Вітря́к, вітряний млин — млин, що використовує силу вітру як джерело енергії. У деяких місцевостях вітряки використовують для помпування води, вимолочування або подрібнення зерна, розпилу деревини.
Також вітряками з появою електрогенераторів інколи називають турбіни вітрових електростанцій.
Історія
Вважається, що вітряки, або вітряні млини з'явились пізніше, ніж водяні. Є відомості про вітряки у стародавній Персії близько VII ст. до н. е. та в Китаї у XIII столітті н. е. мали вертикальну вісь і горизонтальне колесо з крилами, які працюють аналогічно вітрилам. Такі вітряки і понині можна зустріти на Близькому Сході. Простішу конструкцію мають , які являють собою дерев'яну карусель з прикріпленими прямокутними вітрилами.
У Європі, вітряки згадуються з середніх віків, потрапивши туди через Візантію й арабів (очевидно, під час хрестових походів). Найранніші згадки датуються XII століттям. Європейці застосували на вітряках вже використовувану у водяних млинах зубчасту передачу, що уможливило розташувати крила вертикально. Близько 1105 р. вітряки з'являються у Франції, 1140 р. — в Англії, 1393 р. — в Німеччині (м. Шпейєр), проте, на думку дослідників, по-справжньому технічно досконалий вітряк з'явився лише близько 1430 р. Первісно ними тільки мололи зерно, згодом вітряки почали використовувати як лісопильні та молотарки. Доволі швидко вітряки стали переважати водяні млини у рівнинних регіонах, де нема великого перепаду висот для ефективної роботи водяного млина.
Одними з найвідоміших у Європі вітряків є голландські — з обертовою верхньою частиною. У Голландії їх використовували для помпування води та осушування (дренажу) польдерів і боліт, що було необхідно Для освоєння нових земель. Оскільки один вітряк, відповідно до законів фізики, може помпувати воду тільки на певну висоту, то були побудовані групи вітряків, де кожен наступний випомповував воду до щораз вищого резервуару. Найбільший комплекс з вітряків, що зберігся до нашого часу в Кіндердайку, отримав статус світової спадщини ЮНЕСКО. Не менш відомі вітряки XVII–XVIII ст., зібрані у музеї просто неба в Зансе-Сханс (Північна Голландія).
Ще один європейський регіон, відомий своїми вітряками, — Ла-Манча в Іспанії. Тутешні вітряки стали знаменитими завдяки Сервантесу, який зобразив сцену боротьби з вітряками у своєму романі «Дон Кіхот».
Вітряки в Україні
В Україні вітряки відомі з XVI ст. Спершу їх стали будувати на Волині, де вони найімовірніше були запозичені з Німеччини. Один вітряк міг обслуговувати декілька сіл. Будівництво вітряків активно розвинулося за Гетьманщини, у другій половині XVII — першій половині XVIII ст. Форми найдавніших вітряків були запозичені з чотири- або восьмикутних оборонних веж дерев'яних замків чи монастирів. У XIX ст. на Полтавщині, Слобожанщині, Наддніпрянщині та півдні України вітряків було вже набагато більше, ніж водяних млинів. Пік будівництва вітряних млинів припадає на кінець ХІХ — початок ХХ ст., після скасування кріпацтва. Значна частина з 900 тис. вітряків у Російській імперії перебувала в українських губерніях. Великі вітряки обкладалися податками. На Лівобережжі при цьому кількісно переважали водяні млини, які з'явилися там значно давніше.
Українські вітряки зазвичай будувалися з дерева, в степовій зоні також із каменю. Типово мали один-два поверхи й могли обертатися навколо стовпа, що слугував віссю всієї споруди для вловлювання вітру. Найархаїчніші нерухомі вітряки відомі на Поліссі. Дахи покривали соломою, ґонтом, драницею, а на зламі ХІХ–ХХ ст. і металевою бляхою. Кількість крил була 4, 6 або 8.
Оскільки селяни часто мусили ставати в чергу, чекаючи поки привезене ними зерно буде перемелене, то біля вітряків відбувалися збори громади. Чоловік, який володів млином і працював на ньому, називався мірошником. Млин, як і сама млинарська справа, успадковувалися сином від батька.
У ХХ ст. в Україні з'явилися парові й електричні млини, витісняючи вітряні. Вітряки широко використовували аж до 1960-х років, і вони занепали з поширенням дешевого електропостачання. Залишені без нагляду млини поступово руйнувалися, розбиралися на деревоматеріал, лише невелику кількість зберігали в робочому стані. З 1970-х років пожвавився інтерес до збереження вітряків як пам'яток архітектури. Частина вітряків знайшла своє місце в музеях просто неба.
Вітряк поряд з побіленою хатою, вишневим садом і тополею складають стереотипний український ландшафт.
Типи
Стовпові вітряки
Стовпові («німецькі») вітряки встановлювалися на нерухомій зрубній чи мурованій основі («стільці»), на якій містився масивний стовп, глибоко закопаний або закріплений на стійкій хрестовині. Вітряк можна було обертати навколо стовпа, щоб вловлювати вітер, який дме з різних напрямків. Здійснювалося це за допомогою масивного правила, рідше — за допомогою вертушки на шатрі через систему коліс. Швидкість обертання жорен можна було регулювати за допомогою зубчатих передач у межах 60 – 100 обертів на хвилину. Щілина між жорнами, від якої залежала грубість помолу зерна, регулювалася важелем із гвинтом.
Замість стільця може використовуватися кругла споруда з конічним дахом (в англійській мові знана як roundhouse). Окрім функції опори для вітряка, вона виконує також функцію комори.
Пальтраки
Вітряки-«пальтраки» ( від ниж.-нім. Paltrock) — тип вітряків, на яких теж обертається весь корпус, але замість осі-стільця використовують широке колесо в основі.
Шатрові вітряки
Шатрові («голландські») вітряки мають обертовий ковпак чи шатро на нерухомій будівлі. Називалися також «кругляками». Орієнтація таких вітряків проти вітру може здійснюватися як вручну за допомогою воротила, так і автоматично — через вертушку і систему коліс.
В Україні були поширені шатрові вітряки типу Д-15, розроблені Володимиром Стрільцем на початку 50-х років ХХ століття. Конструктивно прості у виготовленні, вони мають добрі показники потужності, ефективності, надійності та економії виробничих матеріалів.
Інші Вежовими вітряками (, , , ) називають вітряки, що складаються з кам'яної чи цегляної вежі, на якій встановлено дерев'яний ковпак з криламиRighter, Wind energy in America: A History, (1996) 14A short history of technology: from the earliest times to A.D. 1900 (1993), 255Medieval science, technology, and medicine: an encyclopedia (2005), 520Watts, Water and wind power (2000), 125Ball, Natural sources of power (1908), 243. Колчанові вітряки посідають проміжне положення між стовповими і шатровими, оскільки їхній поворотний круг розташовується приблизно на половині їхньої висоти.
Будова
Крила Вітряки мають чотири, шість або й вісім крил. Крила складаються з двох (рідше 3-4) товстих жердин (рамен), закріплених хрестоподібно на втулці крилового вала. На рамена кріпляться поперечні короткі жердинки (глиці), а на них — обшивка крил. Після завершення роботи обшивка прибирається, часто її згортають у рулони і прив'язують до рамен, аналогічно вітрилам до рей на кораблях з прямим вітрильним озброєнням.
Крила досконалішої конструкції можуть змінювати вітрильність. Для цієї мети обшивка їх складена з окремих щитків, кожен з яких повертається на осі за допомогою важелів. Кінці важелів з'єднані спільною тягою, що йде паралельно рамену. Кінці тяг сходяться у втулці, де за допомогою особливого пристрою, «павука» (), приєднуються важелями до стрижня, який проходить усередині порожнистого крилового вала. Задній кінець стрижня з'єднаний із зубчастою рейкою, що зчіплюється із зубчастим сектором, на осі якого закріплений передній кінець довгого важеля, винесеного назовні будівлі вітряка. Вище вихідного прорізу важеля на шатрі розташована вантажна стріла, через блок якої проходить довгий мотузок, кінці якого спускаються донизу, і до одного з них кріпиться задній кінець важеля. Унизу до кінців мотузка причіплюють тягар, зміною ваги якого можна регулювати швидкість обертання вала. Механізм працює за принципом зворотного зв'язку: коли тиск вітру на стрижень зменшується, він повертає сектор і опускає важіль, тягар повертає щитки перпендикулярно до вітру; якщо ж тиск вітру збільшується, важіль підіймається і повертає щитки ребром до вітру.
Існує також конструкція регулятора, в якому замість стрижня всередині крилового вала використовують встановлене навколо втулки залізне кільце-рейку (). Усередині кільця поміщається кілька роликів, на яких воно повертається. До кільця приєднуються кінці тяг на раменах, і його поворотом через тяги і важелі на осях щитків змінюється і вітрильність крил. Поворот кільця здійснюється за допомогою протягнутого від нього догори дроту чи мотузка, який проходить усередину шатра і далі виходить у задній частині назовні.
Конструкція шатра Шатро — верхня частина вітряка, де закріплені крила, вертушка орієнтації, криловий вал, гальмове колесо з передачею на головний вал. На голландських вітряках шатра споряджені механізмом повертання за вітром.
Віндроза
З тильної частини шатра деяких вітряків знаходиться маленький вітрячок — віндроза (від — «роза вітрів»), «вітрякова вертушка» (, , у Словнику Брокгауза і Єфрона описується як «напрямне чи рульове колесо»), площина обертання якого перпендикулярна площині обертання крил. Він призначений для забезпечення орієнтації вітряка по вітру: коли вітер змінюється, вертушка-віндроза починає обертатися і своїм механізмом повертає шатро (чи весь вітряк) крилами проти вітруShipley Windmill , West Sussex.. Повертання здійснюється через кремальєру шатра на шатрових вітряках, через колеса в основі («стільці») на стовпових (хоча на останніх цей механізм застосовується рідко). Вісь вертушки укріплена між двома виносними балками, передачею з двох корончастих коліс вона з'єднується з паралельним балкам валом, який у свою чергу, передає обертання на гвинт-черв'як, теж закріплений між балками, але в безпосередній близькості до шатра. Він обертає шестірню вала, друга шестірня якого повертає шатрову кремальєру (на наведеному малюнку черв'ячний гвинт розташований безпосередньо на осі віндрози). Обертання кремальєри можна проводити й вручну, за допомогою коловорота із зубчастою передачею всередині шатра.
Цей пристрій з'явився в XVIII ст., запатентований у 1745 році Едмундом Лі (Edmund Lee), ковалем з села Брокмілл-Фордж (Brockmill Forge) поблизу Вігана в Англії. Поширився на вітряках в околицях Лідса і Галла ближче до кінця століття.
Гальмове колесо На криловому валу закріплюється велика дерев'яна шестірня з кулачками-пальками (колись знане як палечне колесо), з передачею на шестірню головного вала. Вона ще називається гальмовим колесом, бо споряджена гальмом для регулювання обертів крил й їхньої повної зупинки.
Гальмо Гальмо складається з кількох вигнутих брусків, з'єднаних металевими шарнірами, що оточують колесо, утворюючи своєрідний хомут. Залежно від способу стискання колодок розрізняють кілька видів гальма: із зовнішнім важелем, з барабаном, з внутрішнім важелем, з балкою-противагою, з поперечними тягами. Гальмо із зовнішнім важелем — мотузок від хомута проходить через блок, закріплений на кінці важеля, винесеного назовні будівлі вітряка, і спускається донизу. Гальмо з барабаном — мотузок закріплений одним кінцем на балці, а другим — на барабані коловорота. На другий, більший барабан намотано ще один мотузок, який звішується вниз. Для гальмування тягнуть мотузок, обертаючи великий барабан і співвісний з ним малий, затискуючи колесо.