水車 (Water wheel)

日本の水車は水車の回転を、カムによって杵が搗く (つく) 動作に変えて穀物の殻を取ります。これに反してヨーロッパの水車は水車の垂直回転を歯車で水平回転に変えて、製粉機能を実現した。この点を考えると共通点がない。しかし、ヨーロッパにも水車の回転をカムによって搗く (つく) 動作に変えて穀物を処理したこともあります (AD 1 世紀イタリア)。もっともヨーロッパの場合には「つく」動作は鉱石を粉砕する方が良く知られ、こちらの方は近世に至るまで継続し、産業革命の時には蒸気動力に変わります (トリップ・ハンマー、スタンプ・ミルを参照)。

ヨーロッパの水車は動力源で、これが「つく」動作に変換される場合 (トリップ・ハンマー、スタンプ・ミル) もあるし、回転運動がそのまま利用される場合 (製粉ミル (製粉工場)) もある。又、クランクにより往復運動に変換される場合 (鋸ミル (製材所)) もある。日本の水車は必ず「つく」動作によって穀物の殻を取るので、水車と水力ミル (水力工場) が同一視され、一方ヨーロッパの場合は水車は単なる動力源で、水力ミルはこの動力源を使用した工場なので、水車と水力ミルは異なる扱いをされるのです。また滑らかな回転を実現する蒸気エンジンを使用すれば水力ミルを蒸気動力の工場に転換することは極めて容易で、この目的のために蒸気エンジンが改良されたのです。

19 世紀には水車は時代遅れとなり、新規の建造や更新時期には水車ではなく、水力タービンが建造され始めます。 19 世紀末に建設された琵琶湖疎水ではペルトン水車 (これは水力タービン) が利用された。但し、ペルトン水車はインパルス・タービンなので、設置場所は現代の水路式発電所と類似します (密閉した傾斜水路)。一方、欧米の元々の水車にはダムが必要とされ、水力タービンで置き換える場合には反作用タービンが使用された (水力タービンを参照、発電ダムと類似、密閉水路)。なお、一般に産業用に電気を使用するのは、モーターの高性能化が必要となるので、20 世紀に入ってからのことになる。それ以前は、地域的な使用を除いて、タービンは動力として使用され、発電には一般に使用されていない。

水車は流れる水、あるいは落下する水のエネルギーを、多くの場合、水力ミル (watermill) の有益な動力形式に変換する機械である。水車は (通常は木、もしくは金属から製造された) ホイール (wheel、輪) から構成され、幾つかの羽根 (blade) あるいはバケット (bucket) が外側の縁に配置され、駆動面 (driving surface) を作っている。

水車は 20 世紀に入っても商用利用されたが、もはや普通には利用されない。用途に含まれるものに：　製粉工場 (gristmill, 製粉所) で小麦粉 (flour) にひくこと、製紙工場で木材を砕いてパルプにすること、錬鉄をハンマーで打つこと、鉱石の粉砕、及び布の製造で繊維をたたくこと (pounding) がある。

水車によってはミル池 (mill pond、貯水池) の水で給水され、貯水池は流れる川をせき止めて作られる。水車へ出入りする水路はミル水路 (mill race) と呼ばれる。ミル池 (貯水池) から水車に水を運ぶ水路は給水路 (headrace) と呼ばれ、水車から水を運ぶ水路は排水路 (tailrace) と呼ばれる。 18 世紀末の中頃にジョン・スミートン (John Smeaton) による水車の科学的調査により、産業革命にとても必要とされる動力の効率が著しく増えた。

水車は、より小さく、より経済的で、より効率の高いタービンで置き換えられ始めた。これはブヌワ・フルネーロン (Benoît Fourneyron) により開発され、1827 年の彼の最初のモデルで開始した。タービンは高い水頭 (heads)、あるいは高低差 (elevation、落差) を処理でき、これは実用サイズ水車の能力を超えていた。

水車の主要な困難さは流れる水に依存することで、これで場所が制限される。現代の水力発電ダムは水車の子孫とみなすことができる。というのは、これも水が下へ流れる動きを利用するからである。

訳注

原文の書き方が少しあいまいですが、、スミートンは落差 (水の位置エネルギー (potential energy)) を利用する方法を述べたと思われます。この落差は水車の直径より大きくはなく、そのため時間と共に水の落差をもっと利用できる水力タービンに移行し、ここで水力発電に結びついた。 (もっともタービンは落差を直接利用するのではなく、放水により、落差を運動エネルギーに変えて、これを利用する。そのため密閉した導管を必要とする。)

後者は水が水車にあたる場所により細分される：　逆掛け水車 (backshot) (逆ピッチ水車 (pitch-back))、上掛け水車 (overshot)、胸掛け水車 (breastshot)、下掛け水車 (undershot)、ストリーム水車 (stream) である。「下掛け水車」の用語は水が水車の下を通過するどのような水車の事も指すが、通常は水の進入箇所が水車の低い位置であることを意味する。

米国と英国の大半の水車は水平な軸の周りに回転する垂直水車である (もしくは、こうであった)。しかしながら、スコットランド高地地方と南ヨーロッパの一部の水車は水平水車で、垂直な軸があった。

上掛け水車と、逆掛け水車は典型的には利用可能な高低差が数メートル以上の場合に使用される。胸掛け水車は適度な水頭で、水量が大きい場合に適切である。下掛け水車とストリーム水車は水量が大きく、ほとんど水頭がない場合に使用される。

しばしば、付随したミル池 (mill pond) があり、これは水を貯える貯水池の事で、従って必要になるまでエネルギーを蓄える。大きな水頭があれば、同量の水でも位置エネルギー (potential energy) が大きくなり、上掛け水車と逆掛け水車の貯水池は、胸掛け水車のものよりは小さくなる傾向がある。

上掛け水車と逆ピッチ水車は川が小さく、高低差が 2 m (6.5 フィート) 以上の場合に適切であり、付随する貯水池はしばしば小さい。胸掛け水車と下掛け水車は川、もしくは流量の大きなミル水路で、貯水池が大きい場合に使用できる。

水平水車は、一般にタブ・ホイール (tub wheel)、ノース・ミル (Norse Mill、ノルウェー・ミル)、あるいはギリシャ・ミル (Greek mill) と呼ばれ、現代のタービンの原始的、非効率な形式である。しかしながら、要求された動力をこれが供給すれば、効率の重要性は二義的なものである。水のジェットが水車のパドル (paddle, 羽根) に向けられ、これによってパドルが回転する。これは単純なシステムで、通常歯車がなく、水車の垂直な軸はミル (mill) の駆動軸となる。

水車の最古の既知の言及はおよそ BC 400 年にさかのぼり、最古の水平軸の水車は BC 200 年にさかのぼる。従って、垂直軸のミルは水平軸のミルよりもおよそ 2 世紀古い。

ストリーム水車は垂直に搭載した水車で、これは流れる水が水車の底のパドル、あるいは羽根に当たって回転するものである。この形式の水車は水平軸水車で最古の形式のものである。これらは自由水面水車 (free surface wheel) とも呼ばれる、というのは、水はミル水路 (millrace) や水車穴 (wheel pit) により制約されないからである。

ストリーム水車は建設するのが安く単純で、他の形式の水車よりも、環境に影響することが少ない。不利な点は効率が悪いことで、これが意味することは：　生成される動力が少ないことで、水量が十分である場合のみに使用できることである。典型的な平坦な板の下掛け水車は水車に当たる水の流れのエネルギーのおよそ 20% を使用し、これは 18 世紀のイングランドの土木技術者であるジョン・スミートン (John Smeaton) により評価された。もっと現代的な水車は効率がより高い。

ストリーム水車は水頭 (head) -- 水位の違い -- により有利となることはない。

浮いたプラットフォームに搭載されたストリーム水車は、しばしば 船舶水車 と呼ばれ、ミルは 船舶ミル と呼ばれる。

最古のものは恐らく、537 年のローマの包囲戦の時に、ビザンチン帝国の将軍であるベリサリウス (Belisarius) により建設されたものである。後にこれらは時々、橋のすぐ下流に設置された。ここは橋脚により流れが制約されて、水の流速が増えていたからである。

歴史的には、これらはとても非効率であったが、 18 世紀に重要な前進があった。

下掛け水車は水平軸を持つ垂直に搭載された水車で、低い堰からの水が底部で水車に当たって回転するものである。獲得されるエネルギーの大半は水の動きによるもので、水頭 (head) からのものはほとんどない。これらは操作とデザインでストリーム水車と類似している。

「下掛け」の用語は、時々類似しているが、異なる意味で使用される：

「胸掛け水車」の用語は色々な方法で使用される。著作家によっては、この用語は制限され、ある人達は水がほぼ 10 時の位置で進入する水車を指し、別の人達は 9 時に進入するものを指し、他の人達は高さの幅に制限を加えている。この記事では、水の進入位置が、底部より随分うえで、頂上より随分下 -- 典型的にはその真ん中 -- の水車に使用する。

運動エネルギー (動的エネルギー) と位置エネルギー (potential energy, 高さと重さ) のどちらも利用される。

水車と石造物の間の余地が小さいため、胸掛け水車には良好なゴミ除け (trash rack、英国英語ではスクリーン (screen)) があることになり、ゴミが水車とエプロンの間に詰まって、深刻な被害を引き起こすことを防いでいる。

胸掛け水車は上掛け水車と逆掛け水車よりも効率が低いが、高い流量 (flow rate) を処理でき、その結果、高い動力を処理できる。これらは北米東海岸の滝線 (Fall Line) に見られるような、安定した高い流量の流れで好まれる。胸掛け水車は米国では最も普通な形式であり、産業革命の動力を与えたと言われている。

逆掛け水車 (backshot wheel、逆ピッチ水車 (pitchback wheel) とも呼ばれる) は上掛け水車の変種で、水が水車の頂上のすぐ手前で進入するものである。多くの場合に、この水車の利点は、水車の底部が排水路 (tail race) の水の流れと同じ方向に移動し、これにより効率が高くなることである。水位によって水車の底部が水に沈む洪水状態の時に、上掛け水車よりはより良く動作する。この水車は水車穴の中で水が随分高く上昇するまで、回転し続ける。これにより、流量が随分変動する流れにはとりわけ適切になり、排水路の大きさ、複雑さ、そして経費を削減する。

訳注

ニュー・ラナーク水車は上の写真からは実際の大きさがわかりません。次のフォトスフィアには人も撮影され、水車がとても大きいことがわかります。
ニュー・ラナーク水車： PhotoSphere
「逆掛け水車」の区別があるのは、水車に回転の向きがあるためで、こうすることにより、水がなるべく水車からこぼれにくく作ってあるためです。これは水の位置エネルギー (potential energy) をなるべく利用するために作られています。従って、このような水車を考案した人は確実に力学を知っており、スミートンによる水車の改良の結果である可能性が大きい。

逆掛け水車の回転方向は胸掛け水車と同じであるが、他の点では上掛け水車にとても似ている。次を参照。

訳注

「逆掛け水車」は一見すると違和感がありますが、この水車は「胸掛け水車」の給水路を上の方に移動すれば自然にできるものです。だから、「逆掛け水車」は「胸掛け水車」と基本的に同じもので、「胸掛け水車」を使用し続けていれば、そのうち自然に「逆掛け水車」を使用するはずです。日本には過去に「逆掛け水車」が存在していなかったようなので、「胸掛け水車」も日本には存在していなかったと思われます。日本にあったのは「下掛け水車」のみと思われる。

垂直搭載の水車で、水車の頂上を丁度すぎた場所で、水がバケットに進入して回転するものは、上掛け水車と呼ばれる。この用語は時々間違えて逆掛け水車に適用される。逆掛け水車では水は水車の後方に落下する。

典型的な上掛け水車では、給水路は頂上より上にあって、回転軸よりも前方に至っている。水車の前方のバケットが水を集め、これにより後方の「空の」バケットよりも重くなる。重さが水車を回転し、バケットをひっくり返すまで水車を回転すると、水は排水路に流れ出す。上掛け水車のデザインはとても効率が高く、90% を達成でき、急な流れを必要としない。

エネルギーの大半は排水路に落下する水の重量から得られる。もっともわずかなエネルギーは水車に進入する運動エネルギーによって獲得されるかもしれない。これらは他の水車よりも大きな水頭 (head、落差) に適し、従って、理想的には丘が多い地域に適している。しかしながら、最も大きな水車 -- マン島 (Isle of Man) のラクシー水車 (Laxey Wheel) -- でさえ、およそ 30 m (100 フィート) の水頭しか利用しない。スイスのビュードロン水力発電所 (Bieudron) はおよそ 1,869 m (6,132 フィート) を利用する。

上掛け水車では他の水車の形式と比較すると、大きな水頭を必要とし、これにより、通常は給水路の建設に随分と投資が必要になる。時々、水車への最後の進入路はフルーム (flume) あるいはペンストック (penstock) となり、これは長いことがある。

水車によっては、頂上では上掛けで、底部では逆掛けとなり、両方の形式の最良の造作を潜在的に組み合わせている。写真は英国デボン州 (Devon) のフィンチ鋳造所 (Finch Foundary) の実例である。給水路 (head race) は上方木造構造で、左側への支流が水車に給水している。水は水車の下から出て、川に戻っている。

上掛け水車/逆掛け水車の特別な形式はリバーシブル水車 (reversible water wheel) である。これは逆方向に走る 2 セットの羽根 (blade) あるいはバケットを使用し、従って、これは水の向きによってどちらの方向にも回転する。リバーシブル水車は鉱石輸送の色々な方法に動力を与えるために鉱業 (mining industry) で使用される。水車の回転方向を変えることにより、鉱石のバレル (barrel、樽) あるいはバケットを立坑 (shaft) あるいは斜面 (inclined plane) で昇降させることができる。通常、水車の軸にはケーブル・ドラム (cable drum、ケーブル巻き上げドラム) あるいは鎖カゴ (chain basket, 独語 (Kettenkorb)) がある。基本的なことは、水車 (wheel) にはブレーキ装置が付いていて、水車を停止できることである。 (これはブレーキ・ホイール (braking wheel) と呼ばれる。) リバーシブル水車の既知の最古の絵はゲオルク・アグリコラ (Georgius Agricola) によるもので 1556 年のものである。

2 つある初期の改良はサスペンション・ホイール (suspension wheel) とリム歯車 (rim gearing) である。サスペンション・ホイールは自転車の車輪と同じ方法で製造され、リム (縁) はハブ (中心、hub) から伸張により支えられ、これにより、スポークが圧縮状態になるそれ以前のデザインよりは、大きくて軽いホイールになった。リム歯車の理由から、リム (縁) あるいは覆い (shroud) に歯のついたホイール (notched wheel) を追加する必要がある。突き出た歯車がリム歯車にかみ合い、独立したライン・シャフトにより、動力を工場に取り込む。これにより軸は回転ストレスから解放され、軸をより軽くでき、更には動力伝達機構の設置位置に柔軟性を持たせることができる。シャフトの回転がホイールの回転から歯車で伝達されるため、動力の損失が少なくなる。トーマス・ヒューズ (Thomas Hewes) により開拓され、ウィリアム・フェアバーン (William Fairburn) により磨きをかけられた、このデザインの一例がポートランド・ベイシンの運河倉庫 (Portland Basin Canal Warehouse) で復元された 1849 年の水車に見ることができる。

訳注

ポートランド・ベイシンに関してはデューキンフィールド・ジャンクションを参照。
サスペンション・ホイールとリム歯車の動画 (ogg 形式) (FireFox で見れます。)
動画に登場する水車はウェールズの国立スレート博物館 (National Slate Museum) のもので、スレートは屋根ふき用のものと思われます。この博物館は元々石切り場ですから、水車はスレートを鋸で切断するためのものと思われます。 (鋸ミルとヒエラポリスの鋸ミルを参照。)

水車の主な 2 つの機能は歴史的には灌漑目的のための揚水と動力源である。揚水に使用される時には、動力は人間、あるいは動物の力、あるいは水の流れ自身によって提供される。

水車の起源がエジプト、ペルシャ、インド、ギリシャ、あるいは中間の領域であるか否かは利用可能な歴史的テキストと考古学からでは明らかでない。 BC 4 世紀あるいは 3 世紀のほんの数十年の間に使用が、ユーラシアの広い地帯で記録されている。

歴史家のヘレイン・セリン (Helaine Selin) によれば、水車が BC 350 年以前のペルシャ帝国 -- 今日のイランあるいはイラクのあたり -- に起源がある証拠がある。イランと現在のトルコにあるチグリス川上流にミルストーン用の既知の (複数の) 石切り場がある。この時点で発明されたミル (mill) は水平で、プロペラのような水車 (water wheel) があり、これがミルストーンを直接駆動した。

テリー S. レイノルズ (Terry S. Reynolds) と R. J. フォーブス (R. J. Forbes) によると、水車は BC 3 世紀までに古代の近東に起源があり、ミルストーンを動かすことと小規模な穀物製粉 (grinding) に使用された。レイノルズ (Reynolds) の示唆することは、最初の水車はノーリア (noria) であり、BC 2 世紀までに、シリアと小アジアで垂直水車に進化し、ここから、ギリシャとローマ帝国に広まったことである。 S. アヴィツァ (S. Avitsur) は水車の起源が近東であることを支持している。

古代エジプト

パドル (paddle、羽根) 駆動の揚水水車は BC 4 世紀の古代エジプトで登場した。エジプト人が発明したと言われるのは (複数の) ポット (pot) が付属した水車で、これは (複数の) 水のコンパートメント (compartment, 容器、バケット) のある水車で、バケット (を固定する) 鎖が付き、鎖は滑車 (pulley) のまわりを走り、ここにバケットが付属していた。コンパートメント化された水車の発明は BC 4 世紀の古代エジプトの田舎で起き、中心地であるヘレニズム時代のアレクサンドリアから離れた場所であった。次に北アフリカの他の場所に広がった。

ジョン・ピーター・オルソン (John Peter Oleson) によれば、コンパートメント化された水車 (compartmented wheel) と水力ノーリア (hydraulic noria) はどちらも BC 4 世紀までにエジプトに登場し、サキア (Sakia) はここで 1 世紀後に発明された。これはファイユーム (Faiyum) における考古学的発見で支持され、ここでは水車の最古の考古学的証拠がサキア (Sakia) の形で発見され、 BC 3 世紀にさかのぼる。ファイユーム (Faiyum) で発見された BC 2 世紀のパピルスも、水車が灌漑に使用されていることを言及し、アレキサンドリアで発見された BC 2 世紀のフレスコ画 (fresco) はコンパートメント化されたサキア (Sakia) を描き、ロードス島のカリクセノス (Callixenus of Rhodes) の著作物はプトレマイオス朝エジプトにおけるサキア (Sakia) の使用を言及しており、これは BC 3 世紀末のプトレマイオス 4 世の治世の下であった。

ヘレニズム時代とローマ時代の地中海の技術者は水車を灌漑と動力源の両方に使用した。ギリシャ・ローマ世界における水車の使用は、 BC 3 世紀と BC 1 世紀の間の技術的に進展し科学的な考えを持ったヘレニズム時代にさかのぼる。

排水水車

ローマ人は水車を鉱山プロジェクトに広範囲に使用した。このような装置の幾つかはウィトルウィウス (Vitruvius) により記述されている。スペイン、リオ・ティント (Rio Tinto) の銅鉱山における現代の採鉱中に見つかったものは、このような 16 基の水車が順番に積み重ねられ、鉱山の水ダメ (sump) から、およそ 80 フィート (24 m) 水を持ち上げた。類似の水車で AD 90 年頃のものの一部分が南ウェールズのローマの金山であるドライコシで 1930 年代に見つかった。」

水力ミル (Water mill)

水力ミルはギリシャの地理学者であるストラボン (Strabon) (BC 64 年 - AD 24 年頃) によると BC 71 年より前のある時期に、ポントス (Pontus) の王であるミトリダテス6世エウパトル (Mithradates VI Eupator) の宮殿に存在していたが、正確な建設時期はテキストからは不明である (XII 3.30 C 556)。

歯車が付いた水力ミルの最初の明確な記述は BC 1 世紀のローマの建築家のウィトルウィウス (Vitruvius) のもので、彼はサキア歯車システムが水力ミルに適用されたことを語っている。ウィトルウィウス (Vitruvius) の説明はどのようにして水力ミル (watermill) が登場したのかという点で、とりわけ貴重である。これは水力を利用するために、別々のギリシャの発明である歯車と水車を 1 つの効果的機械システムにしたのである。ウィトルウィウス (Vitruvius) の水車は下端を水路に沈めたと述べられており、これにより、流れる水の速度がパドルを駆動できたのである (X. 5.2)。

同じ頃に、上掛け水車がテサロニカのアンティパテル (Antipater of Thessalonica) の詩に始めて登場し、この詩は、これを労力節約の道具としてほめた (IX, 418. 4 - 6)。このモチーフはルクレティウス (Lucretius、BC 99 年 - BC 55 年頃) によっても取り上げられ、水車の回転を天空 (firmament) の星の動きに例えた。第 3 の水平軸の形式である胸掛け水車は、 AD 2 世紀末の中央ガリアの環境で考古学的証拠があった。発掘されたローマの水力ミルの大半はこれらの水車の 1 つを備え、建造するのがもっと複雑であったが、垂直軸の水力ミルよりも、もっと効率が高かった。 AD 2 世紀にはバルブガル (Barbegal) の水車複合施設 -- 16 基の一連の上掛け水車 -- は人工水路で給水された原始的な穀物産業工場であり、古代世界で最大の既知の機械力の集積として言及されてきた。

ローマ領の北アフリカは BC 300 年頃から幾つか設置されたことが発見され、ここでは垂直軸の水車で角度を持った羽根を装着したものが、水で満たした円形のシャフト (shaft、立坑) の底に設置されていた。給水路 (mill-race) からの水は、接線方向で立坑に進入し、渦を巻く水の柱を作り、水没した水車を真の水力タービン (water turbine) のようにした。これは現在に至るまで最古の既知のものである。

航海 (Navigation)

ミル (milling、工場) と揚水への使用以外で、古代の技術者はパドルの付いた水車を、オートメーションと航海 (navigation) に応用した。ウィトルウィウス (Vitruvius、X 9.5-7) は船の走行距離計 (odometer) として動作する複数の歯車が付いたパドル・ホイール (paddle wheel、外輪) を述べており、この種のものとしては最古である。推進方法としてのパドル・ホイール (paddle wheel、外輪) の最初の言及は 4 世紀/5 世紀の軍事論文 De Rebus Bellicis (XVII 章) からきており、匿名のローマの著者は牛が駆動するパドル・ホイールの戦艦を述べている。

中国の水車はほとんど確実に別の起源があり、初期のものは変わることなく、水平水車であった。少なくとも AD 1 世紀までに、後漢 (Eastern Han Dynasty) の中国人は水車を使用して、穀物を砕き、鉱石から鋳鉄を得るために、ピストンふいごに動力を与えた。

およそ AD 20 年頃 ( 王莽 (Wang Mang) の簒奪 (usurpation) の最中に) 桓譚 (Huan Tan) により書かれた新論 (Xin Lun) と呼ばれるテキストで記述されていることは：　伏羲 (Fu Xi) と呼ばれる伝説的で神話上の国王が、杵 (pestle) と臼 (mortar) を発明したとされ、これがチルト・ハンマーに進化し、次にトリップ・ハンマーになった (トリップ・ハンマーを参照)。著者は神話上の伏羲 (Fu Xi) のことを語っているが、彼の段落の記述が示すことは、水力ハンマーが AD 1 世紀までに中国で広範囲に使用されていたことである (以下ウェード・ジャイルズ式 (Wade-Gile) の綴り)：

「伏羲」は杵と臼を発明した。これは非常に有効で、後にはうまく改良されて、人間の全体重がチルト・ハンマー (碓) の足踏みに使用され、効率が 10 倍となった。後には、動物 -- ラバ、ロバ、牛、馬 -- の力が機械に使用され、水力も (ハンマーで)つくことに利用された。その結果、利益は 100 倍となった。

AD 31 年に、技術者で南陽 (Nanyang) の県知事 (Prefect) であった杜詩 (Du Shi) (38 年死亡) は水車と機械の複雑な使用を適用して、高炉のフイゴに動力を与え、鋳鉄を作った。杜詩 (Du Shi) は後漢書 (Book of Later Han) (Hou Han Shu) に手短に次のようにまとめられている (以下ウェード・ジャイルズ式 (Wade-Gile) の綴り)：

光武帝の 7 年目の統治の年 (AD 31 年) に杜詩は南陽の県知事に任命された。彼は物惜しみしない人で、その政策は平和的なものであった。彼は悪いことをする人を懲らしめ、 (彼の事務所の) 権威を確立した。計画性に長けており、彼は平民を愛し、労働力の軽減を望んだ。彼は農機具を鋳造するため水力による往復運動機械を発明した。今まで鋳物の製造者は木炭の火を爆発されるための手押しのふいごはあったのだが、今や急激な水の流れをその操作に使用することが指示された。.... これにより、人々は労働力が軽減され、大いに恩恵をこうむることとなった。水力を動力とする「ふいご」はとても便利であることがわかり、広く使用された。

中国の水車はこのような実用的用途に使用されたが、更には変わった用途に使用された。中国の発明家である張衡 (Zhang Heng、78 年 - 139 年) は、歴史上始めて動力を適用して天文装置の渾天儀を回転し、ここに水車を使用した。魏 (三国) (Cao Wei) の機械技術者の馬鈞 (Ma Jun、200 年 - 265 年頃) はかって水車を使用して、皇帝の曹叡 (Ming of Wei、226 年 - 239 年統治) のために、」大きな人形劇場に動力を与えて操作した。

インドにおける水車の初期の歴史はあいまいである。 BC 4 世紀にさかのぼる古代インドのテキストは、cakkavattaka (回転するホイール) のことを言及し、注釈は arahatta-ghati-yanta (ホイール・ポットが付属した機械) として説明している。これを基礎にして、ジョゼフ・ニーダム (Joseph Needham) は機械はノーリア (noria) であると示唆している。しかしながら、テリー S. レイノルズ (Terry S. Reynolds) は、インドのテキストで使用されている用語はあいまいで、はっきりと水力の装置であることを示していないと議論している。 Thorkild Schiøler の議論では、この段落は、足踏みか、手動操作の揚水装置を言及していることの可能性が大きく、水力駆動の揚水水車ではないとしている。

ギリシャの歴史伝説によると、インドは AD 4 世紀始めに、ローマ帝国から水力ミルを受け取り、ある Metrodoros [訳注：人名 ?] はそれまで彼ら (ブラーマン (Brahman)、[訳注：カーストで一番上の身分]) に知られていなかった水力ミルと浴場を導入した。穀物の灌漑用水は揚水水車を使用して提供され、幾つかの水車は汲み上げる川の流れの力によって駆動された。この種の揚水装置は古代インドで使用され、後のローマ帝国と中国で使用される前である。もっとも、水車の最初の文学的、考古学的、及び絵画の証拠はヘレニズム時代に登場している。

1150 年頃に、天文学者のバースカラーチャーリヤ (Bhaskara Achārya) は揚水水車を眺め、そのような水車が十分な水を汲み上げて、これを駆動する川を再び満たすこと -- 事実上の永久機関 -- を想像した。インドにおける給水場 (water works) の建設と水技術の様相はアラビア語とペルシャ語の本に記述された。中世の間に、インドとペルシャの灌漑技術の普及は先進的灌漑システムをもたらして、経済成長をもたらし、物質文明の成長も助けた。

アラビアの技術者は古代近東の水力社会の水技術を引き継いだ；彼らは早くも 7 世紀に水車を採用した、バスラ (Basra) 地区の運河の発掘により、この時期の水車の遺構が発見された。シリアのハマー (Hama) は今なお、大きな水車の幾つかをオロンテス川 (Orontes) のほとりに所有している。もっとも、これらはもはや使用されていない。最大のものの 1 つは直径がおよそ 20 m (66 フィート) で、リムは 120 のコンパートメントに分割されている。まだ操業中の別の水車はスペインのムルシア (Murcia) で見出せ、La Nora である。元々の水車は鋼製で交換されたが、アル＝アンダルス (al-Andalus) の最中のムーア人のシステムはこれ以外では事実上変化がない。中世のイスラム世界のコンパートメント化された水車は水を 30 m (100 フィート) までも持ち上げることができた。 10 世紀のムハンマド・イブン・ザカリヤー・ラーズィー (Muhammad ibn Zakariya al-Razi) の Kitab al-Hawi は一時間で 153,000 リットル (34,000 英ガロン/h)、あるいは一分で 2,550 リットル (560 英ガロン/m) もの水を持ち上げることができるイラクのノーリア (noria) を記述している。これは、東アジアにおける現代のノーリア (noria) の出力と比較でき、一時間に 288,000 リットル (63,000 英ガロン/h)、あるいは一分で 4,800 リットル (1,100 英ガロン/m) を持ち上げることができる。

イスラム世界における水車の産業使用は 7 世紀までさかのぼり、一方、水平水車のミルと垂直水車のミルはどちらも 9 世紀まで広範囲に使用された。色々な産業水車がイスラム世界で使用され、これには穀物ミル、もみすり機 (huller), 鋸ミル、船舶ミル、粉砕ミル、鋼ミル、砂糖ミル、および潮汐ミルがある。 11 世紀までに、イスラム世界を通じて、すべてのプロビンス (province) には、これらの産業ミルが操業中であり、アル＝アンダルス (al-Andaralus) と北アフリカから中東と中央アジアにまで至っていた。イスラム教の技術者と、キリスト教の技術者が共に使用したものに：　クランク軸、水力タービン、水力ミルの歯車、揚水機械、水源としてのダムがあり、水力ミルへと揚水装置に追加の動力を提供するために使用した。縮充ミル (Fulling mill) と鋼ミルは 12 世紀のイスラム教のスペインからキリスト教のスペインに伝搬したかもしれない。産業水力ミルは 11 世紀と 13 世紀の間にアル＝アンダルス (al-Andalus) で建設された大きな工場複合施設でも使用された。

イスラム世界の技術者は水車からの最大出力を達成するために幾つかの方法を開発した。一つの解決は橋の橋脚に搭載して、増大した流れを活用することであった。別の解決は船舶ミルで、これは水力ミルの一つの形式で、流れの真ん中に係留した船の舷側に搭載した水車で駆動されるものである。この技術は 10 世紀イラクのチグリス川、ユーフラテス川の流域で採用され、ここではチーク (teak) と鉄で造られた大きな船舶ミルがバグダッドの穀物貯蔵所のために、毎日 10 トンの小麦粉を製造した。はずみ車のメカニズム -- 駆動装置から駆動される機械への動力の伝達を滑らかにするために使用 -- はアル＝アンダルスのイブン・バッサル (Ibn Bassal of Al-Andalus、1038 年 - 1075 年に活躍) により発明された；彼はサキア (鎖ポンプ) とノーリア (noria) ではずみ車の使用を開拓した。技術者達 -- 13 世紀のアル＝ジャザリー (Al-Jazari) と 16 世紀のタキ・アルジン (Taqi al-Din) -- は技術論文で多くの独創的な揚水機械を記述している。彼らは水車を使用して、色々な装置の動力も与え、これには水時計 (water clock) と自動人形 (automata) があった。

古代の水車技術は中世前期に衰えることがなく継続し、この時、新しい分野の文書 -- 法典 (legal codes)、修道院の認可状 (monastic charters)、そして聖人伝 (hagiography) も -- が登場し、これに水力ミルと水車への言及が付随し、これが急速に増大した。

潮汐ミルの初期の垂直水車はアイルランドのウォーターフォード (Waterford) の近くの 6 世紀のキロタラン (Killoteran) のものであり、このような形式のミルで最初の既知の水平水車はアイルランドのリトルアイランド (Little Island) のもの (630 年頃) である。ありふれたノース・ミル (Norse) あるいはギリシャ・ミルの使用に関しては、最古の既知の水平水車はアイルランドのバリーキリーン (Ballykilleen) で発掘され、636 年頃のものである。

潮汐の力で駆動する最古の発掘水車は北アイルランドのネンドラム修道院ミル (Nendrum Monastery mill) で、これは 787 年のものである。もっとも、より古いミルの可能性があり、これは 619 年のものである。潮汐ミルは良好な潮汐差を持つ河口 (estuary) ではヨーロッパでもアメリカでも普通なものとなり、一般に下掛け水車を使用した。

シトー修道院 (Cistercian monasteries) はとりわけ、色々な種類の水力ミル (watermill) に動力を与えるための水車を広範囲に使用した。とても大きな水車の初期の実例の 1 つは、今でも現存し、 13 世紀のルエダ修道院 (Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda、ルエダの王立聖母修道院) にあり、これはスペイン、アラゴン地区 (Aragon) のシトー修道院である。 (穀類のための) 穀物ミルは疑いもなく最も普通なものであるが、鋸ミル (sawmill)、縮充ミル (fulling mill)、そして多くの他の労働力をとても必要とする作業 (labour-intensive tasks) をするためのミルがあった。水車は産業革命に入っても、蒸気エンジンに対してずっと競争力があるまゝであった。 8 世紀から 10 世紀頃に幾つかの灌漑技術がスペインに持ち込まれ、従ってヨーロッパに導入された。これらの技術の 1 つがノーリア (Noria) であり、これは基本的には水車で、揚水のために円周にバケットが取り付けられていた。これはこの記事の後で言及する下掛け水車と類似している。これにより貧農 (peasant) はもっと効率的に水力ミルに動力を与えることが可能となった。トーマス・グリック (Thomas Glick) の本「中世バレンシアの灌漑と社会」 (Irrigation and Society in Medieval Valencia) によれば、ノーリア (Noria) は恐らく、ペルシャのどこかに起源がある。この技術がアラブ人によりスペインに持ち込まれるまでに何世紀も使用され、アラブ人はこれをローマ人から採用した。従って、イベリア半島におけるノーリア (Noria) の分布は「安定したイスラム教徒の定住地と一致する。」この技術は貧農 (peasant) の生活に深い影響を与えた。ノーリア (Noria) は建設するのが比較的安価である。従って、これにより貧農 (peasant) はヨーロッパで、もっと効率よく土地を耕すことが可能となった。スペイン人と共に技術は新世界のメキシコ、南米に広まり、スペインの拡大 (Spanish expansion) が続いた。

イングランドのミルのドゥームズデイ目録、1086 年頃

ノルマンジーのウィリアム (William of Normandy) により招集された集積物 (assembly) は、一般にドゥームズデイ (Domesday) あるいはドゥームズデイ調査 (Domesday survey) と呼ばれ、イングランドで課税可能なすべての資産の目録を作り、これには異なる 3000 ヶ所の場所に広がる 6000 以上のミルが含まれていた。

位置

選択される水車の形式は場所に依存する。一般に、水量がほんの少ししかなく、落差が大きければ、ミルライトは上掛け水車の使用を選択するであろう。バケットが少量であっても水を補足・利用できる事実により影響を受けている。水が大量にあって、落差が小さければ、下掛け水車が使用されるであろう、というのはこのような条件にずっと適応し、建設するのが安価であるからである。給水がふんだんにある限りは、効率の問題は無意味である。 18 世紀までに、動力の需要が増え、水の場所が限られていたため、効率の計画に重点が置かれることになった。

経済的影響

11 世紀までに、ヨーロッパには、水の開発が普通である場所があった。水車を積極的に望ましい形にすることが理解され、西洋人の見解を永久に変更した。ヨーロッパでは人間と動物の肉体労働から機械労働に推移した。中世研究家のリン・ホワイト Jr. (Lynn White Jr.) が論争することは、生命の無い動力源の拡散は、動力、仕事、自然、そして何よりも技術に対する新しい態度が西洋に登場したことの雄弁な証明である、ことであった。

水力の利用が可能にしたことは、農業の生産性の向上、余剰の食料、11 世紀に始まる大規模な都市化である。水力の有効性から、ヨーロッパ人は他の動力源の実験 -- 例えば風力ミル (風車)、潮汐ミル -- をする動機を与えられた。水車は都市の建設、もっと明確には、運河の建設に影響し、ヨーロッパを水力に焦点を合わせたものにした、例えば、給水と灌漑の技術は結び付けられて、水車の動力供給を変更した。この度合いを説明すれば、封建国家の増大する需要を満たす多大な技術革新があった。

水車の応用

水力ミルは穀物をひくのに使用され、パン粉 (flour for bread)、ビールのモルト (malt)、ポリッジ (parridge、かゆ) のための粗粉 (course meal) を製造する。ハンマー工場 (Hammermill) は水車を使用して、ハンマーを操作した。 1 つの形式は縮充ミル (fulling mill) で、これは布の製造に使用した。トリップ・ハンマー (trip hammer) は錬鉄を作るのにも、鉄を有益な形に加工するのにも使用され、これは水車を使用しなければ、随分労働力を必要とする仕事であった。水車は製紙にも使用され、資材をたたいてパルプにした。 13 世紀には水力ミルはヨーロッパ中でハンマー打ちに使用され、初期の鋼製造の生産性を向上した。火薬の精通に加え、水力は 15 世紀以後、ヨーロッパの国々に世界的な軍事的優位を提供した。

ミルライトは 18 世紀ヨーロッパよりも随分以前から水車の工事で、 2 つの力 -- インパルス (impulse) と重さ (weight) -- を区別した。フィッツハーバート (Fitzherbert) -- 16 世紀の農業著作家 -- の書くことによると

druieth the wheel as well as with the weight of the water as with strengthe [impulse]

[訳注：最初の単語はミスタイプと思われ、この箇所は不明、それ以後は]
水の重さと同様に、強さ [インパルス] においても... 水車は...

the blow [of the water] is not weight, but excites a power of weight, almost equal to its own power

[水の] 打撃は重さではなく、重さの力を励起し、ほとんど自身の力に等しい。

しかしながら、2 つの力 -- 重さとインパルス -- の実現、 2 つの力の不利な点と有利な点に関して混乱があり、重さのすぐれた効率に関しての明白な理解がなかった。 1750 年より前に、どちらの力が支配的であるかに関しては明白でなく、広く理解されたことは、どちらの力も両者の間で同じインスピレーションで作用していることであった。水車は自然法則 -- とりわけ力の法則 [訳注：ニュートンの運動法則のこと] -- の問題を引き起こした。水車に関してのエヴァンジェリスタ・トリチェリ (Evangelista Torricelli) の仕事ではガリレオの落体 (falling body) に関しての仕事の解析を使用し、水頭 (head) の下の開口部から生じる水の速度は、一滴の水が同じ高さから自由落下で獲得する速度に正確に同等であることであった。

英国で建設された最も強力な水車は、クオリー・バンク・ミル (Quary Bank Mill) の 100 馬力の水車であった。これは背の高い胸掛けデザインで、1904 年に退役し、幾つかのタービンで置き換えられた。今では復元され、一般に公開された博物館になっている。

英国本土で最大の稼働な水車は直径 15.4 m (51 フィート) で、カーナーヴォン (Caernarfon) のデ・ウィントン会社 (De Winton) により製造された。これは北ウェールズ (North Wales) にあるランベリス (Llanberis) の国立スレート博物館 (National Slate Museum) のディノルイグ (Dinorwig, /dɪˈnɔːrwɪɡ/) 作業場の中にある。

世界で最大の稼働水車はラクシー水車 (Laxey Wheel、レディー・イザベラ (Lady Isabella) とも呼ばれる) で、マン島 (Isle of Man) のラクシー村 (Laxey) にある。これは直径 72 フィート 6 インチ (22.10 m)、幅 6 フィート (1.83 m) で、マン島国内歴史遺産 (Manx National Heritage) が保守している。

産業革命の間の水力タービンの進展により、水車の人気が減少した。タービンの主な利点は水頭 (head、落差) がタービンの直径よりもずいぶん大きい場合にこれを利用する能力であり、一方、水車では直径よりも大きな水頭 (head、落差) を利用することができない。水車から現代的なタービンへの移行はおよそ 100 年かかった。

訳注

ここの言い方は混乱を招きそうです。『直径よりも大きな水頭 (head、落差) を利用することができない』と書いてありますが、『直径よりも大きな水頭 (head、落差)』は一旦運動エネルギーとなるので、これを言い換えると『落差による得られる運動エネルギーは利用することができない』の意味になります。しかし、急流のある場所では一応水車は運動エネルギーを利用していると思われるので、『落差による得られる運動エネルギーは利用は極めて効率が悪い』とする方が正しく、元々の文章を『直径よりも大きな水頭 (head、落差) の利用は極めて効率が悪い』とする方が正確ではないかと思う。

水車は米国の発展時期に、鋸ミル (sawmill)、穀物ミル (grist mill) を駆動したり、他の目的のために使用された。コロラド州マッコイの直径 40 フィート (12 m) の水車はコロラド川から灌漑のために、水を汲み上げた多くの水車の中で、現存する一基である。

少々類似しているものに、米国北西部とアラスカで使用された魚ホイール (fish wheel) があり、これは川の流れからサケを汲み上げた。

水圧水車 (Hydraulic wheel)

胸掛け水車の最近の発展は水圧水車 (hydraulic wheel) で、これは効果的に自動規制システム (automatic regulation systems) を組み込んでいる。 Aqualienne は一つの実例である。これは 37 KW から 200 kW の電力を生成し、流量は 20 m³ (710 立方フィート) で、水頭 (head) が 1 から 3.5 m (3 から 11 フィート) である。これは以前に水車があった場所で電力を生成するようにデザインされている。

上掛け (そして、とりわけ逆掛け) 水車は最も効率の高い形式である；　最も先進的で、うまく作られたタービンを除いては、逆掛け鋼水車はすべての場合よりも、もっと効率的 (およそ 60%) にできる。ある場合には、上掛け水車の方がタービンよりも望ましい。

改良された効率 (> 67%) を持つ水圧タービン (hydraulic turbine wheel) の開発は、既存のミル、あるいは見捨てられたミルの再開発で、水車設置の代替の道を開けた。

運動エネルギーは同等な水頭 -- 速度水頭 (velocity head) -- に変換して、実際の水頭に追加して説明することができる。静止した水では速度水頭は 0 で、良好な近似では、ゆっくり動く水では些細で、無視できる。排水路の速度は考慮に入れない、というのは完全な水車では水はエネルギー 0 で離れ、これは速度 0 である必要がある。これは不可能で、水は水車から離れる必要があり、これにより避けることができない非効率の原因になる。

仕事率 (power) はエネルギーの伝達率で、これは流量 (flow rate) により決定される。

訳注

上の圧力水頭 h_p を水位の差としており、これは水車の上流と下流の水位の差と思われる。従って、この水車では水が水車から離脱する時に下流の水位に達していると思われる (水が回転途中で水車から離れない)。これを可能にするためには、水車の羽根に水を溜めるバケット (bucket、器) を付ける必要があり、英国産業革命の時の水車はすべてこの形になっている。

圧力ヘッド (pressure head) は給水路 (head race) と排水路 (tail race) の水面の高さの差である。

速度ヘッド (velocity head) は圧力ヘッドが測定された同じ場所における給水路 (head race) の水の速度から計算される。

速度 (velocity) は「プー棒投げ方法」 (pooh sticks method) -- 浮いているオブジェクトが計測された距離を通過するタイミング -- で測定される。表面の水は水底や側面の水よりも速く動き、従って、補正因子を以下の公式に適用する必要がある。

体積流量率 (volume flow rate) を測定する多くの方法がある。最も単純な方法は：

量	公式
仕事率	P = (η・ρ・h・q')
有効水頭	h = h_p + h_v
速度水頭	h_v = (v²)/(2・g)
体積流量率	q' = A・v
水の速度	v = k・(k/t)

訳注 : 有効水頭 h = h_p + h_v に関しての注意

なので、落差 h_p がある程度あれば (例えば 2m)、h における h_v の寄与は随分少ない。

胸掛け水車と上掛け水車

伝統的な下掛け水車

並行して開発されたのは水圧水車/部分反作用タービン (Hydraulic wheel/part reaction turbine) で、これは堰を水車の中央に組み込むが、水の流れに対して角度を持った羽根を使用する。 WICON-Stem Pressure Machine (SPM) はこの流れを利用する。推定効率 (estimated efficientcy) は 67% である。

英国のサウサンプトン大学 (University of Southampton) の土木・環境学科 (School of Civil Engineering and the Environment) は両方の水圧水車 (Hydraulic wheel machine) を調べ、水圧効率 (hydraulic efficiency) を評価し、改良 -- ロータリー水圧機械 (Rotary Hydraulic Pressure Machine) (推定最大効率 85%) -- を提案した。

これらの水車の形式は部分負荷/変動流量 (part loads/variable flows) で効率が高く、とても低い水頭 (< 1 m (3 フィート 3 インチ)) で操業できる。直接駆動の「軸方向磁束永久磁石交流発電機」 (Axial Flux Permanent Magnet Alternators) とパワー・エレクトロニクス (power electronics) を組み合わせると、これらは低水頭水力発電 (low head hydroelectric power generation) の実現可能な選択肢を与えている。

揚水装置では回転運動 (rotary motion) は典型的には振動運動 (oscillating motion) よりももっと効果的である。

コンパートメント水車 (compartment water wheel) は 2 つの基本的な形式があり、コンパートメント化された本体を持つ水車 (ラテン語 tympanum) とコンパートメント化された縁、あるいは分離したコンテナーを取り付けた縁がある。水車は水の流れで回転する、もしくは、外側で人が歩行 (tread) して回転するか、動物の歩行によりサキア歯車 (Sakia) で回転する。 tympanum は排水量が大きいが、持ち上げる高さは半径以下で、回転をするのに大きなトルクが必要である。これらの構造上の欠陥はコンパートメント化された縁を持つ水車で克服され、デザインが重くなく、高く持ち上げられた。

量	近似公式
仕事率 (70% の効率を仮定)	P = 7000・q'・h
最適回転速度	(21/D^1/2) rpm

量	近似公式
仕事率 (20% の効率を仮定)	P = 100・A・v³
最適回転速度	(9・v/D) rpm

水で駆動するコンパートメント化された水車の最古の文献上の言及は、ギリシャの技術者のビザンチウムのフィロン (Philo of Byzantium、BC 280 年 -- BC 220 年頃) の技術論文ネウマティカ (Pneumatica、61 章) に登場する。彼の Parasceuastica (91.43 - 44) で、フィロン (Philo) は敵の掘り崩し (sapping) に対する防御方法として、包囲坑道 (siege mines) を水没させるために、このような水車の使用を忠告している。コンパートメント化された水車はプトレマイオス 4 世 (Ptolemy IV, BC 221 年 -- BC 205 年) の治世の下で、アレクサンドリアの乾ドックの水を抜くための選択肢の 1 つであったようである。 BC 3 世紀と BC 2 世紀の幾つかのギリシャのパピルスは、このような水車の使用を言及しているが、それ以上の詳細を与えていない。アレクサンダーの征服以前の古代の近東にこの装置がなかったことは、灌漑の実践に関しての豊富な東洋の絵に、はっきり登場していないことから推測 (deduce) できる。この時代の他の揚水装置とポンプとは異なり、コンパートメント化された水車の発明は特定のヘレニズム時代の技術者に行くつくことがなく、 BC 4 世紀末の中心都市のアレキサンドリアから離れた田舎で起きたかもしれない。

コンパートメント化された最古の絵はプトレマイオス朝エジプトの墓の絵にあり、これは BC 2 世紀のものである。この絵はくびきを付けた牛がサキア歯車を経由して水車を駆動していることを示しており、サキア歯車もここで始めて証明された。ギリシャのサキア歯車のシステムはすでに完全に開発されていたことが示され、「現代のエジプトの装置は事実上同一」となっていた。想定されることは、その当時、最も活発なギリシャ研究センターであるアレクサンドリアのムセイオン (Museum of Alexandria) の科学者達が、この発明に関与したことである。 BC 48 年のアレクサンドリアの包囲戦の逸話が語っていることは、いかにしてシーザーの敵が歯車付きの水車を使用して、罠におちたローマ人に上から海水を浴びせたことである。

AD 300 年頃に、ノーリア (noria) が終に導入され、この時、木製のコンパートメントは廉価な陶磁器のポットで置き換えられ、これが開放枠のホイール (車輪) の外側に結び付けられた。

水車には色々な種類があり、潮汐ミル (潮の干満) 等は別扱いの方が説明しやすくなります。これ以外では動力水車と揚水水車に分かれ、揚水水車には水汲み水車 (ノーリア) と、人力利用の逆向き上掛け水車 (ローマ帝国の鉱山の排水) があります。近世には動力水車がポンプを駆動して揚水・排水する場合もあり、次の項目 (訳注：ポンプ駆動による動力水車の揚水・排水) で説明を加えます。

水車の回転軸で動力伝達をした場合に、木造であれば回転軸がとてもごつくなり (最初の実例)、この改良が 2 番目の実例 (鉄製) で、回転軸ではなくリム (外周) を経由して動力が伝達されている。こうすると回転軸にかかるトルクが小さくなり、軸をごつくしなくてもよくなる。

水車が鉄製になるのは英国産業革命の時です。全部木造の水車は残っていませんが、風車では木造機械かなり残っており、こちらから想像がつきます。 (例えば、木造水車の歯車は残っていませんが、風車の木造歯車と同じように、とても大きかったはずです。) 鉄の水車の実例に関しては、ラインシャフトの初期の実例/元々のシステムのシェルズリーの水力ミルなどが適切な実例かもしれません。

(近世ヨーロッパの) 動力として使用される水車 (給水用の水車ではない) には通常ダム (貯水池、ミル池) によってできる落差 ( 位置エネルギー) を利用し、ほとんど 運動エネルギーを利用していない。 (水車の設置場所は落差がある場所に作る、あるいは人工ダムを作る。) そのため、動力水車には日本で通常見られるような下掛け水車やストリーム水車の可能性がほとんどない。後世の水力発電所の水力タービンは人為的にとても流れを速くするので、作り方が違っている。(こちらは 運動エネルギー を利用する。) ヨーロッパの水車はポテンシャル・エネルギー (potential energy) を利用しますが、これは「可能性のあるエネルギー」の意味ではなく 位置エネルギー の意味です。

動力水車がポンプを駆動して、これが揚水・排水をする場合も随分あったように思われます。これは産業革命以前の話になるので、ポンプは基本的には木造となるはずです。 ( (1960 年以前の) 日本の井戸に使用されたポンプは鉄製なのでこれは近世に外国から導入されたものです。) 幾つか実例を挙げると：

以上をまとめると、ポンプ駆動による動力水車の揚水・排水に関しては、取り立てて多く指摘されていませんが、実際は随分使用されたと思われます。

水汲み水車では水車の高さまでしか水を持ち上げられないので、動力水車で揚水・排水をするために (木造) ポンプを使用するのは当然のなりゆきとなります。これで水を持ち上げる高さを増やすには水車の馬力を上げるだけでよいと思われ、使用が柔軟となります。

の 2 種類がありますが、このページの水車の動力の大まかなやり方によれば、大まかには、胸掛け水車と上掛け水車は「位置エネルギー」 (ポテンシャル・エネルギー) を利用し、下掛け水車は「運動エネルギー」を利用していることがわかり、下掛け水車は効率が高くないことがわかる。

スミートンは上掛け水車と下掛け水車の基本的な違いと利点を説明した、ともされている。 (Smeaton is also credited with explaining the fundamental differences and benefits of overshot versus undershot water wheels. )

とあります。英国産業革命の時には、(工場で使用する) 動力水車は上掛け水車 (と胸掛け水車) が使用され、下掛け水車はほとんど使用されていません、これはスミートンによる影響と思われます。 (もっとも古代ローマ以来、ヨーロッパでは上掛け水車の使用が中心なので、スミートンは経験的に知られている事を実験で実証しただけかもしれない。更に日本ではほとんど下掛け水車しか使用されなかったと思われるので、日本と欧米の水車の使用にはおよそ接点がない。)

ここでは本文中の公式を使用せずに、上掛け・胸掛け水車が下掛け水車よりも一般的に効率が高いことを初等的な考察から示します。

で与えられ、以下で、水車を通り抜ける水によって水車に誘導される回転エネルギーを考察しますが、質量 m は単位時間に水車を通り抜ける質量を考えればよく、水の流れが一定であれば忘れても構いません。

Step 1.：位置エネルギーは効率よく回転エネルギーになる

最初に位置エネルギーから誘導される水車の回転エネルギーを考えます。下掛け水車は落差がないので、これは考慮外です。これ以外の水車に関して、水が途中で水車から飛び出さないように、バケット (bucket) に格納すれば、位置エネルギーを水車の回転エネルギーに変換する効率はほゞ 100% になります。(回転軸のマサツなどでロスが生じるだけと思われる。)

注意

上掛け水車のバケットがどういう形をしているかは次をご覧ください。 (シェルズリーで復元作業をしている動画の記録で、水車は英国産業革命の時の普通の水車と思われます。)

Trying the wheel - YouTube (水車の動作テスト)
Driving the Line-Shaft - YouTube (ライン・シャフトの動作テスト)

この水車は、逆掛け水車の実例に登場するニュー・ラナークの水車と同じ形式と思われ、英国産業革命の時によくあった水車と思われる。

概念図では水車は排水路に接水していません。これはあとで述べる理由によっています。 (下掛け水車は必ず水路に着水しているのでここには含めません。)

Step 2：下掛け水車と運動エネルギー

下掛け水車は運動エネルギーのみを利用します。もしも下掛け水車が水の運動エネルギーを効率よく水車の回転エネルギーに変換すれば、水が水車に当たった直後に水の運動エネルギーはほとんど 0、あるいは速度がほとんど 0 にならないといけません。この時、停止した水は水車の羽根の抵抗になります。これは水車の羽根が水車の回転方向に直行しているからです。従って、下掛け水車の場合は水の運動エネルギーが効率よく水車の回転エネルギーに変換されることはないのです。

水車の話だけでは理解に苦しいかもしれないので、水没した水力タービン (すなわち反作用タービン) の話も追加します。この場合には、水がタービンに当たった直後に水の速度がほとんど 0 になりますが、水はタービンの羽根の抵抗にならないように作られています。例えば、カプランタービンではタービンの羽根はプロペラのように作られ、プロペラは静止した水の中でも比較的簡単に滑らかに回転し、外輪船の羽根のように水の抵抗を受けて回転が困難となることがない。従って、下掛け水車は水没した水力タービンとは基本的に違い、静止した水の中では回転が困難になり、水の運動エネルギーが効率よく水車の回転エネルギーに変換されることがない。

更に違っている部分があります。水没した水力タービンの場合は水路が密閉され、水路を流れる水は必ず水力タービンを通ります。ところが、下掛け水車の場合には水は水車の両側を通ることもあり、必ずしも水車を通り抜ける必要がなく、そのような水の運動エネルギーは無駄に浪費され、水車の効率に寄与しません。

以上の説明から明らかとなりますが、(元々の形を温存して) 下掛け水車の効率を上げるには、例えば

とでもすればよく、あと羽根の形を工夫すればペルトン水車 (インパルス・タービン) となり、水力タービンの世界になる。従って、水車の世界に限定すれば、下掛け水車は非効率なのです。

Step 3：上掛け水車と運動エネルギー

上掛け水車には、下掛け水車の議論はそのまゝでは当てはまらない。下掛け水車の場合には水は水車に当たった直後に脱出しますが、上掛け水車の場合には水車から脱出するまで時間がかかり、しかも脱出する時の水の流れは、排水路の流れと逆になり、水車の回転も排水路の流れと逆になっています。そのため水車が排水路に着水していない方が良いことはわかりますが、これ以上詳しいことはすぐにわからない。

胸掛け水車の場合には、上掛け水車のようなことにはなっていないのですが、落差が水車の半径に近ければ、進入する水が水車に 90° に近い角度で当たることになるので、水の運動エネルギーを利用する意図があまりないのではないかと思われます。

逆掛け水車の場合は胸掛け水車の落差を大きくして得られる場合で、胸掛け水車と類似すると思われます。水が水車に進入する場所で向きを変えないといけないのでこの点で多少はロスしますが、同じような傾向であると思われます。

Step 4：全体としての効率

水車の全体としての効率を比較してみよう。比較するのは、

となり、(1/2)mv² (運動エネルギー) が mgh (位置エネルギー) よりも随分と小さい。更に (下掛け水車の) 運動エネルギーの変換効率がかなり低いと思われるので、タイプ 1 の胸掛け水車あるいは上掛け水車の方が下掛け水車よりも効率が高いことがわかり、公式を使用した場合の結論 (訳注：水車が利用するエネルギーに関して、公式 ) と同じになります。

つまり、流速が速くなければ (普通の川)、上掛け水車の方がよく、流速が非常に速ければ下掛け水車でもよい。但し、上掛け水車を作るためには、一般にダム (堰) の建設が必要ですから、建設費が随分多額になります。スミートンは以上のことを指摘したと思われますが、これは古くから経験的に知られていたことと思われます。(ローマ帝国の時代から上掛け・胸掛け水車が多く使用され、下掛け水車が使用されるのは流速が随分速い場合のみと思われる。)

垂直水車で水平回転する石臼 (millstone、ミルストーン) を駆動するには、水平軸の周りの回転を垂直軸の周りの回転に変える必要があり、ここで歯車 (ベベル歯車 (bevel gear)) が使用されます。英国に現存する水車の大半はすべて産業革命の時に製造されたもので、すべて鉄製になっており、歯車も鉄製で元々の木造時代の形が想像できません。

ところが、水力ミルと風力ミルの機械用語集では、水車と風車の機械部品を対比しており、基本的には風車と水車の仕組みが同じで、しかも風車の場合には現存する部品が (歯車も含め) ほぼ木製のまゝ残っています。なぜこのようなことが起きるのでしょうか ? 次のように考えるとこれが説明できます。

産業革命の時には、木造部品と鉄製の部品 (水車自身も含む) の値段があまり変わらなくなります。そのため、木造部品の代りに鉄製の部品を使っても、価格の面ではあまり違わなくなります。しかも、水車は水路 (あるいは運河) の近くにあり、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べます。しかし、風車は水車が設置できない場所に作るので、水路の近くにはなく、従って船で部品を運ぶことが困難となり、どこでも原料の入手が簡単な木造になると思われます。以上により、水車の部品が鉄製で、風車の部品が木造であることの説明がつきます。しかも、元々水車の部品には風車の部品と同じものが使用されたことはほゞ間違いなくなります。特に、風車の歯車は元々の水車の歯車と類似していたことがほゞ断言できます。つまり、水車に付属していた歯車は風車に付属する歯車のように大きかったのです。このように議論しなくても、歯車には随分大きな力がかかるので、鉄製の歯車と同等の強度を持つような木造の歯車は随分大きなものとなることは自明な事です。

動力水車の部品で力が加わる場所には、歯車以外に水車の駆動軸があります。風車の場合には、この駆動軸 (or 駆動輪) は角材を別の角材で挟んで作り、クラスプ・ホイール (clasp wheel) と呼ばれます。クラスプ・ホイールは井桁のような形をしており、風車のメカの写真を見れば直ちにわかります。鉄の部品を見慣れていると、これはとても不格好なくらい大きなものです。 (風車軸の訳注を参照。)

まとめると、水車に元々使用された木造の部品は風車に使用されている木造部品と同じものが使用され、特に木造歯車は風車に使用されているもののように大きく、駆動軸と水車の接続 (駆動輪) はクラスプ・ホイール (井桁の形) を使用して、大きなトルクに拮抗した。

以上から、全てが木造の動力水車の駆動軸はクラスプ・ホイールなどで固定されていないといけませんが、日本の各地にある観光用の水車はこのようなものになっていません。従って、日本人は動力水車の形態を知っていないことが自明です。

ジョン・スミートンの法則と物理からわかりますが、ジョン・スミートン (物理学者、1724 年 - 1792 年) は 18 世紀後半に物理学の考えを取り入れ、水車の改良をしたことが記述されています。今日のニュートン力学はニュートンの時代にすべて完成しているわけでなく、ジョン・スミートンの時代にもまだ曖昧であったことも書かれています。このようなことが集大成されるのが恐らく 19 世紀のことです。 (水車、水力タービン、蒸気エンジンなどの開発から、力学が集大成されていくと思われる。)

英国産業革命 (1750 年 - 1850 年) の時に英国で (あるいはそれ以外の国で) 水車を建設した人はミルライト (millwright) と呼ばれていました。 (ミルライトは日本語で水車大工と訳されますが、これは誤訳です。) 彼らは基礎的な力学を知っていたか、あるいは基礎的な力学を前提にした色々な本を読んでいたはずで、その中に水車の製造に関して書かれた本も含まれていたはずです。従って、ジョン・スミートンの考えにも精通していたはずです。英国産業革命の時には多くの技術者は本から知識を得ており (産業革命の最中には、大抵は独学で学んでおり、徒弟制により学んだものではない。もっとも 19 世紀中頃にかけては機械工協会で学んだ人もいる)、英国産業革命の時には非常に多くの技術書 (英語) が出版されていたことが想定できます。

第二次世界大戦前の日本では 19 世紀の科学・技術を理解するには原書を読む以外に方法がなく (侍の知的レベルについての 19 世紀末には橋の建設に高等数学が必要であったことを参照)、恐らく水車に関しても原書が読まれたことが明白です。 (このような本は元々ミルライトが読んでいたような本のはずです。) そのような本では (物理用語であることをことわらずに)

のことが書かれていたはずで、水車で位置エネルギーを利用するためにはダムの建設が必要となります。ところが「位置エネルギー」は英語で potential energy と言い、これを直訳すると「可能性のあるエネルギー」となります。第二次世界大戦前に原書で水車の本を読んだ日本人は potential energy を字義通り「可能性のあるエネルギー」と理解しただけで、本質的な所を理解することがなく、誤解が累積しただけと思われます。 (翻訳用語が確立するのが、第二次世界大戦の直前です。 potential energy を「可能性のあるエネルギー」と誤訳することは、すぐにでもできることですが、これを「位置エネルギー」のように翻訳するには、原理を理解した上で関連したことを完全に理解していないと、可能とはなりません。)

従って、明治時代以後、第二次世界大戦頃に至るまでに、鉄道建設の how-to は日本にも伝搬したが (アヘンと鉄道)、水車の知識は日本には伝搬していないことが確実ではないかと思われる。 (水力発電機などはレプリカを作っただけで原理を理解していなかったと思われる。これは物理学が一般的ではなかったことが基本原因と思われる。)

垂直軸水車はタブ・ミル (tub mill) あるいはノース・ミル (Norse mill, Norse = 中世スカンジナビア) とも呼ばれる。垂直軸を持つ水平水車水のジェットが軸に搭載された羽根にあたる駆動面 -- 羽根水 -- 量が少ないが高い水頭 (落差) 効率 -- 貧弱	垂直軸水車の図式
ストリーム水車 (stream wheel、自由水面水車 (free surface wheel) とも呼ばれる)。船舶水車はストリーム水車の一形式である。水平軸を持つ垂直水車水車の底部は流れる水の中に置かれる駆動面 -- 羽根 -- 18 世紀までは平坦、以後は湾曲水 -- とても大きな量、水頭 (落差) はない効率 -- 18 世紀まではおよそ 20%、それ以後は 50 から 60%	ストリーム水車の図式
下掛け水車 (Undershot) 水平軸を持つ垂直水車水は水車の下の低い部分 -- 典型的には下の 1/4 -- を打つ駆動面 -- 羽根 -- 18 世紀までは平坦、以後は湾曲水 -- 大量で、水頭 (落差) は低い効率 -- 18 世紀より前はおよそ 20%、後には 50 から 60%	下掛け水車の図式、給水路、排水路、水を示す。
胸掛け水車 (Breastshot) 水平軸を持つ垂直水車水は水車のほぼ中央 -- 典型的には高さの 1/4 と 3/4 の間 -- を打つ駆動面 -- バケット -- 水が滑らかに進入できるように注意して形状が作られている。水 -- 大量、適当な水頭 (落差) 効率 -- 50 から 60%	胸掛け水車の図式、給水路、排水路、水を示す。
逆掛け水車 (Backshot, 逆ピッチ水車 (pitchback) ともいう) 水平軸を持つ垂直水車水は水車の頂上の近くで、軸の手前で当たり、逆向きに排水路の方向に回転。駆動面 -- バケット水 -- 少量、大きな水頭 (落差) 効率 -- 80 から 90%	逆掛け水車の図式、給水路、排水路、水、こぼれを示す。
上掛け水車 (Overshot) 水平軸を持つ垂直水車水は水車の頂上近くで、軸の前方に当たり、給水路から離れるように回転。駆動面 -- バケット水 -- 少量、大きな水頭 (落差) 効率 -- 80 から 90%	上掛け水車の図式、給水路、排水路、水、こぼれを示す。


42 フィート (13 m) の高さの上掛け水車、米国ジョージア州ローマのベリー・カレッジのオールド・ミルに動力を与える	「金属について」 (De re metallica、566 年) の鉱山巻き上げ機に動力を与える水車


垂直軸水車の図式	ストリーム水車の図式


下掛け水車の図式給水路・排水路・水を示す	胸掛け水車の図式、給水路・排水路・水を示す。


逆掛け水車の図式、給水路・排水路・水・こぼれを示す。	上掛け水車の図式、給水路・排水路・水・こぼれを示す。


フィンチ鋳造所 (Finch Foundry) の水車の 1 つ	テキサスのアンダーソン・ミルは 2 つの水源を利用する下掛け・逆掛け且つ、上掛け水車で、水車の回転方向を逆にできる。


南西スペインのリオ・ティント鉱山で見つかった水車の列	ウィトルウィウス (Vitruvius) の下掛け水車ミルの再現


小アジア、ローマ領のヒエラポリスの鋸ミル概念図、胸掛け水車を動力にする。	牛が動力を与えるローマの外輪船、De Rebus Bellicis の挿絵、15 世紀


オロンテス川 (Orontes) におけるハマーのノーリア (noria)	スマトラ、ジャンビ (Djambi) の水車、1918 年頃


マン島、ラクシーのレディー・イザベラ水車鉱山ポンプを駆動するのに使用された	イングランド、クロムフォード (Cromford) の 19 世紀中頃の水車、地元で採鉱された重晶石 (barytes) を砕くために使用される。


スペイン、Aranjuez の azud の詳細	リオ・ティント鉱山の排水水車