Wasserräder sind soooo faszinierend :-)

Man kann ihnen Stunden zusehen, noch besser ist es aber, sie selber zu bauen. Diese Seite möchte Anregungen zum Modellbau von Wasserrädern geben. Ein Wasserradmodell in einem Fluss sieht schön aus, doch kann ein Wasserrad mehr als sich nur drehen. Es kann wie früher Arbeiten für uns erledigen wie Wasser schöpfen, hämmern oder es kann mit einem Generator Strom erzeugt werden und vieles mehr. Viel Spaß beim Bauen und Experimentieren.

 Als erstes zeige ich euch 6 verschiedene Bauarten an Wasserrädern, vom einfachen aus Flaschendeckeln bis hin zum Wasserrad mit Schaufelblättern. Danach zeige ich euch wie Wasserräder eingesetzt werden können, vom einfachen Schmiedehammer, bis zum Generator. Als letztes habe ich noch ein bisschen Theorie über die Wasserräder, also fangen wir an. 

Der Bau von Wasserrädern:

Wasserrad 1, mit flachen Holzschaufeln:

 Das Modell 1 ist nicht ganz so einfach zu bauen, aber es bekommt eine hohe Geschwindigkeit und hat viel Kraft. Für dieses Modell werden zwei 12mm OSB Holzplatten rund ausgesägt, verschraubt und geleimt. Danach werden die Schlitze für die Schaufeln gesägt. Die Schlitze muss man etwas kleiner machen als die Schaufeln, so dass die Schaufeln mit dem Hammer eingeschlagen werden können. Wenn dann Wasser auf die Schaufeln kommt, werden sie von ganz alleine fest. Der Holzkreis soll nachher ca. 350mm Durchmesser haben und die Schaufeln ca. 150mm lang sein. Von diesen 150mm sollen dann 80mm aus dem Holz herausschauen. In einem Loch in der Mitte wird eine Gewindestange als Achse befestigt. Eine M8 Gewindestange hat sich als die Beste erwiesen. Das Aufhängen des Wasserades ist von dem Bach abhängig. Wichtig ist, dass genügend Platzt ist und dass das Wasserrad gut befestigt werden kann.

Wasserrad 2, mit Holzbrettchen:

 Mit 4 Schaufeln ist dieses Wasserrad wirklich einfach zu bauen. Vor allem Kindern haben Spaß an diesem Wasserrad, weil sie selber sägen und hämmern können und das Ergebnis sieht nach einem echten Rad aus. Auf ein Rundholz werden die Schaufeln genagelt und das Rundholz wird durch zwei seitliche Hölzer gelagert. Besser ist es dieses Wasserrad mit 5 oder 6 Schaufeln zu bauen, sonst kann es passieren, dass es sich nicht dreht. Das ist aber schwieriger, denn je mehr Schaufeln man hat, desto schlechter kommt man mit dem Hammer auf den Nagel.

Alternative mit 8 Schaufeln:

8 Schaufeln auf ein Rundholz zu nageln ist eigentlich nicht möglich. Wer aber dennoch ein Wasserrad mit 8 Schaufeln haben möchte, ordnet sie nebeneinander an. Dann geht es spielend einfach und das Wasserrad dreht sich auch bei wenig Strömung.

Wasserrad 3, für kleine Kinder mit Flaschendeckeln:

 Dieses Modell kann jeder nachbauen, denn es ist eher ein Versuchsmodell, um zu sehen wie ein Wasserrad funktioniert und wie es gebaut wird. Auf ein Holzrad werden Flaschendeckel geschraubt oder genagelt. Dann noch ein Loch für die Achse in der Mitte bohren und mit einer langen metrischen Schraube an einen Holzpfosten schrauben. Das Wasser kommt durch einen Kanal und treibt von oben das kleine Wasserrad an.  

 Wenn ihr das Ganze etwas größer baut, bekommt ihr ein Wasserrad das zwar wenig Kraft hat, doch eine extrem hohe Geschwindigkeit bekommt, weil das Wasser auf so viele Flaschendeckel trifft.

Wasserrad 4, mit Jogurtbechern:

Das Modell 4 kann einen Wirkungsgrad von bis zu 70% erreichen, denn es nutzt die potenzielle Energie des Wassers. Es braucht also nur sehr wenig Wasser um eine gute Leistung zu erzielen. Natürlich braucht es auch Wasser das von oben in die Becher fällt und es bracht sehr stabile Becher, also eine echte Herausforderung für jeden der ein richtig gutes Wasserrad bauen möchte. An ein großes Holzrad werden am besten Ikeabecher geschraubt, diese kosten nicht viel und sind stabil. An einer Achse das Rad befestigen und das Wasser über ein Rohr in die Becher laufen lassen.

Wasserrad 5, aus Korken und Plastikstreifen

Dieses Modell eignet sich für daheim, für den Wasserhahn oder wenn man in der 7 Klasse im Unterricht ein Wasserrad für den Lehrer bauen muss. Oder, was ich toll finde, als Wasserrad für die Dachrinne oder Dachziegel. Das wenige Wasser genügt, um bei Regen das Wasserrad in Bewegung zu setzen. In einen Korken Längsstreifen schneiden und aus einer Margarineverpackung kleinen Plastikstreifen schneiden. Diese Streifen in die Schnitte schieben. Zwei Zahnstocher dienen als Achse und zum Aufhängen für die Achsen dienen zwei weitere Korken. 

Wasserrad 6, mit Plastik Schaufeln:

Dieses Wasserrad ist das Beste was ich je gebaut habe, es braucht aber Wasser aus einem Rohr bzw. einer Zuleitung. Es kann natürlich auch einfach so in einen Bach gesetzt werden, doch dann kommen die hervorragende Eigenschaft dieses Wasserrades nicht zum Einsatz. Der ganz große Vorteil dieses Wasserrades liegt in seinen Schaufeln, sie sind nicht flach sondern leicht gebogen. Dies führt dazu, dass der Wirkungsgrad extrem steigt. 

 Die viele Energie des Wassers, die sonst nach außen weg geht, wird hier noch in die Drehbewegung umgesetzt. Das Wasser trifft auf die Schaufel und drückt sich nach "hinten" raus, so wird viel mehr Energie aus dem Wasser in die Drehbewegung umgesetzt als mit flachen Schaufeln.

Wasserrad 7, mit Kammern für das Wasser:

 Das Modell 7 ist schon nahe dran an einem "professionellen" Wasserrad. Es hat Kammern, die das Wasser in sich behalten und dadurch mehr Energie bei der "nach unten" Bewegung umsetzen. Das Problem ist, dass die Kammern waagerecht sind und zudem sind es noch zu wenige. Das Wasserrad braucht viel Wasser damit es gut arbeitet. Da könnt ihr noch etwas dran arbeiten und das besser machen.

 Hier schön zu sehen: Die Kammern in die Wasser fällt. Das 'Wasser fließt nicht zur Seite weg sondern nutzt auch diese Energie und setzt sie in eine Drehbewegung um. Auch schön zu sehen: Es sind viel zu wenig Kammern und die Kammer sind zu waagerecht. Besser wären leicht gekrümmte und viel mehr Kammern. 

Der Einsatz von Wasserrädern bzw. ihre Verwendung

Wasserrad mit Hammer:

Mit einem Wasserrad einen Hammer zu betreiben ist gar nicht schwer. der Hammer ist recht einfach zu bauen und einmal in einen Fluss gesetzt, hämmert und hämmert es eine sehr lange Zeit, ohne dass man eingreifen muss. An die Achse des Wasserrades wir an eine oder zwei Stellen ein Stift gesteckt. Dieser schlägt bei jeder Umdrehung den Hammer nach oben. Nach dem sich das Wasserrad weiter gedreht hat, fällt der Hammer nach unten und hämmert.

In der Zeichnung sieht man die Arbeitsschritte des Wasserrades und des Hammers. Zuerst trifft der Zapfen von der Achse des Wasserrades auf den Hammer Arm. Dieser wird nach oben gedrückt und fällt dann durch sein eigenes Gewicht wieder nach unten. Rechts auf dem Bild sieht man die Vorrichtung, auf die der Zapfen trifft.  

Wasserrad zur Stromerzeugung mit Generator:

Dieses Wasserrad mit einem Fahrraddynamo als Generator braucht viel Kraft und eine hohe Umdrehung. Deshalb haben ich das Wasserradmodell nur mit Modell 6 (siehe oben) entwickelt. Die halbkreisförmigen Schaufeln und das Wasser aus dem Rohr, schaffen es das Wasserrad schnell und mit der nötigen Kraft anzutreiben. Besonders gut als Generatoren funktionieren auch Motoren aus CD Player oder Kassettenrekordern. 

Auf der Achse des Wasserrades wird zusätzlich ein zweites genauso großes Holzrad befestigt, auf dessen Oberfläche der Fahrraddynamo als Generator für das Wasserrad läuft. Da der Dynamo zumindest gegen Spritzwasser geschützt ist, stellt das Wasser kein Problem dar. Das Holzrad sollte so groß wie möglich sein, damit die Geschwindigkeit so schnell wie möglich ist. 

Der Anschluss des Dynamos ist recht einfach. Vom Dynamo oder Generator gehen die beiden Kabel zu der e10 Lampe. Die Kabel werden direkt an den Dynamo und die Lampe angeschlossen. Sollten LEDs verwendet werden, denkt bitte an einen Vorwiderstand. 

 Ein Zulauf aus einem HT-Rohr erhöht die Leistung des Wasserrades um ein Vielfaches an Leistung, vor allem Geschwindigkeit werdet ihr für 6 Volt brauchen. 

 Am besten über mehrer Meter mit einem großen Gefälle bauen. Bei mir waren bis zu 9 Volt, wenn das Rohr ideal auf die Schaufeln ausgerichtet war. 

Stromerzeugung mit Turbine:

Mehr zum Spaß ist diese Turbine mit einem Plastikrohr als Zulauf gedacht. Ein PC-Lüfter dient hier als Turbine. Da er aus Kupferlackkabeln besteht, gibt es keinen Kurzschluss mit dem Wasser. Der Lüfter hat sich allerdings viel zu langsam gedreht, was ja auch klar ist, weil sonst Luft durchströmt und kein Wasser. Dennoch habe ich 0,75 Volt gemessen, also durchaus eine kleine Spannung. Mit einem Lüfter kann man also wunderbar das Funktionsprinzip einer Turbine darstellen.

 Wasserrad als Holzsäge:

 Gar nicht so einfach, die Drehbewegung der Wasserradachse in eine Auf- und Ab- bzw. Vor- und Zurück-Bewegung zu bekommen, und doch noch in eine Säge. Aber es ist machbar und das Ergebnis kann sich sehen lassen. Dieses Wasserrad ist tatsächlich eine Säge und das ohne Strom. Nur mit der Energie des Wassers.

Die Änderung von einer Dreh- in eine Auf- und Ab-Bewegung erfolgt mit dieser Mechanik. An der Achse des Wasserrades wird Holz mit einem Rundholz am Ende befestig. Dieses läuft in einer Schiene. Die Schiene ist länglich aber nicht breiter als das Rundholz, deshalb kann sich die Schiene nur auf- und abbewegen oder vor und zurück. Die Schwierigkeit ist, dass es die tote Zone gibt. Immer wenn das Rundholz ganz vorne oder hinten angekommen ist, braucht es viel Energie um sie weiter fort zu bewegen. Deshalb das Holz gut mit Fett schmieren. 

Nun bewegt das Wasserrad einen Stab vor und zurück, das gibt aber noch keine Säge. An den Stab, der sich so bewegt, wird ein Metallsägeblatt von einer Bügelsäge befestigen. Zwei Hölzer halten das Holz fest, dass gesägt werden soll. Die beiden hinteren Bleche dienen der Führung, sodass der Stab nicht nach rechts oder links fallen kann. Die beiden Ösen dienen der generellen Führung des Stabes.

Wasserad zum Wasserschöpfen aus einem Bach:

Diese beiden Wasserräder "schöpfen" Wasser aus einem Bach und leiteten es an einen anderen Ort. Es gibt zwei Arten der Wasserschöpfung. Erstens mit Bechern direkt an dem Wasserrad oder zweitens mit Bechern die an einer Kette befestigt sind.

Modell 1:

Beim ersten Modell ist auf die Achse des Wasserrades ein zweites Rad geschraubt, das ebenfalls im Wasser liegt. An diesem Rad sind Jogurtbecher befestigt, die beim Eintauchen Wasser aufnehmen und mit der Kraft des Wasserrades nach oben transportieren. 

Oben angekommen leeren sie das Wasser durch die Drehung des Wasserrades und die Stellung des Bechers in eine Schale und es fließt weg. Je größer das zweite Rad ist, desto höher kann das Wasser gefördert werden, in gleichem Maße braucht das Wasserrad aber auch mehr Energie.

Modell 2:

Bei diesem Modell werden Jogurtbecher an einer Fahrradkette mit Kabelbindern befestigt. Die Kette reicht bis in das Wasser und zieht die vollen Becher nach oben. Dort werden sie in eine Wanne gelehrt und das Wasser kann abfließen. 

 Die Schwierigkeit bei diesem Wasserrad besteht darin, die Zahnräder und die Kette so zu bauen, dass sie sich gut bewegen. Wenn das Wasserrad dann aber läuft und Wasser fördert, möchte man gar nicht mehr aufhören zu zuschauen.

Drehrichtung von der Vertikalen in die Horizontale ändern:

Auf die Achse des Wasserrades wird ein Korken gesteckt. Auf diesem Korken dreht sich wiederum ein Becher. Die Konstruktion ist genau so einfach wie gut. Das Wasserrad setzt also ein horizontale Drehbewegung in eine vertikale Drehbewegung um. Natürlich wäre dies mit Zahnrädern besser, doch hier geht es um den Modellbau von Wasserrädern. Und dieses macht in jedem Fluss eine gute Figur.

Die Zeichnung zeigt den Korken (braun), auf dem sich der Becher dreht, das Rundholz in dem der Becher läuft ist festgleimt. Damit der Becher auf dem Korken auch gut läuft, in den Becher auf das Rundholz eine große U-Scheibe legen. Dieses Gewicht drückt den Becher auf den Korken, so dass die Kraft der Achse auch in eine Vertikale Drehbewegung umgesetzt wird. Der Becher sollte einigermaßen stabil sein und vor allem muss das Rundholz auch durch den Deckel, des Bechers, sonst kippt der Becher immer zur Seite.

Wasserrad als Klangspiel:

Damit ein Wasserrad zu einem Klangspiel wird, an die Achse des Wasserrades verschiedenen Dinge bauen. Wie auf dem Bild, Plastik-Teile die von einem Rundholz gestreift werden, einen Hammer, der auf ein Blech trommelt, eine Rassel oder etwas anderes. So wird ein Wasserrad zu einem Klangspiel. Es können auch Glocken oder Glöckchen gedreht werden oder mit einem Rundholz oder Plastik gestreiften werden. Wichtig ist, dass das Wassergeräusch nicht lauter ist als der Klang.

Etwas Theorie zu den Wasserrädern:

Das tiefschlächtige Wasserrad:

Das tiefschlächtige Wasserrad kommt fast ohne Gefälle aus. Anders als beim unterschlächtigen Wasserrad gibt es hier keinen Kropf. Das Rad wird allein durch den Strömungswiderstand der Schaufelbretter angetrieben. Der Wirkungsgrad bei tiefschlächtigen Wasserrädern ist am besten, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Rades der halben Wassergeschwindigkeit entspricht. Dieses Wasserrad hat aber nur einen Wirkungsgrad von 10-15% und nutzt nur die kinetische Energie des Wassers. Der Vorteil ist natürlich die einfach Bauweise, zudem braucht das Wasserrad keine Wasserversorgung, sondern kann direkt in einen Bach eingebaut werden, was zum Beispiel bei Wasserschöpfrädern sehr sinnvoll ist.

Das unterschlächtiges Wasserrad:

Bei unterschlächtigen Wasserrädern fließt das Wasser unter dem Rad in einem Kropf durch. Der Kropf ist eine Führung, welche dem Rad angepasst ist. Sie verhindert, dass Wasser unterhalb und seitlich der Schaufeln abfließt, ohne es anzutreiben. Die Kraftübertragung geschieht also über die Schaufeln, die entweder einfach nur Holzbretter oder speziell gebogen sind um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Bei diesem Wasserrad sollten aber keine Schaufelräder mehr eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad liegt immerhin noch bei bis zu 40% unter hauptsächlicher Nutzung der kinetischen Energie.

Das mittelschlächtige Wasserrad:

Etwa auf Nabenhöhe trifft das Wasser auf das Wasserrad. Der Vorteil ist, dass die Menge an Wasser relativ leicht verändert werden kann, so dass die Kraft und Geschwindigkeit verändert werden kann. Auch dieses Wasserrad nutzt hauptsächlich die potenzielle Energie des Wassers. Vorteil dieses Wasserrades ist, dass nicht nur die potenzielle Energie genutzt wird, sondern auch die kinetischen Energie des Wassers. Der Nachteil dieses Wasserrades ist, die Zufuhr des Wassers ist nicht ganz einfach zu gestalten, da das Wasser ja auf Achshöhe zu dem Wasserrad gebracht werden muss. Dieses Wasserrad kann als Zellen oder Schaufelrad gebaut werden. Es besitzt einen Wirkungsgrad von 75%. Moderne Wasserräder können einen Wirkungsgrad bis zu 85% erreichen.

Das oberschlächtige Wasserrad:

Beim oberschlächtigen Wasserrad strömt das Wasser durch eine Rinne, der Gerinne oder Fluder auf die Schaufeln des Wasserrades. Das Rad wird durch die Gewichtskraft des aufgenommenen Wassers (Aufschlagwasser) in Bewegung versetzt. Diese Art von Wasserrädern können einen Wirkungsgrad von bis zu 80% erreichen. Dieses Wasserrad eignet sich besonders, wenn aus einen Bach Wasser abgezweigt wird oder wenn ein natürliches Gefälle vorhanden ist. Der Nachteil ist natürlich, dass erst eine Rinne gebaut werden muss. Es nutzt fast ausschließlich die potentiellen Energie des Wassers. Dieses Wasserrad sollte ausschließlich als ein Zellenwasserrad gebaut werden, sonst geht viel zu viel Energie verloren und es spritzt überall hin.