Waterkracht
De vroegste bewijzen van waterraderen en watermolens gaan terug tot het oude Nabije Oosten in de 4e eeuw v.Chr., meer bepaald in het Perzische Rijk vóór 350 v.Chr., in de regio’s Irak, Iran en Egypte.
In het Romeinse Rijk werden door water aangedreven molens al in de eerste eeuw v. Chr. beschreven door Vitruvius. De Barbegal-molen had zestien waterraderen die tot 28 ton graan per dag verwerkten. Romeinse waterraderen werden ook gebruikt voor het zagen van marmer, zoals de Hierapolis-zaagmolen uit de late 3e eeuw n. Chr. Dergelijke zagerijen hadden een waterrad dat twee zwengelstangen aandreef om twee zagen aan te drijven. Het komt ook voor in twee Oost-Romeinse zaagmolens uit de 6e eeuw die respectievelijk in Efese en Gerasa zijn opgegraven. Het kruk- en drijfstangmechanisme van deze Romeinse watermolens zette de draaiende beweging van het waterrad om in de lineaire beweging van de zaagbladen.
In China werd al tijdens de Han-dynastie (202 v. Chr. – 220 n. Chr.) gedacht dat de door water aangedreven hamers en blaasbalgen werden aangedreven door waterscheppen, maar latere historici geloofden dat ze werden aangedreven door waterraderen, omdat waterscheppen niet de drijfkracht zouden hebben gehad om de blaasbalgen van de hoogovens te bedienen. Bewijzen van Han verticale waterraderen zijn te zien in twee contemporaine modellen van begrafenisartikelen waarop door water aangedreven valhamers zijn afgebeeld. De vroegste teksten waarin het apparaat wordt beschreven zijn het Jijiupian woordenboek van 40 v. Chr., Yang Xiong’s tekst bekend als de Fangyan van 15 v. Chr., en de Xin Lun geschreven door Huan Tan rond 20 n. Chr. Het was ook in deze tijd dat de ingenieur Du Shi (ca. 31 n.Chr.) de kracht van waterraderen toepaste op zuigerbalgen bij het smeden van gietijzer.
De kracht van een golf water die uit een tank vrijkwam, werd gebruikt voor de extractie van metaalertsen in een methode die bekend staat als pellen. De methode werd voor het eerst gebruikt in de goudmijnen van Dolaucothi in Wales vanaf 75 na Christus, maar was al ontwikkeld in Spanje in mijnen als Las Médulas. Ook in Groot-Brittannië werd in de Middeleeuwen en later op grote schaal gebruik gemaakt van hushing om lood- en tinertsen te winnen. Later ontwikkelde het zich tot hydraulische mijnbouw toen het werd gebruikt tijdens de California Gold Rush.
In de moslimwereld tijdens de Islamitische Gouden Eeuw en de Arabische Agrarische Revolutie (8e-13e eeuw), maakten ingenieurs op grote schaal gebruik van waterkracht, evenals vroeg gebruik van getijdenkracht, en grote hydraulische fabriekscomplexen. In de islamitische wereld werd een verscheidenheid van door water aangedreven industriële molens gebruikt, waaronder volmolens, gristmolens, papiermolens, hakmolens, zaagmolens, scheepsmolens, stempelmolens, staalmolens, suikermolens en getijdemolens. Tegen de 11e eeuw waren deze industriële molens in elke provincie van de islamitische wereld in bedrijf, van Al-Andalus en Noord-Afrika tot het Midden-Oosten en Centraal-Azië. Moslim ingenieurs gebruikten ook waterturbines, gebruikten tandwielen in watermolens en machines om water op te pompen, en pionierden met het gebruik van dammen als bron van waterkracht, gebruikt om extra kracht te leveren aan watermolens en machines om water op te pompen.
Islamitische werktuigbouwkundige Al-Jazari (1136-1206) beschreef ontwerpen voor 50 apparaten, waarvan vele door water werden aangedreven, in zijn boek, Het Boek der Kennis van Ingenieuze Mechanische Apparaten, waaronder klokken, een apparaat om wijn te schenken, en vijf apparaten om water uit rivieren of poelen te halen, hoewel drie door dieren worden aangedreven en één door dieren of water kan worden aangedreven. Deze omvatten een eindeloze riem met kruiken eraan, een door een koe aangedreven shadoof, en een heen en weer bewegend apparaat met scharnierende kleppen.
In 1753 publiceerde de Franse ingenieur Bernard Forest de Bélidor de Architecture Hydraulique waarin hydraulische machines met verticale en horizontale assen werden beschreven. De groeiende vraag voor de Industriële Revolutie zou ook de ontwikkeling stimuleren.
Hydraulische energienetwerken gebruikten pijpen om water onder druk te transporteren en mechanische kracht van de bron naar de eindgebruikers over te brengen. De krachtbron was gewoonlijk een waterkolom, die ook door een pomp kon worden ondersteund. Deze netwerken waren wijdverbreid in Victoriaanse steden in het Verenigd Koninkrijk. Ook in Genève, Zwitserland, werd een hydraulisch energienetwerk ontwikkeld. De wereldberoemde Jet d’Eau was oorspronkelijk ontworpen als overdrukklep voor het netwerk.
Aan het begin van de industriële revolutie in Groot-Brittannië was water de belangrijkste krachtbron voor nieuwe uitvindingen zoals het waterframe van Richard Arkwright. Hoewel het gebruik van waterkracht plaats maakte voor stoomkracht in veel van de grotere molens en fabrieken, werd het in de 18e en 19e eeuw nog steeds gebruikt voor veel kleinere bewerkingen, zoals het aandrijven van de blaasbalgen in kleine hoogovens (bijv. de Dyfi Furnace) en gristmolens, zoals die welke zijn gebouwd bij de Saint Anthony Falls, die gebruik maken van het verval van 15 meter in de Mississippi.
In de jaren 1830, op het hoogtepunt van de kanaalbouw in de VS, leverde waterkracht de energie om het binnenschipverkeer steile heuvels op en af te vervoeren met behulp van hellend vlakspoorwegen. Toen de spoorwegen de kanalen inhaalden voor het vervoer, werden de kanaalsystemen aangepast en ontwikkeld tot waterkrachtsystemen; de geschiedenis van Lowell, Massachusetts is een klassiek voorbeeld van commerciële ontwikkeling en industrialisatie, gebouwd op de beschikbaarheid van waterkracht.
Technologische vooruitgang had het open waterrad verplaatst naar een gesloten turbine of watermotor. In 1848 verbeterde James B. Francis, toen hij werkte als hoofdingenieur van Lowell’s Locks and Canals company, deze ontwerpen om een turbine te maken met 90% rendement. Hij paste wetenschappelijke principes en testmethoden toe op het probleem van het turbineontwerp. Zijn wiskundige en grafische berekeningsmethoden maakten het mogelijk met vertrouwen turbines met hoog rendement te ontwerpen die precies aan de specifieke stromingsomstandigheden van een locatie voldeden. De Francis-reactieturbine wordt vandaag de dag nog steeds op grote schaal gebruikt. In de jaren 1870 ontwikkelde Lester Allan Pelton, op basis van toepassingen in de Californische mijnbouw, de hoogefficiënte impuls Pelton-wielturbine, die gebruik maakte van waterkracht uit de stromen met hoge stroomsnelheden die kenmerkend waren voor het bergachtige binnenland van Californië.