Wiatrak - zasada działania - budowa
Wiatrak to urządzenie, które przekształca energię wiatru (energię kinetyczną wiatru) w ruch obrotowy za pomocą regulowanych skrzydeł. Jako młyn (maszyna do mielenia) jest najczęściej używany do mielenia zbóż, miażdżenia, ubijania, proszkowania różnych substancji, tłoczenia pestek lub miażdżenia oliwek w celu produkcji oliwy; może być również używany do napędzania pompy, na przykład do nawadniania lub osuszania polderów; lub grupy pił (tartak wiatrowy).
Termin "wiatrak" jest zwykle używany tylko w odniesieniu do stosunkowo starych konstrukcji w bogatych krajach i starszych instalacji w mniej rozwiniętych regionach. Porzucony w krajach rozwiniętych wraz z upowszechnieniem się elektryczności, jest przodkiem turbiny wiatrowej i różni się w zasadzie tylko istnieniem budynku wspierającego skrzydła i osłaniającego mechanizmy i działalność młynarską. Porzucenie energii wiatrowej do poruszania kamieni młyńskich i początki jej wykorzystania do napędzania generatorów elektrycznych zbiegły się w czasie z tą zmianą w słownictwie, o czym świadczy fakt, że nadal była ona wykorzystywana do bezpośredniego napędzania pomp. Podobnie alternatywne użycie terminów łopata lub skrzydło nie jest jednoznacznie uzasadnione żadnymi kryteriami technicznymi.
Wiatraki były używane w Persji do nawadniania już w 620 roku. Po raz pierwszy pojawiły się w 620 r. n.e. na terenie dzisiejszego zachodniego Afganistanu, zwłaszcza w Nashtifan , w prowincji Khorassan, nazywanej "starożytnym miastem młynów". Perskie młyny, odkryte w Palestynie przez krzyżowców, nie były tego samego typu co młyny europejskie. Składały się z wiatraka o pionowej osi, ograniczonego do wnętrza młyna. Otwory w ścianach młyna umożliwiały dopływ powietrza napędzającego turbinę wiatrową.
Wiatraki rozpowszechniły się w Europie około XI wieku, najpierw na wybrzeżach krajów północnych: Wielkiej Brytanii i Holandii, następnie w krajach położonych nad Atlantykiem: Portugalii i Francji, nad Morzem Północnym i Bałtyckim: Belgii, Niemczech i Danii oraz na wyspach, w tym na Morzu Śródziemnym. Występują na szczytach wzgórz, pojedynczo lub w grupach, w miejscach oddalonych od cieków wodnych. Pierwsza wzmianka o wiatraku we Francji pojawiła się w 1170 roku w akcie lokacyjnym miasta Arles. Wiatraki rozwinęły się w XII wieku w regionach o wietrznych wybrzeżach (Cotentin, Pays de Caux, Bretania), mimo że niektórzy lordowie niechętnie zastępowali solidniejsze młyny wodne. We Francji lordowie wykorzystali budowę wiatraków, aby domagać się "prawa do wiatru", które było kwestionowane. Jean François Finot odnotował w swoim dzienniku z początku listopada 1779 r., że właściciel wiatraka zbudowanego w Mertrud (Szampania) "nie płaci żadnego czynszu panu, ponieważ niedawno osądzono, że ponieważ wiatr jest wolnym żywiołem, nie należy do panów, ale do wszystkich". (Cahiers haut-marnais.2009).
Holandia jest prawdopodobnie krajem o największej liczbie wiatraków. Charakterystyczne elementy krajobrazu są przedstawiane w szczególności na flamandzkich obrazach4. Wiatraki w Kinderdijk zostały wpisane na listę światowego dziedzictwa UNESCO.
System skrzydeł Bertona rozprzestrzenił się w najbardziej produktywnych regionach Francji (Beauce, Anjou, Bretania itp.), ale pojawił się zbyt późno dla przemysłu młynarskiego, który już wcześniej podupadał.
Rozprzestrzenianie się elektryczności na wsi i pojawienie się przemysłowego mielenia mąki doprowadziło do szybkiego upadku wiatraków w XX wieku. Na niekorzyść wiatraków działał również trudny charakter branży młynarskiej i okresy bezrobocia często spowodowane brakiem wiatru.
Architektura budynku młyna jest odpowiedzią na wymagania związane z jego użytkowaniem oraz lokalną topografią i klimatem. Pierwszym wymogiem jest najlepsza ekspozycja na wiatr: młyn jest zbudowany na wzgórzu, a w tym przypadku sam budynek nie musi być bardzo wysoki. Z drugiej strony, na obszarach nizinnych, młyn musi być wystarczająco wysoki, aby łapać wiatr, pomimo przeszkód stwarzanych przez drzewa lub sąsiednie budynki.
Klasyczny wiatrak składa się z murowanej wieży, zwieńczonej czapą, którą można obracać w kierunku wiatru, która podtrzymuje skrzydła przymocowane do poziomego lub lekko nachylonego do góry wału i dachu; jest to "młyn wieżowy".
Typ wieży zależy od regionu. Mogą być cylindryczne, ścięte lub wielokątne. Materiałem budowlanym może być kamień, cegła lub drewno. W Bretanii typ młyna znany jako "petit-pied" miał cylindryczną granitową podstawę, zwieńczoną wieżą o większej średnicy.
Gdy wieża nie jest zbyt wysoka, drzwi wejściowe znajdują się zazwyczaj po przeciwnej stronie do kierunku dominujących wiatrów, aby nie były utrudniane przez obracające się skrzydła; lub istnieją dwie bramy diametralnie naprzeciw siebie, a używana jest ta, która nie znajduje się w płaszczyźnie obrotu skrzydeł.
Konstrukcja dachu, która obejmuje osie skrzydeł i mechanizm przeniesienia napędu, hamulec itp., jest stożkowa, z mniej lub bardziej stromym nachyleniem w zależności od regionu i jest pokryta drewnianym gontem.
Pojawienie się wielołopatkowego koła wiatrowego, wynalezionego w Stanach zjednoczonych, sprawiło, że wiatraki stały się całkowicie przestarzałe.
Czasami cały korpus młyna, zbudowany z drewna, jest zorientowany zgodnie z wiatrem: jest to "młyn obrotowy", znany również jako "żyrandol" w niektórych regionach Francji, "młyn słupowy" w Anglii lub "standaardmolen" w języku holenderskim. Spoczywa on na drewnianej podstawie utworzonej przez dwie poprzeczne belki i ukośne "ogniwa". Może spoczywać na murowanej podstawie (kostce) lub być "osadzony na ziemi", tj. spoczywać wyłącznie na drewnianej podstawie. Korpus młyna jest zazwyczaj równoległoboczny, czasami z bocznym lub tylnym występem, a dach jest dwuspadowy lub jednospadowy. Wiele młynów żyrandolowych zostało rozebranych i przebudowanych w innych miejscach, gdy ich właściciele zmieniali miejsce zamieszkania. Ze względu na ich drewnianą konstrukcję, często padały one ofiarą pożarów lub, w czasach wojny, celowego niszczenia, ponieważ były punktami orientacyjnymi i środkami komunikacji sygnałowej (jak miało to miejsce na przykład w przypadku młyna Valmy podczas słynnej bitwy).
Kandelou lub kandelour to odmiana młyna żyrandolowego występująca w Bretanii (Finistère, wyspa Ushant). Jest to mały młyn składający się z kwadratowej lub cylindrycznej drewnianej obudowy spoczywającej na cylindrycznej murowanej podstawie. Liczne w okolicach Pointe du Van (około dziesięciu) i Ouessant (około czterdziestu), były używane do lat pięćdziesiątych XX wieku. Te, które pozostały, zostały odrestaurowane lub przebudowane.
Młyn kawiorowy, szeroko rozpowszechniony w Anjou i Pays de Loire, jest pośredni między poprzednimi typami; w tym przypadku obraca się tylko ruchomy drewniany korpus podtrzymujący skrzydła i system przekładni, "hucherolle". Hucherolle spoczywa na murowanym stożku z tufu, który z kolei opiera się na massereau, centralnym pomieszczeniu mieszczącym kamienie młyńskie. Wieża ta jest otoczona niższą, sklepioną konstrukcją, czasami troglodycką, częściowo zakopaną lub zasypaną, używaną do przechowywania, jako piwnica lub nawet jako dom dla młynarza: msza. Górna część kopca tworzy okrągły taras, dostępny przez zewnętrzne schody i służy do orientacji. Drabina służąca do wchodzenia do chlewni jest do niego przymocowana i pełni funkcję kultywatora. Zgodnie z tradycją, osioł był na stałe zaprzęgnięty do rumpla: naturalnie szukając schronienia przed wiatrem, obrócił skrzynię korbową i skrzydła tak, aby były skierowane w stronę wiatru.
Młyn kawiorowy umożliwia zwiększenie wysokości, aby złapać wiatr, a jednocześnie ma ruchomą część, która zajmuje mniej miejsca.
Ten typ młyna, znany również jako "młyn platformowy", "młyn spódnicowy" lub "młyn fartuchowy" (ze względu na swój ogólny kształt)6, lub "młyn holenderski", ponieważ jest szeroko stosowany w Holandii, jest młynem typu kawiorowego o ograniczonych wymiarach, chociaż może osiągać duże wysokości, aby złapać wiatr. Dolna część jest zazwyczaj murowana, podczas gdy górna część wieży jest drewniana, ośmiokątna w przekroju (czasami sześciokątna) lub wykonana z muru, który rozszerza się u dołu i często jest otoczony galerią, która pozwala młynarzowi kierować czapą podtrzymującą skrzydła, gdy wysokość nie pozwala na to z ziemi. Młyny te mogły być budowane na glebach, które nie sprzyjały tradycyjnej konstrukcji, takich jak poldery. Pojawiły się one w Europie Zachodniej w XVII wieku, szczególnie w hrabstwie Kent w Anglii, gdzie nadal można zobaczyć kilka z nich, pomimo faktu, że ich drewniana konstrukcja czyni je podatnymi na działanie czynników atmosferycznych. Holenderskie wiatraki są generalnie tego typu, podzielone na grondzeilers, dosłownie "których żagle są blisko ziemi", oraz stellingmolen, czyli wiatraki galeryjne, które są wyższe.
Tjasker jest najprostszą formą wiatraka. Jest on używany w Holandii, skąd pochodzi, i był używany od XVI wieku wyłącznie do pompowania wody. Składa się on z pochylonego wału ze skrzydłami, spoczywającego na centralnym filarze i wysuwanego w dół za pomocą śruby Archimedesa. Woda jest podnoszona do niskiego poziomu, ale wystarczającego, aby umożliwić jej odpływ. Nie ma systemu sterowania; młyn jest po prostu ustawiany ręcznie w kierunku przeważających wiatrów. Obecnie zastąpione przez pompy silnikowe, w Holandii nadal istnieje około dwudziestu pięciu, w tym jedenaście we Fryzji i kilka w Niemczech.
Tradycyjnie skrzydła młyna obracają się w lewo (patrząc od przodu), tj. w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Skrzydła obracające się w prawo są rzadkie, ale czasami można je znaleźć w zgrupowanych młynach, aby uniknąć wirów. Skrzydła, zwykle w liczbie czterech, są zazwyczaj wykonane z drewnianej ramy podtrzymującej rozciągnięte płótno.
Kształty i użyte materiały różnią się znacznie w zależności od regionu. Skrzydła składają się z prętów lub prętów: często dwóch krzyżujących się prętów, jeden przed drugim, na wale napędowym; ten najbliżej budynku młyna jest prętem wewnętrznym, a drugi jest prętem zewnętrznym. Są one wyposażone w poprzeczne pręty, osadzone w prętach pod stałym lub zmiennym kątem do płaszczyzny obrotu, co nadaje skrzydłom ich spiralną konfigurację. Zewnętrzne końce prętów mogą być wolne lub połączone listwami lub frezami, czasami podwójnymi lub potrójnymi.
Kształt tkaniny różni się w zależności od typu skrzydła. Zazwyczaj są one prostokątne, wykonane z lnu, bawełny lub konopi. Czasami są garbowane, aby zwiększyć ich wytrzymałość i uczynić je odpornymi na gnicie i wodoodpornymi. Garbowanie opiera się na korze cachou lub dębu, oleju lnianym i wodzie, nakładanych na obie strony za pomocą pędzla.
Niektóre skrzydła są wyposażone w deski, które czasami są zdejmowane, ale mogą pozostać na miejscu, zapewniając przyczepność na wietrze i wymagając jedynie niewielkiej ilości dodatkowego pokrycia: deski te mogą znajdować się w środkowej części skrzydła lub na całej długości.
Kształt skrzydeł oznacza, że ilość płótna można zmieniać w zależności od siły wiatru.Płótno jest długim pasem materiału, który młynarz przesuwa między prętami w górę skrzydła. Na każde skrzydło przypadają dwie tkaniny, identyczne w przypadku skrzydeł symetrycznych, dwie nierówne lub tylko jedna w przypadku skrzydeł asymetrycznych.Operator wybiera, czy użyć wszystkich tkanin, czy tylko mniejszej ich liczby, rozkładając je symetrycznie na cztery skrzydła.Dodatkowym sposobem regulacji jest większe lub mniejsze naprężenie tkaniny podczas jej wiązania, aby była mniej podatna na wiatr.
Młyny sześcioskrzydłowe są rzadkością w Europie Zachodniej: istnieje przypadek młynarza w Nailloux w regionie Lauragais, którego młyn, zakłócony przez budowę pobliskiego domu, zainstalował sześć skrzydeł7, urządzenie, które nie poprawiło wydajności, ale raczej ją zmniejszyło. Młyn, który został zniszczony około 1915-1916 roku, został odbudowany z sześcioma skrzydłami i stał się symbolem gminy Nailloux.