水車とは：水力発電の仕組み・歴史・構造と用途をわかりやすく解説
水車の基礎を初心者向けに解説：水力発電の仕組み、歴史、構造、用途を図解付きでわかりやすく紹介し、現代への応用も解説します。
舟を動かすための水車は、パドルホイールを参照。水を持ち上げるためだけの車輪は「ノリア」を参照。水車で駆動する工場や産業については「水車」を参照。
水車とは水力発電システムの一つで、水の流れから動力を取り出す機械のこと。中世のヨーロッパでは、水車や水力発電は、風車と並んでほとんどの産業に利用されていた。水車の用途としては、挽き臼で小麦粉を製粉するのが一般的だが、その他にも鋳物や機械加工、紙を作るために麻を叩くなどの用途があった。
水車は、木製または金属製の大きな車輪の外側の縁に、複数の羽根やバケットを配置して駆動面としている。水車は水平な軸に垂直に取り付けられているのが一般的だが、桶や北欧の水車は垂直な軸に水平に取り付けられている。垂直方向の車輪は、車軸を介して、あるいはリングギアを介して動力を伝達することができ、一般的にはベルトやギアを駆動するが、水平方向の車輪は通常、負荷を直接駆動する。車輪を離れた後に水が通るように作られた水路は、一般的に "テールレース "と呼ばれている。
水車の仕組み（基本原理）
水車は水の持つ位置エネルギーや運動エネルギーを機械的な回転力（トルク）に変換する装置です。流れの速さ（流量）と水の落差（有効落差＝ヘッド）によって得られる出力が決まります。概算すると、理論上の出力は次の式で表せます（単位：ワット）。
P = ρ × g × Q × H × η
- ρ：水の密度（約1000 kg/m³）
- g：重力加速度（9.81 m/s²）
- Q：流量（m³/s）
- H：有効落差（m）
- η：効率（0〜1の比率、水車や伝達系の損失を考慮）
実際には羽根の形状、車輪の大きさ、流れの管理（堰や水路）などが効率に影響します。
主な種類と特徴
- オーバーショット（落水式）：水が車輪の上から落ちてバケットに入る方式で、比較的大きな落差がある場所で高効率。歴史的に粉挽きなどに広く使われた。
- ブレストショット（胸打ち式）：水が車輪の中央付近に当たる方式。中程度の落差で効率良く動作する。
- アンダーショット（流下式）：水流の運動エネルギーを直接羽根に当てる方式で、落差が小さい平地の川などで使われるが効率は低め。
- 水平軸水車（タービンに近い）：水平軸に取り付けられ、直接機械を駆動することが多い。井戸や小規模発電に使われることがある。
- パドルホイール（パドル式）やパドルプロペラ：舟や浅い水流で用いる大型のラダー型車輪。推進用や大きな流量を扱う用途に向く。
主要な構成要素
- 車輪（ホイール）：羽根やバケットを取り付けた本体。
- 羽根・バケット：水を受けて力を生む部分。形状が効率に大きく影響する。
- 軸（シャフト）：回転を伝える心材。水平軸・垂直軸のどちらか。
- 駆動伝達機構：ギア、ベルト、ピニオンなどで機械に動力を伝える。
- 水路・堰・ミルポンド：水を集めて制御する設備。安定した流量と落差を確保するために重要。
- テールレース：使用後の水を流すための放流路（既存文中の呼称）。
歴史と用途（もう少し詳しく）
水車は古代から世界各地で利用され、農業や手工業の動力源として重要でした。ヨーロッパでは中世にかけて小麦粉挽き、製材、金属加工、製紙、衣類の“フリング”や“フラー（fulling）”といった工程で広く使われました。蒸気機関や電力の普及により一時は衰退しましたが、地域の産業遺産として保存・復元される例も多く見られます。
現代では、大規模なダム式の発電（タービン）とは別に、小規模水力（マイクロ水力）として水車を利用した分散型発電や、伝統産業の再興、観光資源としての活用が進んでいます。
長所と短所
- 長所
- 燃料が不要で再生可能な動力源
- 低コストで長寿命（適切な維持管理があれば）
- 地域の自給自足的電力供給や歴史的景観の維持に有用
- 短所
- 流量や落差に依存し、季節変動に弱い
- 魚類の通行阻害や河川環境への影響（堰など）
- 大規模発電に比べ効率が低い場合がある（特に古典的な方式）
材料・保守・設置のポイント
伝統的には木製が多かったが、現在は鋼やステンレス、FRPなど耐久性の高い材料が用いられることが多い。設置では「流量」と「有効落差」を正確に評価し、適切な車種（オーバーショット／アンダーショット等）を選ぶことが重要。定期的な清掃、羽根の点検、軸受けの潤滑、堆積物対策が長期稼働のカギとなる。
まとめ
水車は古くからあるシンプルで有効な水力機械で、地域の自然条件に応じて多様な形態が存在します。現在は大型ダムや水力タービンに主役を譲る場面もありますが、小規模発電や伝統技術の保存、産業遺産としての価値は高く、適切な設計と環境配慮によって今も有用な技術です。
42フィートの高さのオーバーショット水車がジョージア州ローマにあるベリーカレッジのオールドミルを支えています。
沿革
主な記事ウォーターミル
グレコローマン・ヨーロッパ
水車の技術は古くから知られていたが、一般に普及するようになったのは、深刻な労働力不足で水車のような機械がコスト的に有利になった中世になってからである。しかし、古代ローマや古代中国の水車は、穀物などを搗くためのミルの動力として多くの実用性を発揮した。ローマ人は、固定式と浮動式の水車を使い分け、ローマ帝国の他の国々に水車を導入した。ローマ人は鉱山開発に水車を多用したことで知られ、現在のスペインなどではローマ時代の巨大な水車が発見されています。紀元前1世紀、テサロニケのギリシャ人エピグラマー、アンティパテルが初めて水車について言及している。
古代中国
少なくとも紀元1世紀頃には、東漢の中国人は水車を使って穀物を粉砕したり、鉄鉱石を鍛造して鋳鉄を作る際のピストン・ベローズの動力として利用するようになっていた。
西暦20年頃（王莽の時代）に黄丹が著した『新倫』という書物には、伝説の神話上の王である伏羲が杵と臼を発明し、それがティルトハンマー、トリップハンマーと進化していったと書かれている（トリップハンマーの項参照）。神話上の伏羲の話ではあるが、水車が紀元1世紀には中国で普及していたことを示唆する記述がある。
西暦31年、南洋の技術者であり県知事であった杜石は、水車と機械を複合的に使って高炉のふいごを動かし、鋳鉄を作りました。中国の水車は、このような実用的な使い方だけでなく、非日常的な使い方もされていました。発明家の張衡（78〜139）は、歴史上初めて水車を使って天文観測装置である腕木球を回転させる動力を得た。また、機械技師の馬均（まじゅん。200-265）は、水車を使って魏の明帝のために大きな機械式人形劇を上演したことがある。
中世ヨーロッパと近代
特にシトー派修道院では、さまざまな種類の機械を動かすために水車を多用していました。スペインのアラゴン地方にあるシトー会修道院の13世紀初頭のReal Monasterio de Nuestra Senora de Ruedaには、非常に大きな水車の初期の例が残されています。トウモロコシを作るための製粉所が最も一般的であったことは間違いないが、その他にも製材所、製粉所、その他多くの労働力を必要とする作業を行うためのミルがあった。水車は、産業革命の時代になっても蒸気機関に対抗していた。
水車の最大の難点は、水と切り離せないことだった。そのため、水車は人口密集地から離れた場所に設置されることが多く、また資源にも恵まれていなかった。しかし、水車は20世紀に入ってからも商業的に利用されていた。
オーバーショットとピッチバック水車は、高低差が2メートル以上の小さな流れがあり、しばしば小さな貯水池と関連している場合に適しています。ブレストショットとアンダーショット水車は、河川や大規模な貯水池のある高水量の流れに使用できます。
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胸像水車
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アンダーショット水車
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オーバーショット水車
イギリスで作られた最も強力な水車は、マンチェスター近郊にある100馬力のQuarry Bank Mill Waterwheelでした。高いブレストショット設計で、1904年に引退し、いくつかのタービンに置き換えられました。現在は修復され、一般公開されている博物館となっている。
現代の水力発電ダムは、水車の子孫と考えることができ、水が下り坂を移動することを利用して車輪を回しています。
質問と回答
Q:水車とは何ですか?
A:水車は水の流れから動力を取り出す機械です。
Q:中世における水車の最も一般的な用途は何ですか?
A: 水車の最も一般的な用途は、グリスミルで小麦粉を挽くことでした。
Q:水車には他にどのような用途がありましたか?
A:鋳造、機械加工、リネン搗きなどです。
Q:水車はどのように作られるのですか?
A:水車は大きな木製または金属製の車輪で構成され、駆動面を形成する外縁にブレードまたはバケツが配置されています。
Q:縦型水車はどのように取り付けるのですか?
A:縦型水車は、水平な車軸に垂直に取り付けられ、車軸を通して、またはリングギアを介して動力を伝達します。
Q:水平水車はどのように取り付けられますか?
A:水平水車は、垂直軸に水平に取り付けられ、通常、荷重を直接駆動します。
Q:「テールレース」とは何ですか?
A:テールレースとは、水車を出た後に水が流れる水路のことです。
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