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風車は、羽根や帆に作用する風の力で穀物を挽く機械（製粉機）です。風車は中世盛期から近世初期にかけて広く使われていました。水平型またはパネモネ型の風車は9世紀にペルシャで初めて登場し、垂直型の風車は12世紀に北西ヨーロッパで初めて登場しました。 [ 1 ] [ 2 ]
風力機械は以前から使用されていました。バビロニアの皇帝ハンムラビは、紀元前17世紀にメソポタミアでの灌漑事業に風車動力を使用していました。 [ 3 ]
その後、 1世紀のローマ領エジプトのアレクサンドリアのヘロンは、機械を動かすための風車と思われるものについて記述した。[ 4 ] [ 5 ]彼の風力オルガンの記述は実用的な風車ではなく、初期の風力玩具か、あるいは実際に機能する装置であったかどうか不明な風力機械の設計概念であった。テキストには曖昧さがあり、設計にも問題がある。[ 6 ]風力車輪のもう1つの初期の例は祈祷車であり、チベットと中国で最初に使用されたと考えられているが、その最初の出現時期については不確実性があり、紀元400年頃、7世紀[ 7 ] 、または9世紀以降[ 6 ]の可能性がある。
記録に残る最も初期の稼働中の風車の設計の1つは、紀元700 ～ 900年頃にペルシャで発明された。[ 8 ] [ 9 ]この設計はパネモネと呼ばれ、水平の支柱で中央の垂直軸に取り付けられた軽量の垂直の木製帆を備えていた。最初は水を汲み上げるために作られ、その後穀物を挽くためにも改良された。[ 10 ] [ 11 ]
最初の実用的な風車は、垂直軸を中心に水平面で回転する帆を使用するパネモネ風車でした。葦のマットや布で覆われた6枚から12枚の帆でできたこれらの風車は、穀物を挽いたり水を汲み上げたりするために使用されました。 [ 12 ]中世の記録によると、ペルシャの建築奴隷との会話に基づき、ラシードゥン朝のカリフ、ウマル・イブン・アル＝ハッターブ（在位634～644年）の治世中にペルシャと中東で風車技術が使用されていたと報告されています。 [ 13 ]カリフ・ウマルに関する逸話の一部は10世紀になって初めて記録されたため、その信憑性には疑問があります。[ 14 ]ペルシャの地理学者エスタクリは、 9世紀にはすでにホラサン（イラン東部とアフガニスタン西部）で風車が稼働していたと報告しています。[ 15 ] [ 16 ] このような風車は中東や中央アジアで広く使われており、その後そこからヨーロッパ、中国、インドへと広まった。[ 17 ] 11世紀までに、垂直軸風車はイベリア半島（アル・アンダルス経由）やエーゲ海（バルカン半島）を含む南ヨーロッパの一部に到達した。[ 18 ]灌漑に使われる長方形の羽根を持つ同様の水平風車は、 1219年に野露楚才がトルキスタンへ旅した際に、13世紀の中国（北部の女真族の金王朝時代）にも見られた。 [ 19 ]
垂直軸風車は、18 世紀から 19 世紀にかけてヨーロッパで少数ながら建設されました。[ 12 ]例えば、ロンドンのバタシーにあるファウラーズ ミルや、ケント州マーゲートにあるフーパーズ ミルなどです。これらの初期の近代の例は、中世の垂直軸風車に直接影響を受けたものではなく、18 世紀の技術者による独立した発明であったようです。[ 20 ]
水平軸風車または垂直風車（帆の動きの平面にちなんでこう呼ばれる）は12世紀に開発されたもので、北西ヨーロッパ、北フランス、東イングランド、フランドルの三角地帯で初めて使用された。[ 21 ] 垂直風車が、前世紀にペルシャ・中東から南ヨーロッパに導入された水平風車の影響を受けたかどうかは不明である。[ 22 ] [ 23 ]
北ヨーロッパにおける風車（垂直型であったと推定される）に関する最も古い確実な記録は、1185年にヨークシャーの旧ウィードリー村で発見されたもので、この村はウォルドの南端に位置し、ハンバー河口を見下ろしていた。[ 24 ]風車に言及している12世紀のヨーロッパの資料もいくつか発見されているが、年代は確実ではない。[ 25 ]これらの初期の風車は穀物を挽く ために使われていた。[ 26 ]
現在のところ、ヨーロッパで最も初期の風車はポストミルと呼ばれるもので、これは風車の主要構造（「本体」または「バック」）を支える大きな直立した柱にちなんで名付けられました。このように本体を設置することで、風車を回転させて風向きに合わせることができます。これは、風向きが変化する北西ヨーロッパで風車を経済的に運用するための必須条件です。本体にはすべての製粉機械が収められています。最初のポストミルは、柱を土盛りに埋めて支える沈下型でした。その後、トレッスルと呼ばれる木製の支持構造が開発されました。これは、トレッスルを風雨から保護し、保管スペースを提供するために、円形の小屋で覆われたり囲まれたりすることがよくありました。このタイプの風車は、19世紀に強力なタワーミルやスモックミルに取って代わられるまで、ヨーロッパで最も一般的でした。[ 27 ]
中空柱風車では、本体が取り付けられている柱が中空になっており、駆動軸を収容できるようになっている。[ 28 ] これにより、本体を風向きに合わせて回転させながら、本体の下や外側の機械を駆動することが可能になる。中空柱風車は、15世紀初頭からオランダで湿地の排水に使用されてきた。[ 29 ]
13世紀末までに、本体全体ではなく上部のキャップだけを回転させる石造りの塔型風車が導入されました。塔型風車の普及は、より大きく安定した動力源を必要とする経済成長に伴うものでしたが、建設費用は高額でした。柱型風車とは異なり、塔型風車はキャップだけを風に向ければよいので、本体をはるかに高くすることができ、帆を長くすることができ、弱い風でも十分な作業を行うことができます。キャップは、キャップ内部のウインチやギア、または風車の外側の尾柱に取り付けられたウインチによって風に向けることができます。キャップと帆を自動的に風に向ける方法として、風車の後部に帆に対して直角に取り付けられた小型の風車であるファンテールを使用する方法があります。これらは柱型風車の尾柱にも取り付けられており、イギリスや旧大英帝国の英語圏諸国、デンマーク、ドイツでは一般的ですが、他の地域ではまれです。地中海沿岸の一部地域では、風向きがほとんど変化しないため、固定式の屋根を持つ塔型風車が建設された。
スモックミルは、タワーミルの後期発展型で、石造りの塔の代わりに「スモック」と呼ばれる木製の骨組みが用いられ、その屋根は茅葺き、板張り、あるいはスレート、金属板、タール紙などの他の材料で覆われている。スモックは一般的に八角形の平面形状をしているが、辺の数が異なるものも存在する。
スモック型風車は、建設費用が高額で湿地には設置できない塔型風車の欠点を克服するため、17世紀にオランダ人によって導入されました。スモック型風車の下半分はレンガ造り、上半分は木製で、傾斜した塔の形状が構造的な強度を高めていました。これにより軽量化が図られ、不安定な地盤にも設置することが可能になりました。
スモック風車の設計には、メインの風車が風向きに向くようにするための小さなタービンが背面に付いていた。 [ 30 ]
一般的な帆は、帆布を広げる格子状の枠組みで構成されています。製粉業者は、風と必要な動力に応じて広げる布の量を調整できます。中世の製粉所では、帆布は梯子状の帆の配置に巻き込まれたり巻き出されたりしていました。後の製粉所の帆は、帆布を広げる格子状の枠組みを備えていましたが、寒冷地では、布の代わりに木製の板が使われ、氷点下の状況でも扱いやすくなりました。[ 31 ]ジブ帆は地中海諸国でよく見られ、帆柱に巻き付けられた単純な三角形の布で構成されています。[ 32 ]
いずれの場合も、帆を調整するために風車を停止する必要があります。18 世紀後半から 19 世紀にかけてのイギリスでの発明により、風車の職人が介入する必要なく風速に自動的に調整される帆が開発され、 1807 年にウィリアム キュービットによって特許取得済みの帆が発明されました。これらの帆では、布の代わりに連結されたシャッターの機構が使用されています。[ 33 ]
フランスでは、ピエール＝テオフィル・ベルトンが、縦方向の木製スラットを機構で接続し、製粉機が回転している間に製粉業者がそれらを開けることができるシステムを発明した。20世紀には、飛行機の開発による空気力学の知識の増加により、ドイツのエンジニアであるビラウと数人のオランダの製粉業者によって効率がさらに向上した。風車の大部分は4枚の帆を備えている。5枚、6枚、または8枚の帆を備えた多枚帆の風車は、イギリス（特にリンカンシャー州とヨークシャー州とその周辺）、ドイツ、そしてあまり一般的ではない他の地域で建設された。初期の多枚帆の風車は、スペイン、ポルトガル、ギリシャ、ルーマニア、ブルガリア、ロシアの一部で見られる。[ 34 ]偶数枚の帆を備えた風車は、損傷した帆と反対側の帆の両方を取り外すことで、風車のバランスを崩さずに損傷した帆で運転できるという利点がある。
オランダでは、風車の羽根が静止している位置、つまり風車が稼働していない位置は、古くから信号を送るために使われてきました。羽根が「+」の形（3時、6時、9時、12時）で停止している場合は、風車は稼働中です。羽根が「X」の形に停止している場合は、風車は閉鎖されているか、機能していません。羽根がわずかに傾いている（一番上の羽根が1時の位置）のは、健康な赤ちゃんの誕生など、喜びの合図です。羽根が11時、2時、5時、8時の位置に傾いているのは、喪や警告の合図です。第二次世界大戦中、ユダヤ人の捜索など、ナチスの作戦中に、地域に信号を送るために使われました。オランダ全土で、2014年のマレーシア航空17便撃墜事件のオランダ人犠牲者を追悼するため、風車が喪の姿勢で設置されました。[ 35 ]
風車内部の歯車は、帆の回転運動から動力を機械装置に伝達します。帆は水平の風車軸に取り付けられています。風車軸は、完全に木製、鋳鉄製のポールエンド（帆を取り付ける部分）が付いた木製、または完全に鋳鉄製のものがあります。ブレーキホイールは、風車軸の前後のベアリングの間に取り付けられています。リムの外周にブレーキがあり、リムの側面に歯があり、垂直軸の上端にあるウォロワーと呼ばれる水平歯車を駆動します。製粉所では、垂直軸の下部にある大きな平歯車が、各石臼を駆動する軸上の1つまたは複数の石臼ナットを駆動します。ポストミルでは、平歯車機構の代わりに、石臼ナットを直接駆動するヘッドホイールやテールホイール、あるいはその両方を備えている場合があります。追加の歯車は、袋巻き上げ機やその他の機械を駆動します。風車が穀物の製粉以外の用途に使用される場合は、機械が異なります。排水ミルは、直立軸の下端にある別の歯車セットを使用して、すくいホイールまたはアルキメデスのスクリューを駆動します。製材所は、クランクシャフトを使用して鋸に往復運動を与えます。風車は、製紙工場、脱穀工場、油糧種子、羊毛、塗料、石製品の加工など、他の多くの工業プロセスを動かすために使用されてきました。[ 36 ]
14世紀には、風車がヨーロッパで普及しました。風力で動く風車の総数は、1850年のピーク時には約20万台と推定されており、これは約50万台の水車のほぼ半分に相当します。[ 31 ]風車は、水が少なすぎる地域、冬に川が凍結する地域、川の流れが遅すぎて必要な動力を供給できない平地などで利用されました。[ 31 ]産業革命の到来とともに、風と水は主要な産業エネルギー源としての重要性を失い、最終的には蒸気（蒸気機関）や内燃機関に取って代わられましたが、風車は19世紀後半まで大量に建設され続けました。近年では、風車は歴史的価値のために保存されており、古い機械が壊れやすく動かせない場合は静的展示として、また完全に稼働する風車として保存されている場合もあります。[ 37 ]
1850 年頃のオランダで使用されていた 10,000 基の風車のうち、約 1,000 基が今も残っています。[ 38 ]これらの風車のほとんどはボランティアによって運営されていますが、一部の製粉所は商業的にも稼働しています。排水用の風車の多くは、近代的なポンプ場のバックアップとして指定されています。ザーン地区は、 18 世紀末までに約 600 の風力発電を利用した産業が稼働していた世界初の工業化地域であったと言われています。[ 38 ]経済変動と産業革命は、穀物工場や排水工場よりもこれらの産業に大きな影響を与えたため、残っているのはごくわずかです。
製粉所の建設は17世紀にケープ植民地に広まった。初期の塔型製粉所はケープ半島の強風に耐えられなかったため、1717年にヘーレン17世は耐久性のある製粉所を建設するために大工、石工、資材を送った。1718年に完成したこの製粉所はオウデ・モーレンとして知られるようになり、パインランズ駅とブラック川の間に位置していた。ずっと前に取り壊されたが、その名前はパインランズにある技術学校の名前として残っている。1863年までに、ケープタウンにはパーデン・エイランドからモウブレイまで11の製粉所があった。[ 39 ]