水車

水車は、水の流れや落下の運動エネルギーを有用な動力に変換する機械で、多くの場合、水車小屋で使用されます。水車は、大きな車輪 (通常は木製または金属製) と、駆動機構を形成する外縁に取り付けられた多数のブレードまたはバケットで構成されています。水車は、現在では一般的に使用されなくなりましたが、20 世紀に入っても商業的に使用されていました。水車は、製粉所で小麦粉を製粉したり、製紙用に木材をパルプに挽いたり、錬鉄をハンマーで叩いたり、機械加工したり、鉱石を破砕したり、布の製造に使用する繊維を叩いたりするのに使用されます。

いくつかの水車は、流れている小川をせき止めてできた水車池から水が供給されている。水車に出入りする水路は水路と呼ばれる。水車池から水車に水を送る水路は導水路であり、水車を出た後の水を運ぶ水路は一般に放水路と呼ばれる。^[1]

水車は、ヘレニズム時代ギリシャ世界、ローマ、中国、インドにまたがる古代文明において、農業から冶金まで様々な目的で使用されていました。水車は、中世ヨーロッパやイスラムの黄金時代などの古典期以降も引き続き使用されていましたが、他の地域でも使用されていました。18世紀中期から後半にかけて、ジョン・スミートンによる水車の科学的調査により、効率が大幅に向上し、産業革命に切望されていた電力を供給しました。^{[2] [3]水車は、}ブノワ・フルネイロンが1827年に最初のモデルを開発して以来、より小型で安価で効率的なタービンに置き換えられ始めました。 ^{[3]タービンは、実用的なサイズの水車の能力を超える高}落差や標高 に対応できます。

水車の主な難点は、流水に依存しているため、設置場所が限られることです。現代の水力発電ダムも、下流への水の流れを利用している点で、水車の後継機と見なすことができます。

水車には2つの基本的なデザインがある: ^[4]

• 垂直の車軸を持つ水平の車輪、または
• 水平な車軸を持つ垂直の車輪。

後者は、水が水車に当たる場所によって、バックショット（ピッチバック^[5]）、オーバーショット、ブレストショット、アンダーショット、ストリームホイールに分類できます。^{[6] [7] [8]}アンダーショット という用語は、水が水車の下を通過する水車を指す場合がありますが^[9]、通常は水が水車の上部から入ることを意味します。

上射水車と後射水車は、通常、利用可能な高低差が数メートル以上ある場合に使用されます。 胸射水車は、中程度の落差で大流量に適しています。下射水車と流水車は、ほとんどまたは全く落差がない状態で大流量を使用します。

多くの場合、水車池が付随しており、これは必要なときまで水とエネルギーを貯める貯水池です。水頭が大きいほど、同じ量の水に対してより多くの重力位置エネルギーを蓄えることができるため、上水車と後水車の貯水池は、胸水車の貯水池よりも小さくなる傾向があります。

オーバーショット水車とピッチバック水車は、高低差が 2 メートル (6.5 フィート) を超える小川があり、小さな貯水池がある場合に適しています。ブレストショット水車とアンダーショット水車は、川や、大きな貯水池がある高流量の水流で使用できます。

垂直の車軸を持つ水平の車輪。

水平水車は一般にタブ水車、ノルウェーの風車、ギリシャの風車と呼ばれ、^{[10] [11]}現代のタービンの原始的で非効率的な形式です。しかし、必要な電力を供給できれば、効率は二次的な重要性しかありません。通常は作業床下の工場建物内に取り付けられています。水流が水車のパドルに向けられ、パドルが回転します。これは通常ギアのない単純なシステムで、水車の垂直軸が風車の駆動スピンドルになります。

水車^{[6] [12]}は垂直に設置された水車で、水路の水が水車の底にあるパドルやブレードに当たることで回転します。このタイプの水車は、水平軸水車の中で最も古いタイプです。^{[要出典]水が水路や水車ピットによって制限されないため、}自由表面水車とも呼ばれます。^[要出典]

水車は他のタイプの水車よりも安価で簡単に作ることができ、環境への影響も少ない。川に大きな変化をもたらすことはない。欠点は効率が低いことであり、つまり発電量が少なく、流量が十分な場所でしか使用できない。18世紀にイギリスの土木技師ジョン・スミートンが測定した結果、典型的な平板式下射水車は、水車に当たる水流のエネルギーの約20%を消費する。 ^[13]より現代的な水車は、より高い効率を備えている。

水車は、水頭、つまり水位の差からほとんど、あるいは全く利益を得られません。

浮体式プラットフォームに取り付けられた水車はヒップホイール、水車はシップミルと呼ばれることが多い。橋脚による水流制限で水流の速度が速くなる橋のすぐ下流に設置されることもあった。 ^[要出典]

歴史的には非常に非効率的でしたが、18世紀に大きな進歩がありました。^[14]

下掛け水車は、水平軸を備えた垂直に取り付けられた水車です。低い堰からの水が水車の下部に当たることで回転します。エネルギーのほとんどは水の動きから得られ、水頭から得られるエネルギーは比較的わずかです。操作と設計は水車に似ています。

アンダーショットという用語は、関連しているが異なる意味で使用されることがあります。

• 水が車輪の下を通過するすべての車輪^[15]
• 下部の4分の1に水が入る車輪。
• パドルを川の流れの中に入れる車輪。上の川を参照。^{[16] [12]}

これは最も古いタイプの垂直水車です。

ブレストショットという言葉は、さまざまな意味で使用されています。著者の中には、水が約10時の位置から入る車輪にこの用語を限定する人もいれば、9時の位置に限定する人もいます。また、さまざまな高さを指す人もいます。^[17]この記事では、水の浸入が底部よりかなり上、上部よりかなり下、通常は中央半分にある車輪に使用されています。

それらの特徴は次のとおりです。

• 水が流入する際の乱流を最小限に抑えるために慎重に形作られたバケツ
• 水が入ったときに空気が抜けるように側面に穴が開いていて通気口があるバケツ
• 車輪の表面にぴったりとフィットする石造りの「エプロン」。バケツが下へ進むときに水を保持するのに役立つ。

運動エネルギー（動き）と位置エネルギー（高さと重さ）の両方が利用されます。

車輪と石積みの間の隙間が狭いため、車輪とエプロンの間に破片が詰まって重大な損傷を引き起こす可能性を防ぐために、ブレストショット車輪には適切なゴミラック（英国英語では「スクリーン」）が必要です。

ブレストショット水車はオーバーショット水車やバックショット水車よりも効率は悪いが、高流量に対応でき、その結果高出力が得られる。北米東海岸の瀑布線で見られるような、安定した高流量の流れに適している。ブレストショット水車はアメリカ合衆国で最も一般的なタイプであり^[要出典]、産業革命の原動力となったと言われている。^[14]

垂直に設置された水車で、水車の上部からバケツに入った水によって回転するものをオーバーショット水車といいます。この用語は、水が水車の後ろを流れるバックショット水車に誤って適用されることがあります。

典型的なオーバーショット水車は、水が上部の車軸を少し越えたところで水車に導かれます。水は水車のその側にあるバケツに集まり、もう一方の「空の」側よりも重くなります。その重さで水車が回転し、バケツがひっくり返るほど水車が回転すると、水は尾水に流れ出ます。オーバーショット設計は非常に効率的で、90% を達成でき、^[18]急速な流れを必要としません。

エネルギーのほとんどは放水路に下がった水の重さから得られますが、水車に入る水の運動エネルギーが少し寄与することもあります。これらは他のタイプの水車よりも大きな落差に適しているため、丘陵地帯の国に最適です。ただし、最大の水車であるマン島のラクシー水車でさえ、約 30 m (100 フィート) の落差しか利用しません。世界最大の落差タービンであるスイスのビウドロン水力発電所は、約 1,869 m (6,132 フィート) の落差を利用します。

オーバーショット水車は他のタイプの水車に比べて大きな落差を必要とし、通常、導水路の建設に多額の投資が必要になります。水が水車に最終的に近づく経路は、水路または水圧管路に沿っている場合があり、その距離は長くなることがあります。

バックショット水車 (ピッチバックとも呼ばれる) はオーバーショット水車の一種で、水車頂上直前に水が流入します。多くの場合、水車の底部が放水路の水と同じ方向に流れるため、効率が上がるという利点があります。また、水位が​​水車の底部を水没させる可能性がある洪水状態では、オーバーショット水車よりも優れた性能を発揮します。水車ピットの水が水車上でかなり高い位置まで上がるまで、回転し続けます。このため、この技術は流量の変動が大きい小川に特に適しており、放水路のサイズ、複雑さ、およびコストを削減できます。

バックショットホイールの回転方向はブレストショットホイールと同じですが、その他の点ではオーバーショットホイールと非常によく似ています。以下を参照してください。

一部の水車は上部がオーバーショット、下部がバックショットになっており、両方のタイプの長所を併せ持つ可能性があります。写真は、英国デボン州フィンチ ファウンドリーにある例です。頭上は木製の構造で、左側の枝が水車に水を供給します。水は水車の下から流れ出て、川に戻ります。

特殊なタイプのオーバーショット/バックショット水車は、リバーシブル水車です。これは、反対方向に動く 2 組のブレードまたはバケットを備えており、水がどちらに向けられているかに応じてどちらの方向にも回転できます。リバーシブル水車は、鉱業において、さまざまな鉱石輸送手段に動力を与えるために使用されていました。水車の方向を変えることで、鉱石の樽またはバスケットをシャフトまたは傾斜面から持ち上げたり、降ろしたりできます。通常、水車の車軸にはケーブル ドラムまたはチェーン バスケットが取り付けられていました。水車を停止できるように、水車にブレーキ装置 (ブレーキ水車と呼ばれる) を取り付けることが不可欠です。リバーシブル水車の最も古い図面は、1556 年に ジョージア アグリコラによって描かれたものです。

すべての機械と同様に、揚水装置では回転運動の方が揺動運動よりも効率的です。^[19]動力源の点では、水車は人力または動物の力、あるいは水流自体によって回転させることができます。水車には、垂直軸または水平軸を備えた2つの基本的な設計があります。後者のタイプは、水がホイールパドルに当たる場所に応じて、上掛け水車、胸掛け水車、下掛け水車に細分できます。水車の2つの主な機能は、歴史的に灌漑目的の揚水と、特に穀物の製粉でした。水平軸の水車の場合、動力伝達にギアシステムが必要ですが、垂直軸の水車には必要ありません。

技術的な進歩は、紀元前3世紀から紀元前1世紀の技術的に発達したヘレニズム時代に起こりました。 ^[20]テッサロニキのアンティパトロスの詩では、水車が女性を製粉や粉砕の過酷な労働から解放したことを称賛しています。^{[21] [22]}

区画水車には、区画本体を持つ水車（ラテン語： tympanum）と区画縁を持つ水車、または縁に別個の容器が付いた水車の2つの基本的な形式があります。^{[19]水車は、人が外側を踏むか、動物が}サキアギアを使って回すことができました。^[23] tympanum は大きな排水能力がありましたが、水を自身の半径の高さ以下にしか持ち上げることができず、回転に大きなトルクが必要でした。^[23]これらの構造上の欠陥は、より軽量でより高い揚力を持つ区画縁を持つ水車によって克服されました。^[24]

水力で動く区画分けされた車輪に関する最も古い文献上の言及は、ビザンツ帝国のギリシア人技術者フィロン（紀元前 280年頃 ～紀元前 220年頃）の技術論文『Pneumatica』 （第61章）に見られる。^[25]フィロンは著書『Parasceuastica』（91.43−44）の中で、敵の侵攻に対する防御手段として攻城機雷を水中に沈めるためにこのような車輪を使うことを勧めている。^{[26]区画分けされた車輪は、}プトレマイオス4世（紀元前221−205年）の治世下、アレクサンドリアの乾ドックの排水に好んで使われていたようだ。^[26]紀元前3世紀から2世紀のギリシアのパピルスには、これらの車輪の使用について言及されているが、それ以上の詳細は記されていない。^[26]アレクサンドロスの征服以前の古代近東にこの装置が存在しなかったことは、灌漑慣行に関する東洋の図像が豊富であることから推測できる。^{[27] [検証に失敗した] [28] [29] [30]}ただし、当時の他の揚水装置やポンプとは異なり、区画化された車輪の発明は特定のヘレニズム技術者にまで遡ることができず、紀元前4世紀後半に首都アレクサンドリアから離れた田舎で行われた可能性がある。^[31]

区画化された車輪の最も古い描写は、紀元前2世紀のプトレマイオス朝エジプトの墓の壁画に描かれている。そこには、くびきを付けられた一対の牛がサキア歯車を介して車輪を駆動している様子が描かれており、これもここで初めて証明された。^[32]ギリシャのサキア歯車システムは、すでに「現代のエジプトの装置は実質的に同一である」という点まで完全に発達していることが示されている。^[32]当時最も活発なギリシャの研究センターであったアレクサンドリア博物館の科学者が発明に関与していた可能性があると推測されている。 ^{[33]紀元前48年の}アレクサンドリア戦争のエピソードでは、シーザーの敵が歯車付き水車を使用して、閉じ込められたローマ軍の陣地に向かって高所から海水を注いだことが語られている。^[34]

西暦300年頃、木製の区画が、オープンフレームの車輪の外側に結び付けられた安価な陶器の壺に置き換えられ、ついにノリアが導入されました。 ^[31]

ローマ人は鉱山事業で水車を広く使用しており、現代のスペインのような場所ではローマ時代の巨大な水車が発見されている。それらは、地下深い鉱山の排水用に設計された逆上架式水車であった。 ^[要出典]ウィトルウィウスは、逆上架式水車やアルキメデスのねじなど、そのような装置をいくつか説明している。スペインのリオ・ティントの銅山での近代採掘中に多くが発見され、あるシステムでは、鉱山の排水口から約80フィートまで水を汲み上げるために、16個のそのような水車を積み重ねていた。そのような水車の一部は、 1930年代に南ウェールズのローマ時代の金鉱山であるドラウコシで、鉱山が短期間再開されたときに発見された。それは地表から約160フィート下で発見されたため、リオ・ティントで発見されたものと同様の一連の水車の一部であったに違いない。最近、炭素年代測定により西暦 90 年頃のものと判明しました。また、この水車の製造に使用された木材は深部鉱山よりもずっと古いため、深部採掘場はおそらくその 30 ～ 50 年後には稼働していたと考えられます。離れた場所にある密閉された地下の坑道で発見された排水水車のこれらの例から、当時の水車製造は十分に可能であり、このような垂直水車は工業目的で一般的に使用されていたことが明らかです。

イギリスの技術史家MJTルイスは、ギリシャの技術者アポロニウス・オブ・ペルゲの研究による間接的な証拠を考慮して、垂直軸水車の出現を紀元前3世紀初頭、水平軸水車の出現を紀元前240年頃とし、発明の場所はビザンチンとアレクサンドリアとしている。 ^{[35]ギリシャの地理学者}ストラボン（紀元前 64年頃 -紀元後 24年頃）は、紀元前71年より前にポントス王ミトリダテス6世エウパトルの宮殿に水車が存在していたと報告しているが、その正確な構造はテキスト（XII、3、30 C 556）からは読み取れない。^[36]

歯車式水車に関する最初の明確な記述は、紀元前1世紀後半のローマの建築家ウィトルウィウスによるもので、サキア歯車システムが水車に適用されたと述べている。^[37]ウィトルウィウスの記述は、水車がどのように発明されたか、すなわち、歯車と水車というギリシャの別々の発明が、水の力を利用するための1つの効果的な機械システムに統合されたことを示している点で特に価値がある。^[38]ウィトルウィウスの水車は、その下端が水路に沈められ、流水の速度によってパドルが駆動されると説明されている（X, 5.2）。^[39]

同じ頃、上掛け水車はテッサロニキのアンティパトロスの詩に初めて登場し、省力化装置として称賛されている (IX, 418.4–6)。^{[40]このモチーフは}ルクレティウス(紀元前99年頃–紀元前55年)にも取り上げられ、水車の回転を天空の星の動きに例えている (V 516)。^[41] 3番目の水平軸タイプである胸掛け水車は、紀元後2世紀後半の中央ガリアの文脈で考古学的証拠に登場します。^[42]発掘されたローマの水車のほとんどには、垂直軸水車よりも構造が複雑ではあるものの、はるかに効率的であったこれらの水車のいずれかが装備されていました。^[43] 2世紀のバルベガル水車群には、人工の水道橋から16個の上掛け水車が水が供給されていました。これは「古代世界で最も機械力の集中した場所」と呼ばれた原始的な工業用穀物工場でした。^[44]

ローマ帝国北アフリカでは、西暦300年ごろの施設がいくつか発見されており、水を満たした円形のシャフトの底に、角度のついた羽根を取り付けた垂直軸の水車が設置されていた。水車道からピットに接線方向に流入した水は渦巻く水柱を作り出し、完全に水没した水車を本物の水車のように動作させた。これは今日知られている最古のものである。^[45]

製粉や揚水のほか、古代の技術者は外輪水車を自動機械や航海にも応用した。ウィトルウィウス（X 9.5–7）は、多段ギアの外輪が船の走行距離計として機能したと記述しているが、これはこの種のものとしては最古のものである。推進手段としての外輪水車に関する最初の言及は、4～5世紀の軍事論文『デ・レバス・ベリキス』（第17章）で、匿名のローマ人著者が牛で動かす外輪水車軍艦について記述している。^[46]

古代の水車技術は中世初期にも衰えることなく存続し、法典や修道院憲章、聖人 伝などの新しい文書ジャンルの出現に伴い、水車や水車に関する言及が急増した。^[47]

潮汐水車の中で最も古い垂直水車は、アイルランドのウォーターフォード近郊の6世紀のキロテランで発見されたものである^[48] 。一方、この種の水車の中で最も古い水平水車は、アイルランドのリトルアイランド（630年頃）で発見されたものである^[49] 。一般的なノルウェーやギリシャの水車として使われていたものの中で、最も古い水平水車は、アイルランドのバリーキリーンで発見されたもので、636年頃のものである^[49]。

潮力で動く水車として発掘された最も古いものは、北アイルランドのネンドラム修道院の水車で、787 年に建てられたものとされていますが、それより古い水車としては 619 年に建てられたものもあるかもしれません。潮力水車は、ヨーロッパとアメリカの両方で、潮汐の差が大きい河口で一般的になり、一般的には下掛け水車が使われました。

特にシトー会の修道院では、さまざまな種類の水車を動かすために水車を広範に使用していました。 ^[50]非常に大きな水車の初期の例としては、13世紀初頭のスペインのアラゴン地方にあるシトー会の修道院、ヌエストラ・セニョーラ・デ・ルエダ王立修道院に現存する水車があります。穀物用の製粉所が最も一般的であったことは間違いありませんが、製材所、縮絨工場、その他の多くの労働集約的な作業を行う製粉所もありました。水車は、産業革命の時代まで蒸気機関と競合していました。8世紀から10世紀頃には、いくつかの灌漑技術がスペインに持ち込まれ、ヨーロッパに紹介されました。それらの技術の1つがノリアで、基本的には水を汲み上げるためのバケツを周囲に取り付けた車輪です。これは、この記事の後半で説明する下掛け水車に似ています。これにより、農民はより効率的に水車を動かすことができました。トーマス・グリックの著書『中世バレンシアの灌漑と社会』によると、ノリアはおそらくペルシャのどこかで生まれた。この技術は、ローマ人から取り入れたアラブ人によってスペインにもたらされる以前から何世紀も使用されてきた。したがって、イベリア半島におけるノリアの分布は「安定したイスラム居住地の地域に一致している」。^{[51]この技術は農民の生活に大きな影響を与えた。ノリアは比較的安価に建設できる。したがって、ヨーロッパでは農民がより効率的に土地を耕作することができた。}スペイン人とともに、この技術はスペインの拡大に伴いメキシコや南米の新世界に広まった。

ノルマンディーのウィリアムが招集した集会は、一般に「ドゥームズデイ」または「ドゥームズデイ調査」と呼ばれ、イングランドの課税対象となる可能性のあるすべての財産の目録を作成しました。これには、3,000か所に広がる6,000を超える工場が含まれていました^[52]。これは、前世紀の100未満から増加しています^{[50] 。}

選択される水車の種類は、場所によって決まります。一般的に、水量が少なく、滝が高い場合、水車工は上掛け水車を選択します。この決定は、バケツが少量の水でも受けて使用できるという事実に影響されました。^[53]滝が小さく、水量が多い場合は、下掛け水車が使用されました。下掛け水車の方がそのような状況に適しており、建設費も安価だったためです。これらの水資源が豊富である限り、効率の問題は関係ありませんでした。18世紀までに、電力需要の増加と水源の制限により、効率計画が重視されるようになりました。^[53]

11世紀までに、ヨーロッパの一部では水の利用が当たり前になっていました。^[52]水車は西洋人の考え方を積極的に形作り、永遠に変えたと考えられています。ヨーロッパは水車の出現とともに、人間や動物の筋肉労働から機械労働へと移行し始めました。中世学者のリン・ホワイト・ジュニアは、無生物の動力源の普及は、西洋における力、労働、自然、そして何よりもテクノロジーに対する新しい姿勢の出現を雄弁に証明していると主張しました。^[52]

水力を利用することで、11世紀以降、農業の生産性、食糧余剰、大規模な都市化が向上しました。水力の有用性から、ヨーロッパでは風力や潮力などの他の動力源の実験が行われました。^[54]水車は都市、特に運河の建設に影響を与えました。この初期に開発された、水路のせき止めや運河の建設などの技術により、ヨーロッパは水力に重点を置いた道を歩み始めました。たとえば、給水と灌漑の技術を組み合わせて、水車の供給力を変更しました。^{[55]これは、}封建国家の高まるニーズを満たすために、多大な技術革新があったことを示しています。

水車は穀物を挽いて、パン用の小麦粉、ビール用の麦芽、お粥用の粗い粉を作るのに使われた。^[56]ハンマーミルは車輪を使ってハンマーを動かす。その1つが縮絨ミルで、布作りに使われた。トリップハンマーは錬鉄の製造や、鉄を便利な形に加工するのにも使われたが、これは労働集約的な作業だった。水車は製紙にも使われ、材料を叩いてパルプにした。13世紀には、ヨーロッパ中でハンマー打ちに使われた水車が、初期の鉄鋼製造の生産性を向上させた。火薬の習得とともに、水力は15世紀からヨーロッパ諸国に世界的な軍事的指導力を与えた。

18 世紀のヨーロッパよりずっと以前から、水車工は水車に働く 2 つの力、衝撃力と重量力を区別していました。16 世紀の農業著述家フィッツハーバートは、「車輪は水の重さと力 [衝撃力] で動く」と書いています。^[57] レオナルド ダ ヴィンチも水力について論じ、「[水の] 打撃は重さではなく、その力とほぼ等しい重さの力を刺激する」と述べています。^[58]しかし、重さと衝撃力という 2 つの力が認識されても、その 2 つの力の利点と欠点について混乱が残り、重さの効率が優れているという明確な理解はありませんでした。^[59] 1750 年以前は、どちらの力が支配的であるかは不明で、両方の力が互いに同等の刺激を与えながら作用していると広く理解されていました。^[60]水車は、自然法則、特に力の法則に関する疑問を引き起こしました。エヴァンジェリスタ・トリチェリの水車に関する研究では、ガリレオの落下物体に関する研究の分析が利用されており、水頭の下の穴から噴出する水の速度は、同じ高さから自由落下する水滴の速度と正確に等しいとされている。^[61]

水車はイギリスの工業化の初期段階の原動力でした。水力往復装置はトリップハンマーや高炉のふいごに使用されました。リチャード・アークライトの水力発電は水車で動いていました。^[62]

英国で製造された最も強力な水車は、マンチェスター近郊の 100 馬力のQuarry Bank Mill水車です。胸高直径の高い設計で、1904 年に廃止され、複数のタービンに置き換えられました。現在は修復され、博物館として一般公開されています。

英国本土で稼働中の最大の水車は、直径 15.4 メートル (51 フィート) で、カーナーヴォンの De Winton 社によって建造されました。この水車は、北ウェールズのランベリスにある国立スレート博物館のDinorwic 工房内にあります。

稼働中の世界最大の水車は、 マン島のラクシー村にあるラクシー水車（別名レディ・イザベラ）です。直径72フィート6インチ（22.10メートル）、幅6フィート（1.83メートル）で、マンクス国立遺産によって管理されています。

産業革命の時代、19世紀前半に技術者たちはより優れた水車の設計を始めた。1823年、ジャン＝ヴィクトール・ポンスレは、非常に低い水頭でも機能する非常に効率的な下掛け水車設計を発明し、これは1830年代後半までに商品化され、普及した。その後、サジェビアン水車などの他の設計が続いた。同時期に、クロード・バーダンはタービンと名付けたまったく異なる機械に取り組んでおり、彼の弟子ブノワ・フルネロンは1830年代に最初の商用水を設計した。

水力タービンの発達により、水車の人気は低下しました。タービンの主な利点は、水車は直径よりも大きな水頭を効果的に利用できないのに対し、タービンの直径よりも大きな水頭を利用できることです。水車から現代のタービンへの移行には約 100 年かかりました。

アメリカ合衆国の発展期には、製材所や製粉所などの動力源として水車が使われていました。コロラド州マッコイにある直径 40 フィート (12 メートル) の水車は1922 年に建設され、コロラド川から灌漑用の水を汲み上げていた数多くの水車のうち現存するものです。

初期の改良点としては、サスペンション ホイールとリム ギアリングの 2 つがありました。サスペンション ホイールは自転車のホイールと同じ構造で、リムはハブからの張力で支えられています。これにより、重いスポークが圧縮されていた以前の設計よりも、より大きくて軽いホイールが実現しました。リム ギアリングでは、ホイールのリムまたはシュラウドにノッチ付きホイールを追加します。スタブ ギアがリム ギアに噛み合い、独立したライン シャフトを使用して動力をミルに取り込みます。これにより、車軸から回転応力が取り除かれ、車軸が軽量化され、パワー トレインの配置場所の柔軟性も高まりました。シャフトの回転はホイールの回転からギアアップされ、動力損失が少なくなりました。トーマス ヒューズが先駆けとなり、ウィリアム アームストロング フェアバーンが改良したこの設計の例は、ポートランド ベイスン運河倉庫にある 1849 年に復元されたホイールで見ることができます。^[63]

これと多少関連があるものとしては、アメリカ北西部やアラスカで使われていた魚車があり、これは川の流れから サケを引き揚げるものでした。

オーストラリアは比較的乾燥した気候であるが、それでも、適切な水資源が利用できる場所では、19世紀のオーストラリアで水車が建設された。これらは、製材所、製粉所、金鉱石を粉砕するスタンパーバッテリーの動力として使用された。金の回収作業で使用された水車の注目すべき例としては、チュートン近くの大きなガーフィールド水車（周辺地域にある少なくとも7つの水車のうちの1つ）と、アデロングフォールズにある2つの水車があり、両方の場所にいくつかの名残が残っている。 ^{[64] [65] [66] [67]}ウォルハラの採掘地域にはかつて少なくとも2つの水車があり、そのうちの1つはポートアルバートからその縁に乗せて、斬新なトロッコの配置を使用して約90日かけて現場に運ばれた。^{[68] 1847年に建設された}ジンダバインの水車は、スノーウィー川から製粉用のエネルギーを抽出するために使用された最初の機械であった。^[69]

デスリッジ水車として知られる小型水車は、動力源としてではなく、灌漑地への水の流れを測定するために使用されました。^[70]

ニュージーランドでは水車が広く使われていました。^[71]ヤングオーストラリアン鉱山のオーバーショット水車のよく保存された遺跡は、ゴーストタウンのキャリックタウンの近くに存在し、^[72]フェニックス製粉所の水車の遺跡はオアマルの近くにあります。^[73]

インドの水車の初期の歴史は不明瞭である。紀元前4世紀に遡る古代インドの文献には、cakkavattaka（回転する車輪）という用語が記されており、注釈では、arahatta-ghati-yanta（車輪の付いた機械）と説明されている。これに基づいて、ジョセフ・ニーダムは、その機械がノリアであると示唆した。しかし、テリー・S・レイノルズは、「インドの文献で使用されている用語は曖昧であり、水力で動く装置を明確に示していない」と主張している。ソーキルド・シオラーは、「これらの文章は、水力で動く揚水車ではなく、何らかのタイプの踏み車または手動の揚水装置を指している可能性が高い」と主張した。^[74]

ギリシャの歴史的伝承によれば、インドは4世紀初頭にローマ帝国から水車を受け取り、メトロドロスという人物が「彼ら（バラモン）の間ではそれまで知られていなかった水車と浴場」を導入した。^[75]作物の灌漑用水は揚水車によって供給され、揚水車の中には水を汲み上げる川の流れの力で動くものもあった。この種の揚水装置は古代インドで使用されており、ペイシーによれば、後のローマ帝国や中国での使用よりも古くから使用されていたが、^[76]水車に関する最初の文学的、考古学的、絵画的証拠はヘレニズム世界で現れた。^[77]

1150年頃、天文学者のバースカラ・アチャリヤは揚水車を観察し、そのような水車が水の流れを補充するのに十分な水を汲み上げ、事実上永久機関を動かすと想像しました。^[78]インドの水道施設の建設と水技術の側面は、アラビア語とペルシャ語の著作に記載されています。中世には、インドとペルシャの灌漑技術の普及により、経済成長をもたらし、物質文化の成長にも役立った高度な灌漑システムが生まれました。^[79]

イスラム教の伝播後、イスラム世界の技術者は古代近東の水利技術を継承した。これはバスラ地域の運河の発掘調査で7世紀の水車の遺跡が発見されていることからも明らかである。シリアのハマでは、オロンテス川沿いに大きな水車がいくつか残っているが、現在は使われていない。^[80] 最大のものの一つは直径が約20メートル（66フィート）あり、縁が120の区画に分かれていた。今も稼働しているもう一つの水車がスペインのムルシア州ラ・ノラで発見されており、元々の水車は鋼鉄製のものに取り替えられているが、アルアンダルス時代のムーア人のシステムはほとんど変わっていない。中世イスラムの区画水車の中には、水を30メートル（100フィート）もの高さまで汲み上げることができたものもあった。^[81] 10世紀のムハンマド・イブン・ザカリヤ・アル・ラーズィーの『キターブ・アル・ハウィー』には、イラクのノーリアが1時間当たり153,000リットル（34,000英ガロン/時）、または1分当たり2,550リットル（560英ガロン/分）もの水を汲み上げることができると記されている。これは東アジアの現代のノーリアの出力に匹敵し、1時間当たり288,000リットル（63,000英ガロン/時）、または1分当たり4,800リットル（1,100英ガロン/分）まで汲み上げることができる。^[82]

イスラム世界での水車の​​産業的利用は7世紀に遡り、水平水車と垂直水車はともに9世紀までには広く普及していた。イスラム世界では、製粉所、籾殻機、製材所、造船所、スタンプ工場、製鉄所、砂糖工場、潮汐工場など、さまざまな産業用水車が使用されていた。11世紀までには、アルアンダルスや北アフリカから中東や中央アジアに至るまで、イスラム世界のあらゆる州でこれらの産業用水車が稼働していた。^[83]イスラム教徒とキリスト教徒の技術者は、水車や揚水機に追加の動力を供給するために、クランクシャフトや水車、水車や揚水機の歯車、 水源としてのダムも利用した。 [ ^84]縮絨工場と製鉄工場は12世紀にイスラム教のスペインからキリスト教のスペインに広まった可能性がある。工業用水車は11世紀から13世紀の間にアルアンダルスに建設された大規模な工場群でも使用されていた。^[85]

イスラム世界の技術者は、水車から最大限の出力を得るためのいくつかの解決策を開発した。一つの解決策は、増加した流量を利用するために橋脚に水車を取り付けることであった。もう一つの解決策は、船の水車であった。これは、川の真ん中に停泊している船の側面に取り付けた水車で動くタイプの水車である。この技術は、10世紀のイラクのチグリス川とユーフラテス川沿いで採用され、チーク材と鉄で作られた大きな船の水車は、バグダッドの穀倉地帯のために毎日穀物から10トンの小麦粉を生産することができた。^[86]駆動装置から被駆動機械への動力の伝達を円滑にするために使用されるフライホイール機構は、アンダルスのイブン・バッサル（1038-1075年活躍）によって発明され、彼はサキヤ（鎖ポンプ）とノリアでのフライホイールの使用の先駆者となった。^[87] 13世紀の技術者アル・ジャザリと16世紀のタキー・アルディーンは、技術論文の中で多くの独創的な揚水機械について述べています。彼らはまた、さまざまな水時計やオートマタを含むさまざまな装置の動力源として水車を使用しました。

ブレストショット水車の最近の開発は、自動制御システムを効果的に組み込んだ油圧水車です。アクアリエンヌはその一例です。この水車は、1～3.5メートル（3～11フィート）の落差で20m3（710立方フィート）の水流から37kW～200kWの電力を生成します^。 [ ^88]この水車は、かつて水車があった場所で電力を生産するように設計されています。

オーバーショット（特にバックショット）水車は最も効率的なタイプです。バックショット鋼水車は、最も先進的でよく作られた水車を除くすべての水車よりも効率的です（約60％） 。状況によっては、オーバーショット水車が水車よりも好ましい場合もあります。^[89]

効率が向上した（> 67%）水車の開発により、既存の工場に水車を設置したり、廃工場を再開発したりする代替手段が開かれました。

車輪に供給されるエネルギーには 2 つの要素があります。

• 運動エネルギー– 水がホイールに入るときの水の動きの速さによって決まる
• 位置エネルギー– 水がホイールに入るときと出るときの間の水の高さの変化によって決まる

運動エネルギーは、等価のヘッド、つまり速度ヘッドに変換し、実際のヘッドに追加することで計算できます。静止した水の場合、速度ヘッドはゼロです。また、ゆっくりと流れる水の場合、速度ヘッドはほぼ無視できるほど小さいため、無視できます。放水路の速度は考慮されません。これは、完璧な水車の場合、水はゼロのエネルギーで流れ出すため、速度がゼロになる必要があるためです。これは不可能であり、水は水車から離れる必要があり、非効率性の避けられない原因となります。

パワーは、エネルギーがどれだけ速く伝達されるかであり、流量によって決まります。古代ローマのロバまたは奴隷が動かした石臼は約0.5馬力、水平水車は0.5馬力強、垂直下水車は約3馬力、中世の上水車は最大40～60馬力を生み出したと推定されています。^[90]

• ${\displaystyle \eta =}$ 効率
• ${\displaystyle \rho =}$ 水の密度（1000 kg/m ³）
• ${\displaystyle A=}$ チャネルの断面積（m ²）
• ${\displaystyle D=}$ 車輪の直径（m）
• ${\displaystyle P=}$ 電力(W)
• ${\displaystyle d=}$ 距離（メートル）
• ${\displaystyle g=}$ 重力の強さ（9.81 m/s ² = 9.81 N/kg）
• ${\displaystyle h=}$ 頭（メートル）
• ${\displaystyle h_{p}=}$ 圧力水頭、水位差（m）
• ${\displaystyle h_{v}=}$ 速度ヘッド（m）
• ${\displaystyle k=}$ 速度補正係数。滑らかなチャネルの場合は0.9。^[91]
• ${\displaystyle v=}$ 速度(m/s)
• ${\displaystyle {\dot {q}}=}}$ 体積流量（m ³ /s）
• ${\displaystyle t=}$ 時間（秒）

^{ドット表記}

圧力水頭は、水頭水面と放水路水面の高さの差です。速度水頭は、圧力水頭が測定されるのと同じ場所の、水頭水面内の水の速度から計算されます。速度（速度）は、プースティック法、つまり測定距離にわたって浮遊物を移動させる時間を測定する方法で測定できます。表面の水は、底部や側面に近い水よりも速く移動するため、以下の式のように補正係数を適用する必要があります。^[91]${\displaystyle h_{p}}$${\displaystyle h_{v}}$${\displaystyle v}$

体積流量を測定する方法は多数あります。最も簡単な方法は次の 2 つです。

• 断面積と速度から。これらは同じ場所で測定する必要がありますが、それはヘッドレースまたはテールレースのどこでもかまいません。ホイールと同じ量の水が通過する必要があります。^[91]
• バケツとストップウォッチ法で体積流量を測定することが実行可能な場合もあります。^[92]

並行して開発されたのが、水車/部分反動タービンで、これも水車の中心に堰を組み込んでいるが、水の流れに対して角度をつけたブレードを使用している。WICON-Stem Pressure Machine (SPM) はこの流れを利用している。^[97]推定効率67%。

英国サウサンプトン大学土木工学環境学部は、両方のタイプの油圧ホイールマシンを調査し、その油圧効率を推定し、改善案を提案しました。例えば、回転式油圧マシンです。（推定最大効率85％）。 ^[98]

このタイプの水車は、部分負荷/可変流量で高い効率を示し、1 m (3 フィート 3 インチ) 未満の非常に低い落差でも動作できます。直接駆動の軸流永久磁石オルタネータとパワーエレクトロニクスと組み合わせることで、低落差水力発電の現実的な代替手段となります。

• 水力発電
• 水力発電
• ペルトン水車
• 水力タービン
• 水車

灌漑用水を汲み上げる装置

• ノリア
• サキア

土地の排水のために水を汲み上げる装置

• スクープホイール

^ドット表記。量の上のドットは、それが速度であることを示します。つまり、毎秒どのくらいか、または毎秒どのくらいかです。この記事では、q は水の量で、は毎秒の水の量です。水の量を表す q は、速度を表す v との混同を避けるために使用されています。 ${\displaystyle {\dot {q}}}$

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• 水車用語集
• エッセイ/オーディオクリップ
• WaterHistory.org 水車に関するいくつかの記事
• 下吊り水車のコンピュータシミュレーション 2009-08-10 にWayback Machineでアーカイブ
• 1814年から1815年にかけてのインドのペルシャの車輪。Wayback Machineに2012年10月21日にアーカイブ。大英図書館のウェブサイトにある説明文付きの絵画。
• オーバーシュート水車のコンピュータシミュレーション 2009-08-10 にWayback Machineでアーカイブ
• 水車建設ガイド：ノースカロライナ大学農業機械芸術学部に提出されたLTヤーブローの論文 1893年6月
• 18 種類のウェールズ水車シュラウドの鋳造パターン - 2015