水力ミル (水車工場) に関連して (旧バージョン)

水車 (waterwheel) は 2000 年以上もの間、ヨーロッパの工場 (主に製粉工場) の動力源で、 このような工場は watermill (水力ミル、水車工場) と呼ばれます。 水力ミル (watermill, 水車工場) の大多数は製粉工場で、使用される水車は日本の水車と 大差ないように見えますが、パワーがはるかに大きく、その水車を動力水車、その施設を工場 (水力ミル) と 呼ぶ方が適切です。

ここでは主に動力とその伝達 (歯車) に関して欧米の水力ミルと日本の水車の違いを議論します。 水力ミルには産業革命の時に繊維工場 (木綿ミルなど) にも使用されますが、 日本の水車は欧米の水力ミルの動力に及びませんから、繊維工場への応用がなかったことは自明です。 あえて議論しても、水力ミルは蒸気動力のミル (工場) と基本的に同じなので、 第二次世界大戦前の日本に産業がなかったこと の議論からも、日本の水車を繊維工場に応用することは不可能です (ラインシャフトの理由)。

水力ミルの水車に動力を与えるのはその作り方 (ミル水路及び落差など) にあります。 英国産業革命の水車の効率化に貢献した人に ジョン・スミートンがいます。 彼は土木技術者として知られていますが、著名な物理学者でした。 だから、英国産業革命の水車の効率化の背景には物理学もあるのです。 (ジョン・スミートンを参照。) スミートンは 下掛け水車より、 上掛け水車や 胸掛け水車の方が効率的であることを示したそうですから、 水車の馬力を上げるには落差が必要となることを啓蒙したのはスミートンによっている可能性が大きい。 (もっともバルブガル水道とミル群から明らかなように、 ローマ時代の水車も落差を利用している)。 そして、この落差を作るために人工水路 (ミル水路) を作るのです。

水力ミルでは回転の向きの変更に (例えば垂直軸の周りの回転を水平軸の周りの回転に変更するために) 歯車を使用しますが、 日本にはこのような歯車がなかったことも議論します。

多くの人はほとんど指摘していませんが、水力ミルには立地条件があります。 固定した場所に水車を設置した場合に、洪水があれば水車はドロでつまる危険があるし、 水車が壊れる危険があります。 この問題は非常に古くから良く知られていたはずで、 ローマ帝国では多くの水車は人工の水路 (aqueduct、水道) に設置されており、 この場合には洪水の危険がありませんでした。 (ローマの工学、 バルブガル水道とミル群 を参照。ローマ帝国では水道を建設した都市が水力ミルの建設をしている。 古代の水力ミルの一覧 も参照。)

その他の洪水対策としては、船舶ミル (ship mill) を使用し、 水車を川岸に固定するのではなく、 係留した船に「水車」を設置するものがあります。 この方法では、工場が定位置にないため産業地帯ができないし、 水車の馬力をあげることもできません。(落差を作れない。) 従って、これには発展の可能性がない。

近世に欧米で設置された「水車」 (waterwheel) はほゞ人工水路に設置しています。 このような人工水路は川から水をひき、途中で水車を駆動してその後で水を川に戻します。 このようにすると良い点は：

1. 人工水路に落差を付けて水車を上掛け水車や 胸掛け水車にすることができる。 (下掛け水車では馬力が小さい。)
2. 人工水路の入り口に洪水ゲート (or スルース・ゲート) を作り、洪水の時に洪水ゲートを閉鎖して、 水車を洪水から守ることができる。

このような人工水路のことを英語では、 ミル水路 (millrace), リート (leat)、 給水路 (head race) + 排水路 (tail race)、... などと色々な呼び方があります。 ところが日本語には、これに対応する呼び方がないので翻訳に随分困り、適切な用語を作る必要があります。 つまり、日本ではこのようにして水車を作ったことがなかったことがわかります。

人工水路に水車を設置する方向の延長線上に、現代の水路式発電所があり、 ペンストック (penstock) と呼ばれるものに発展します。

そうすると、日本では水車を直接川に設置したことしか、あり得ないことになります。 最初に述べたように、これをすると洪水には極めてもろくなります。 あるいは設置したのは大きな川ではなく、小さな川であったことになり、 これでは大きな馬力を出力できないことになります。

更に

始まりの開始 -- 道路建設

の 戦前の日本に道路建設があり得なかったことの別の理由、その 2 により、 第二次世界大戦前の日本ではほとんど治水工事がされておらず、 全国の河川にはまともな堤防がなかったことがわかっており、 とりわけ近世には日本国中で洪水が頻発していました。 従って、水車があったにせよ、洪水による被害で始終壊れていたことが想定され、 そのたびに作り直されたと思われます。従って、そのような条件でも水車を使用したとすれば、 簡単に作り直せる小さな物であったと思われます。

つまり第二次世界大戦前の日本では、まともな治水工事がされておらず、 その理由からまともな水車がなかったと思われます。

これと比較すると、英国 (イングランド) の場合には、 すでに 1600 年頃には、治水工事が開始され、並行して水力ミル (水車工場) も建設されており、 ちゃんと納得できる状況になっています。

厳密にチェックしたわけではありませんが、 ヨーロッパで水車が建設された場所では治水工事が並行して実施されたと思われる。

1. 水車は玄米を白米に精製するために使用しましたが、 江戸時代で白米を食べられたのは、ごく限られた人々で、 それ以外の人達は玄米を食べた。 白米を食べられたのは (侍 + 限られた町民) だと思われ、全人口の一割に達していないはずです。 以上の事実は、日本の水車の数が非常に少なかったことの別の側面を示しています。 また逆に水車が少ないことが分かっていれば、白米を食べていた人の数が限られていたことがわかります。 更に、明治以後もこの状態はほとんど変化しなかった。 日本国民の大多数の人が白米を食べるようになったのは第二次世界大戦後の事です。 第二次世界大戦後に日本人の大半に現金収入があるようになり、これが可能となったのです。
2. 英国の水車はとてもたくさんあったことが知られ、現在はそのごく一部が 残っているにしか過ぎません。 例えば川を運河化すれば至る所に堰ができ、このいずれにも必ず水力ミル (mill) が 設置され、製粉工場の数は無数にありました。 これは、かって英国の水運がとても盛んであったことの一つの側面なのです。

日本では元々、治水工事がされることがなく、落差のある水車は可能性が低かったことは事実ですが、 地形的に落差のある場所に水車を設置することがなかったのでしょうか ? しかも明治以後であれば、ヨーロッパの本 (とりわけ英語の本) を読むことができたはずです。 鉄道建設に関してはアヘンと鉄道の 必要であったもの -- 教科書から、 英文の教科書を読んでいたことは間違いないので、水車に関しても同様であったはずです。 (英国産業革命の時は、何でも本にする可能性が高く、このような本もあった可能性が高い。)

しかし、このような本では 「落差の利用」 と言わずに、 「potential energy の利用」 と言及している可能性の方が高く、 これを直訳して 「可能性のあるエネルギーの利用」 と理解したのでは まったくの誤解をした可能性の方が高い。 「potential energy」 (ポテンシャル・エネルギー) は力学の用語で 「位置エネルギー」 を意味し、 力学を勉強していないと理解できない用語なのです。(これは全くの基礎的用語で、高校で学ぶ物理学に登場する言葉です) ところが 侍の知的レベルについての 旧制高校で (あるいは高校までに) 教えられた内容は ? から明らかなように基礎物理学の訳語が定着するのが第二次世界大戦直前なので、 一般的に 「位置エネルギー」 の用語は理解できなかったと考える方が妥当と思われ、 明治以後も水車大工は落差によるエネルギーを理解できなかった。

一方、英国産業革命の時の「機械工」(あるいはミルライト) は、 機械工協会の記述 から明らかですが、一応力学らしきものを知っている。 従って、ミルライトはこのような力学の知識を前提にして、 例えば深層鉱山から地下水の排水をした (例えばウェットアース炭坑を参照)。 しかし、日本の明治時代以後 (且つ第二次世界大戦前) の水車大工や、この人たちに指図した人は 力学を理解していなかった。

1. 一般に、英国産業革命時代の技術者は日本の百科事典などでは「無学な人」のレッテルが張られていることが多く、 全く同様な背景から水車における落差の利用が理解されなかった可能性がある。(科学用語が適切に理解されなかった。)
2. potential energy (ポテンシャル・エネルギー) のような言葉は、 英語圏では「可能性のあるエネルギー」と短絡的に理解する人は少ないと思う。 これは potential の用語は無理すれば「可能性のある」の意味に解釈することもできるが、 通常とは違う用語なので、特殊な意味で使用していることがわかるはずです。 だから potential energy は特別な用語とすぐに判断され、 意味が分からなければ別に調べるはずです。
3. ここでの話は一応、第二次世界大戦前のことなのですが、インターネット上の水車に関しての日本語のページで、 落差に関して言及してあるものがないように見えます。 つまり、力学を勉強したことがないと思われ、水車に関して日本語でホームページを書いている人々は、 力学をかって勉強したことがないと思われます。そのため誤解が累積している可能性がある。
4. ひょっとすると、「落差」 の用語は外国語の文献を翻訳するために、明治以後に翻訳用語として日本語で造語された可能性もあります。 この場合には、本来の日本語に「落差」の概念がなく、 従って落差を利用する水車が存在しなかったことの本当の理由かもしれない。 「落差」の概念は位置エネルギーの概念につながるので、この可能性はとても大きい。

イングランドでは直接川に堰を作り、そこに水車を建設したこともありますが、 これは治水工事と並行して実施されたと思われます。この発展形態が現代の発電ダムです。 (堰を作ってミルを設置すれば、 大きなダム湖 (ミル池) ができ、 現在でもこれがあちこちに残っています。)

重要なことは例えば、英国においては、

1. 治水事業
2. 河川水路の整備 (運河としての整備)
3. 水力ミル (watermill、水車工場) の建設

のいずれも互いに独立なことではなく、相互に関連しており、とりわけ 1, 2 の工事は互いに補完して実施されている。 またその際に、工事経費 (あるいは保守経費) を軽減するために 3 を実施することが多かった。 (製粉所の儲けを治水工事の経費等にあてた。) 従って、英国に水力ミルが多かったのは治水事業 (あるいは運河) が随分あったことの別な側面なのです。 (現代的には、 治水事業により産業が発展し、これによって政府あるいは自治体の税収が増加し、 これで治水事業に資金を回すことができるようになり、資金面の 1 つのサイクルができるのです。 しかし、かっての英国における歴史 -- 産業革命 -- はこれが (治水事業が税金によって実施される) サイクルとして定着する以前の話なのです。 この方式では水力ミル (水車工場) が軌道に乗れば、これで別の収入が得られ、治水事業 (あるいは運河) の経費を補足することができた。)

日本ではこのような治水事業が実施されなかった。 洪水のたびに上流から土砂が流入するという日本固有の事情があったとは思いますが、 日本では (第二次世界大戦前には) 治水事業がほとんど実施されていない。また実施された場合にせよ、これは対処療法的なものであった (実例としては、現在急速に消滅しかけている 天井川があります。河川水運がある川では定期的に浚渫されるので天井川はあり得ない。) 。

ローマ帝国では、水道 (aqueduct) に水車が建設されており (バルブガル水道とミル群を参照)、 この水道 (aqueduct) の建設にはコロバテス (Chorobates、水準器 (レベル) の一種) が必要であったことは良く知られていると思われます。

ヨーロッパで高性能な 3 角測量が可能となるのは 19 世紀以後となりますが、 それ以前にはローマ帝国の水道の建設方法と同様に、水準器 (レベル) で運河の建設をしたと思われるので、 水車のためのミル水路の建設も同様であったと思われます。

19 世紀以後、高性能な測量器材も使用できるようになり、測量方法も変化しますが、 ミルを建設するためのミル水路の建設に測量が必要であったことに変わりはありません。

ミル (水車) を建設する人はミルライト (millwright) とよばれますが、 英和辞典にはミルライトの意味として「水車大工」があります。しかし、これは誤訳です。 恐らく、日本で水車を設置する人を水車大工と呼んだため、欧米圏の水車を設置する「ミルライト」にも「水車大工」 の訳語を与えた可能性が大きい。

ミルライトは色々な能力がないといけないのですが、 ミル水路 (人工水路) の設計・建設もその能力の 1 つになり、測量もミルライトにとり必要な能力の 1 つになります。 しかし明治時代の日本人には水車の設置に ミル水路 (人工水路) の建設が必要であることが理解できなかったと思われ、 その理由からミルライトに水車大工の訳語を与えた。 (明治時代の識者達は力学の入門を知っていなかったことは明白で、 落差により水車の馬力が上がることを理解できなかった。 しかもミルライトはある程度、水車の馬力計算も実行できた。 例えば ウェット・アース炭鉱の ジェームス・ブリンドリーがいる。)

すぐわかるように、ミルライト (millwright) の仕事は、運河の技術者と類似している部分があり、そのため 運河の技術者の中にミルライト出身の人が随分多くいます。 (人工水路の幅を広くして、ここにミル (水車) を建設せずに、水門 (lock) を建設すれば、 急流を迂回する運河になるので、ミルライトは運河の技術者と同じことをすることになります。)

以上のように、測量はミルライトの能力の 1 つであることがわかりましたが、 先にも見たように、ミル (水車) には歯車が必要なので、ミルライトは歯車を作ることもできたはずです。 しかし、英国産業革命の時には歯車などは鋳鉄製となるので、ミルライト自身は歯車を作るはずがなく、 これを人に作らせるために設計図を描いたことはほとんど自明と思われます。

このようなことに関しての直接的証拠はありませんが、類似のことが多々あります。 例えば、テルフォードが鋳鉄の橋を建造する時に、 製鉄屋に橋の部品を作らせ、 あとで部品を組み合わせてから、ボルトで固定して橋を作っているので、 橋の部品の設計図を製鉄屋に手渡していたことは明白です。

水力ミル (水車工場) は 当初は木造の水車を使用しますが、英国産業革命では 木造の水車は鉄製の水車に代り、これはそのうち鉄製の 水力タービン (water turbine) に変化します。 水力ミルの発展は 2 つに分化します：

1. 工場としての変化：　 工場の動力源は、水車から、水力タービンに変化し、 工場の動力源は水力のままであることもあるし、蒸気エンジンが水力を補完することもあるし、 場所によっては、主な動力源が蒸気エンジンに代わることもあります。 20 世紀に入ってから、電動モーターが小型化・高性能化し、工場の動力源が電動モーターになって、 水力ミルが凋落を始めることになりますが、これは日本では大正時代ぐらいに相当するはずです。
2. 発電所への変化：　 人工水路における水力ミルは人工水路 (ペンストック) における発電所に変化し、 人工水路の形態が大幅に変化し現代に至る。 (一方で、ダムの発電所に変化するものもある。)

日本で欧米のように人工水路に水車が建設された実例は琵琶湖疏水が該当しそうです。 所が、明治時代には欧米の新規の水車はすでに水力タービンに変化しているので、欧米の例に倣い、 琵琶湖疏水では 水力タービン ―― ペルトン水車 ―― を導入し、これで発電をして インクラインの動力にしたと 思われます。もっともこれは路面電車を走らせることが主目的であった。 (というのは、インクラインの動力として電力を使用することはとても効率が悪いからです。 運動エネルギーを電力に変換して、更に電力を運動エネルギーに変換すると、効率が極端に悪く (恐らく 10% 以下に) なるので、 通常はしない方法です。)

日本では水力ミルの段階で欧米の真似をすることが可能でなく、 その次の発電所の段階になってようやく真似をすることができた と考えられる。

ひょっとすると琵琶湖疏水を作った段階で、電動工場を作ることを想定したかもしれない。 しかし、この時点では電動モーターは非力であったため、工場の動力源としては、 可能性がなかった。

欧米の水車は垂直水車 (水平軸の周りの回転) で、 垂直軸の周りに回転する石臼を回転させるために歯車が必要です。 このような歯車は日本古来の水車にはなかったであろうと論理的に結論を与えることができます。 (但し、近世になってから外国の本の真似をして歯車を作るような場合は除外する。) 幾つか理由があります。

1. 近世には水平軸の周りの回転を垂直軸の周りの回転にするために 傘歯車が使用されます。しかし傘歯車をそのまま作ることは かなり難しく、昔のヨーロッパでは、 冠歯車 (crown wheel) + ランタン小歯車 (lantern pinion) と呼ばれる「歯車もどき」が使用されています。 例えば「ランタン小歯車」に相当する日本語がないことが、日本にはこのような歯車がなかったであろう と断言できる根拠の 1 つです。(「ランタン小歯車」は英和辞典に掲載されている訳語ですが、もしも元々日本にあったのであれば、 カナ交じりの呼び名ではなかったはずです。 「ちょうちん歯車」の訳語もありますが、この場合のちょうちんは西洋提灯 (lantern) なので日本のものではない。)

   「傘歯車」に関しては、古くから日本にあったかどうかは用語だけでは不明ですが、 もしも仮に日本で「傘歯車」が独自に発展したとすれば、 「傘歯車」自身の製造は少し難しいので、その前段階である 冠歯車 (crown wheel) + ランタン小歯車 (lantern pinion) のようなものが製造されていないといけないが、これが存在していません。だから傘歯車は日本にはなく、ヨーロッパから伝搬した。

   後方が冠歯車 (crown wheel or cog wheel)、手前がランタン歯車 (lantern pinion or cage gear)

   もっとも現代的な歯車の設計には微分幾何学が必要なので、日本人が独自に発明したことはあり得ない。

2. 議論を続ける前に、現在残っている風車の歯車が木造で、水車の歯車が鉄製である理由を述べる必要があります。 英国に残っている水車の場合は歯車のみではなく、水車自身も鉄製なのが普通です。 これは次のように考えると当たり前になります。 水車は水路のそばにあり、鉄製の水車や歯車を製鉄所で作って、 設置場所まで船で運ぶことができたためと思われます。ところが風車は、一般に水路のそばにはありません。 従って鉄製の部品を製鉄所で作っても船で運ぶことが困難となります。 この理由から、現在残っている水車の歯車は鉄製で、風車の歯車が木造と思われます。 これで現状が説明され、元々は水車の機械部分は風車のものと同じであったと思われます。

   現在、日本各地で水車が (駅前などに) 展示してありますが、これは動力水車ではなく、 水汲み水車 (水を汲み上げる水車) の形ではないかと思います。 水車の横幅が狭すぎることもその理由ですが、 一番違うのは回転軸です。動力水車には回転軸にとても力がかかり、トルクに耐えられるように 回転軸がとてもごつくなります。鉄製だとそんなに見えないのですが、木製の軸では いかにも頑丈に見えないといけません。これは風車の機械部分の写真ではっきりわかり、木造の水車の場合も同じであったろうと 思われます。 更に、これに接続された木造の歯車はとても大きく、 風車の場合はブレーキ・ホイールと呼ばれ、 これが後世には傘歯車になっています。 木造の歯車が大きいのは加わる力に拮抗するためで、 歯車が大きい以前に、回転軸とホイール (水車) の接続部がとてもごつく クラスプ・ホイール (clasp wheel, 井桁構造を組み込んだホイール(輪)) に作られていないと 全体として動力の伝達には到底無理です。 日本各地で水車が展示されていますが、これに木造の歯車をつけても、 動力水車のトルクに耐えられるわけがない。(日本の水車でクラスプ・ホイールを見たことがない ―― 動力水車でない。) 軸がひ弱すぎるし水車がおもちゃです。

   井桁を組み込んだホイールがクラスプ・ホイール (風車軸を参照)

   現在、木造の動力水車は英国には残っていないので、日本の展示水車と、現存する風車の機械部分 (木造) の 比較をすれば日本の水車は動力水車の形をしていません、ここに歯車のことも含まれるのです。 参考までに歯車がついていない動力水車の実例を見てください。(以下のスウェーデンの実例は多くの部分で木造と思われます。 完全に木造だとどうなることか !)

   動画： スウェーデンの Sördalen のフラットロッド・システムの機能の動画 (フラットロッド・システム)

   なお、回転軸から動力を伝達する方法では、回転軸に力がかかりすぎるので、 水車の末期にはリム歯車とよばれる方式で水車の外縁から動力を得る方法が使用されました。

   動画： サスペンション・ホイールとリム歯車の動画 (国立スレート博物館)