stånggången i början av 1600-talet (Bispberg 1609). På 1620-talet infördes tekniken vid Falu Koppargruva. Ett flertal längre stånggångar byggdes i Sverige under 1600-talet: t.ex. Dannemora Gruva 1679 (1500 meter), Stråssa 1684 (2100 meter) och Bispberg (1500 meter). Ett problem med stångångarna var friktionsförlusterna som uppgick till ca 20% per km. Det innebar att en stor del av effekten gick förlorad. En svaghet hos de tidiga stånggångskonstruktionerna var, att den linjära rörelsen endast kunde användas för pumpdrift. För att kraften skulle kunna nyttjas för att driva gruvspel för uppfordring av malmtunnor krävdes, att rörelsen kunde göras roterande och gärna åt båda hållen. Den svenske mekanikern Christopher Polhem, som under en tid var konstmästare vid Falu Koppargruva, lyckades i slutet av 1600-talet överföra vattenhjulets roterande rörelse till en avlägsen lintrumma med hjälp av stånggångar i konträr drift. Genom att förse vattenhjulets axel med en vev i varje ända, med ett kvarts varvs förskjutning sinsemellan och motsvarande arrangemang på lintrumman kunde en roterande rörelse åstadkommas. Polhem var kanske inte först med denna idé, men han var den förste som lyckades bygga en sådan anordning som gick att använda. Stånggången vid Fredriks schakt, Falu koppargruva. Polhem gjorde även andra förbättringar av stånggångstekniken. Bl.a. förfinade han de s.k. vändbrotten som användes för att ändra stånggångens riktning. Under och 1800-talet förbättrades stånggångstekniken kontinuerligt. Bl.a. byggdes stånggångar med s.k. avdelningsbrott som kunde fördela kraften till flera gruvhål. På 1870-talet iordningsställdes vid Grängesbergs Gruva ett system för stånggångsöverföring. Systemet omfattade dammar, milslånga kanaler, sju vattenhjul och sammanlagt 7 km stånggångar. Tillsammans med en vattenhjulsdriven linöverföring utvecklade systemet blygsamma 55 hk. Ännu så sent som på och talen användes stånggångar vid svenska gruvor. VID KONUNG FREDRIKS SCHAKT Museets modell föreställer en stånggång som uppfördes 1853 vid Konung Fredriks schakt Falu Koppargruva. Konstruktionen ritades av konstmästa- 11

12 ren vid gruvan Håkan Steffansson. Anläggningen byggdes om på 1890-talet och användes in på 1900-talet. Håkan Steffansson ( ), var konstmästare mellan En konstmästaren hade ansvar för gruvans alla mekaniska anordningar för uppfordring av malm och vatten. Vid sidan om denna befattning sysslade Steffansson med projektering av dammar, vattenhjul m.m. vid järnbruk och gruvor runt om i landet. När Karl XIV Johans tunga sarkofag skulle transporteras från Älvdalens porfyrverk till Gävle i mitten av 1800-talet, var Steffansson engagerad för att förstärka broar och förbättra vägar. På så sätt kunde transporten säkras. Uppgifter om var och när modellen är tillverkad saknas. Möjligen härstammar den från Falu Bergsskola och bör ha byggts i mitten av 1800-talet. Denna stånggång vid Timansbergs gruvfält i Västmanland uppfördes och var i drifrt fram till Foto Stånggångsdrivet pumpverk. Illustration ur Löhneyss, Bericht vom Bergwek KONSTRUKTION OCH FUNKTION Modellen föreställer en s.k. dubbel stånggång. På överfallshjulets hjulstock (axel) sitter två vevar som omvandlar vattenhjulets roterande rörelse till en fram- och tillbakagående rörelse. Kraften överförs från hjulet till pumpschaktet med hjälp av sammankopplade stänger. Dessa hålls uppe med vinkarmar. Vinkarmarna är upphängda i stolpar. Vid gruvschaktet vinklas rörelsen nedåt i ett vändbrott och kan på så sätt driva pumparna. Den pumpanordning som används är en s.k. sug- och lyftpump. I en genomborrad timmerstock pipstock rör sig en kolv upp och ned och suger upp vattnet från en lägre nivå till en högre. Ett problem var, att vattnet bara kunde pumpas till en höjd av ca 10 meter. Vattnet fick därför pumpas upp i flera steg. Den s.k. storstången, som är fästad vid stånggången, driver flera kolvstänger. Den översta pumpen pumpar ut vatten i en avloppsränna, medan de övriga pumpar upp vatten till sumpar, varifrån det sedan pumpas vidare. KÄLLOR: Åberg, Alf, Från skvaltkvarn till storkraftverk, Stockholm 1962, s Rydberg, Sven, m.fl., Svensk teknikhistoria, Värnamo 1989, s 51, Spade, Bengt, m.fl., Kraftöverföringen Hellsjön Grängesberg: En hundraårig milstolpe i kraftteknikens historia, Ludvika, 1993, s Forsslund, Karl-Erik, Falu Gruva och Stora Kopparbergs Bergslag, Stockholm 1936, s 106, Lindroth, Sten, Gruvbrytning och kopparhantering vid Stora Kopparberget intill 1800-talets början, Del I, Uppsala 1955, sid , ,