Вітряк

Вітряки в Україні мають доволі тривалу історію. Як вважається, вітряки з'явилися у Східній Європі в XVI столітті[2].

Так само як і в Європі, на відміну від гірських місцевостей Карпат, у селах Полтавщини, Слобожанщини, Наддніпрянщини та Півдня України вітряків було значно більше, ніж водяних млинів. Будували їх обабіч доріг, у полі, чи на пагорбах за селом, поодинці, або групами, інколи до кількох десятків разом. Вітряки відігравали важливу роль в забудові сільських поселень, визначали їхнє архітектурне обличчя, формували краєвид українського села. Будівництво вітряків, їх роботу оспівано в піснях, легендах, переказах. Вітряки часто зображували у своїх творах художники.

Вітряки були місцем, де збиралася сільська громада для обговорення різних питань, нерідко подалі від ока сільської влади. Біля вітряків збиралася й молодь, водила веснянки, влаштовувала різні забави. Вітряки створювали особливий колорит українських сіл, польових доріг. Біля них подорожні відпочивали, по них відмірювали дорогу. Це були наче сторожові вежі.

Наприкінці XIX — поч. XX сторіччя в Україні існували два типи вітряків: стовпові чи німецькі, коли навколо стовпа, вкопаного в землю, на основі (стільці) обертався до вітру весь корпус вітряка за допомогою дишля (воротила), і шатрові чи голландські, коли повертався верх вітряка, а корпус був нерухомий. На Поліссі серед останніх виділялися вітряки з багатогранним зрубним корпусом — кругляки. Шатрові вітряки мали зрубні стіни (чи поєднання зрубу та каркаса), на Півдні — часто кам'яні. Для підйому мішків із зерном у вітряках влаштовували блочки на гачках біля дверей.

Вітряки широко використовувалися аж до 1960-х років, і занепали з поширенням дешевого електропостачання. Залишені без нагляду млини поступового руйнувалися, розбиралися на деревоматеріал, лише невелику кількість зберігали в робочому стані[4]. Частина вітряків знайшла своє місце в музеях просто неба.

Стовпові («німецькі»), що обертаються всім корпусом навколо осі-опори («стільця»). Орієнтація здійснюється зазвичай вручну, за допомогою масивного правила, рідше — за допомогою вертушки на шатрі через систему коліс.

Замість стільця може використовуватися кругла споруда з конічним дахом (в англійській мові відома як roundhouse). Окрім функції опори для вітряка, вона виконує також функцію комори.

Вітряки-«пальтраки» (пол. paltrak від ниж.-нім. Paltrock) — тип вітряків, на яких теж обертається весь корпус, але замість осі-стільця використовується широке колесо в основі.

Шатрові («голландські») вітряки мають обертовий ковпак чи шатро на нерухомій будівлі. Називалися також «кругляками»[5]. 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.

• Вежовими вітряками (нім. Turmwindmühle, англ. tower (wind)mill, нід. torenmolen, фр. moulin tour) називають вітряки, що складаються з кам'яної чи цегляної вежі, на якій встановлено дерев'яний ковпак з крилами[6][7][8][9][10].
• Колчанові вітряки посідають проміжне положення між стовповими і шатровими, оскільки їхній поворотний круг розташовується приблизно на половині їхньої висоти.

Вітряки мають чотири, шість або й вісім крил. Крила складаються з двох (рідше 3-4) товстих жердин (рамен)[11], закріплених хрестоподібно на втулці крилового вала. На рамена кріпляться поперечні короткі жердинки (глиці)[12], 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» (нід. spin), 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[13].

Існує також конструкція регулятора, в якому замість стрижня всередині крилового вала використовується встановлене навколо втулки залізне кільце-рейка (нід. zwichtring). 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.

• Елементи крил
• 
  «Павук» з кінцем стрижня всередині крилового вала і кінцями тяг на раменах
• 
  «Павук» на втулці зі знятими крилами
• 
  «Павук» на стовповому вітряку
• 
  Кільце-рейка з роликами і кінцями тяг
• 
  Кільце-рейка з кінцем мотузка
• 
  Крила з поздовжніми щитками
• 
  Крила стовпового вітряка з поперечними щитками
• 
  Шатро ззаду, ліворуч важіль і стріла з блоком аеродинамічного регулятора крил, праворуч зовнішній важіль гальма

• Обшивка крил
• 
  Кінець крила без обшивки
• 
  Натягання обшивки
• 
  Кінець крила з обшивкою
• 
  Крило з обшивкою
• 
  Обшивка крила ззаду
• 
  Голки для виготовлення обшивки крил

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.

Схема обертального механізму вітряка на два посади з пристроєм орієнтації за допомогою віндрози. На вертикальному колесі видно «хомут» гальма

З тильної частини шатра деяких вітряків знаходиться маленький вітрячок — віндроза[14] (від нім. Windrose — «роза вітрів»), «вітрякова вертушка» (англ. windmill fantail, нім. Windrichtungsnachführung, 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 вітру[15][16]. 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[17].

На криловому валу закріплюється велика дерев'яна шестірня з кулачками-пальками (колись відоме 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 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.
• Гальмо з брусом-противагою — один кінець «хомута» прикріплений нерухомо до балки, другий з'єднується через металеву тягу з масивним брусом-противагою, одним кінцем закріпленим на шарнірі біля передньої стінки вітряка, а другим підвішеним на мотузку через рухомий блок (часто і через важелі). Кінець мотузка від блока кріпиться на барабані коловорота, на більший барабан якого намотано ще один мотузок. Коли мотузок не натягнутий, брус перебуває в опущеному положенні і тягою притискує колодки до обода. Для початку роботи тягнуть за мотузок, підіймаючи блоком брус і розтискуючи колодки. Для гальмування ослабляють кінець мотузки і брус опускається, внаслідок чого хомут-гальмо обтискує гальмове колесо і вимушує його зупинитися. Якщо ваги бруса недостатньо для гальмування, на нього навішують вантаж[13].
• Гальмо з поперечними тягами застосовувалося на невеликих стовпових вітряках, де було складно розміщати важку противагу в рухомому корпусі. До хомута гальма кріпилися дві мотузки: одна спускалася донизу (іноді через блок), друга спочатку підіймалася догори, потім через блок спускалася донизу. Тягнучи за одну мотузку, обтискали колодки навколо колеса, тягнучи за другу — розтискали їх.

Гальмо застосовували тоді, коли треба було тимчасово зупинити вал чи зменшити його обороти. «Робочою швидкістю» для вітряка вважалася швидкість вітру 3,6-8,5 м/с[18]. Після зупинки вала гальмом вітряк повертали площиною крил паралельно вітру за допомогою системи орієнтації (воротила або коловорота на кремальєрі шатра).

• Будова гальмового пристрою вітряка
• 
  Гальмове колесо з шестірнею вертикального вала
• 
  Колодки гальма на гальмовому колесі
• 
  Кріплення нерухомого кінця хомута гальмового колеса до балки і тяга від другого кінця
• 
  Тяга від гальмових колодок до бруса
• 
  Важіль гальма з тягою від горизонтального бруса на одному кінці, блочком з мотузкою на другому
• 
  Барабан коловорота з підвішеним на ланцюзі брусом
• 
  Кінець бруса з додатковим обтяженням

Жорновий механізм вітряка: 1 — цівкове колесо, 2 — кіш, 3 — веретено, 4 — верхнє жорно, 5 — нижнє жорно, 6 — підлога подка, 7 — підойма, 8 — лоточок для борошна

Схема регулятора надходження зерна:
2 — жолоб-коритко
4 — ручка жолоба
5 — веретено
6 — прогорниця
7 — верхнє жорно

Коритце з регулятором:
1 — кіш
2 — коритко із зерном
3 — мотузок, перекинутий через брусок
4 — ручка коритка
5 — веретено
6 — прогорниця

Гальмове колесо має передачу на горизонтальну шестірню, насаджену на головний вал (веретено). Шестірня складається з двох дисків, з'єднаних стрижнями-цівами (цівкове колесо), довжина яких уможливлює їм не втрачати зчеплення з пальками гальмового колеса при підніманні й опусканні веретена. Верхній кінець веретена впирається в балку (кобилицю)[19], а нижній вилчастий з'єднується з порплицею (металевою втулкою)[20] верхнього жорна. Порплиця знизу має заглибину, у яку входить верхній кінець нижнього веретена, утворюючи таким чином вальницю ковзання. У нижньому жорні поміщена спеціальна наскрізна втулка (ва́ржіль)[21], у яку проходить нижнє веретено, уможливлюючи його вільне обертання в нерухомому жорні. Нижній кінець нижнього веретена, на якому здійснюється обертання верхнього жорна, входить у підп'ятник нижньої кобилиці. За допомогою спеціального пристрою (підойми) можна підіймати й опускати один з кінців кобилиці разом з веретеном і верхнім жорном[22], регулюючи відстань між жорнами, від якої залежить кондиція борошна (помел). У складніших конструкціях вітряків веретена жорен мають привод від головного вала на жорнові веретена через трибову передачу, це уможливлює використовувати кілька посадів (пар жорен). Щілина між жорнами може також автоматично регулюватися відцентровим регулятором.

Над жорнами встановлено ящик для зерна (кіш), під кошем — лотік (коритце, коритко). Для забезпечення рівномірної подачі зерна використовуються спеціальні механізми. Більшість з них включають вертикальну паличку, одним кінцем закріплену на опорі коша, яка прив'язується шнурком до коритця і грає роль пружини, повертаючи його на місце по завершенню циклу роботи пристрою. Коритце підвішується рухомо на шнурі, а натяг шнурів регулюється за допомогою брусочка, одним кінцем закріпленого, другим пересуваного по зубчиках опори коша. Кіш має форму перевернутої зрізаної чотиригранної піраміди, він закріплений на двох поздовжніх похилих брусках, під нижнім отвором коша підвішене на мотузці коритко. Веретено на висоті коритка має гранований переріз чи накладні ребра, що час обертання веретена штовхають виступний кінець (ручку, коник) коритця. Мотузок кріпиться збоку до обичайки, потім до ручки коритка, перекидається через риштак і закріпляється перед ним, притягаючи ручку до веретена. Ударяючись об грані веретена жорна при його обертанні, риштак на мотузці своєю пружністю підштовхує коритце і забезпечує рівномірне надходження зерна. З лотока зерно сиплеться в отвір верхнього жорна (прогорницю). Піднімаючи за допомогою мотузки коритце вгору чи опускаючи вниз, регулюють кількість зерна, що сиплеться в жорна.

• Привод і елементи посаду
• 
  Криловий вал з цівковою передачею на веретено жорна
• 
  Подок з млиновим посадом
• 
  Прогорниця і нижній кінець веретена в порплиці жорна
• 
  Прогорниця, веретено, коритко, мотузка
• 
  Кіш, веретено, коритко, брусок для регулювання натягу мотузки

З XVII століття для регулювання відстані між жорнами на млинах використовувався відцентровий регулятор, з'єднаний з валом зубчастою чи пасовою передачею. При підвищенні швидкості обертання вала кульки регулятора відхилялися сильніше і через важелі і підойму переміщали веретено з верхнім жорном.

Стілець використовується тільки на вітряках, на яких обертається не шатро з крилами, а весь корпус (стовпових). Виготовляється з масивних брусів, центральний вертикальний слугує віссю обертання. Дві балки довжиною близько 8 м, з'єднані хрестоподібно, розташовуються на кам'яних підмурках. У місці їхнього перехрестя встановлений вертикальний брус висотою 6-7 м, що для з'єднання з горизонтальними балками споряджений знизу хрестоподібною виїмкою. У вертикальному брусі близько середини його висоти зроблені гнізда, в які входять шипи 4 похилих брусів-підкосів, нижні кінці яких своїми шипами входять у гнізда на кінцях горизонтальних балок. Вище підкосів вертикальний брус набуває круглого перерізу, утворюючи заплічка, на яких встановлено сідло, складене з чотирьох врублених один в одного коротких горизонтальних брусків, що оточують брус. На сідлі лежить залізна шайба, на шайбі — дві паралельні горизонтальні балки, розташовані обабіч вертикального бруса впритул до нього. Між цими балками закріплений верхній кінець воротила, а зверху на них лежать чотири перпендикулярних ним балки: дві теж впритул до бруса, дві на кінцях. Кінці двох нижчих і чотирьох вищих балок зв'язані зі стінками вітряка, а на чотирьох вищих балках наслана підлога першого поверху. На верхньому кінці вертикального бруса укріплена цапфа, що входить у підп'ятник, встановлений у нижню частину горизонтальної балки, що проходить прямо під посадом і передає всю вагу вітряка на вертикальний брус стільця[13].

• Стільці вітряків
• 
  Поворотний стілець стовпового вітряка
• 
  Горизонтальні балки стільця на підмурках і вертикальний брус з підкосами
• 
  Сідло над підкосами і балки над ним
• 
  Зняте сідло
• 
  Кінець воротила між балками
• 
  Поворотний стілець зруйнованого вітряка

На багатьох вітряках стовпового («німецького») типу і на деяких шатрових («голландських») орієнтація по вітру здійснюється вручну: за допомогою довгого масивного важеля — вороти́ла[23] (також відомого як коловорот, коловоріт, бендю́га, ви́рло, стріла,[24][25][26][27] прави́ло[28] на Полтавщині жердь, жердя)[29][30]. Частіше за все воротило розміщається ззаду вітряка, зрідка спереду. На шатрових вітряках воротило має досить складну конструкцію: з кількох з'єднаних брусів. Для полегшення повертання корпусу вітряка використовується укріплений на кінці воротила коловорот (нід. kruirad чи kruiwiel), на який намотують канат чи ланцюг, прокладений навколо млина. В Україні та Росії використовувався й інший спосіб: на один з вкопаних навколо вітряка кілків надівали порожнистий дерев'яний циліндр (баран, жлукто), обмотували навкруг нього кінець прив'язаної до воротила кодоли, вставивши палицю-важіль у її петлю, накручували цим імпровізованим коловоротом кодолу на циліндр. Невеликий вітряк можна було повернути силами однієї людини, для повороту важких (6-7 тонн) були потрібні зусилля 6-7 осіб[31]. Щоб зупинити вітряк, його повертали площиною крил паралельно до вітру.

Підіймач з приводом від крилового вала

Для полегшення операцій з підйому мішків із зерном і спуску мішків з борошном деякі вітряки обладнані підіймачами, барабан яких має привод на вертикальний або криловий вал. У вітряках з приводом від крилового вала на цьому валу закріплене, окрім гальмового, ще одне колесо, зубці якого можуть зчіплятися із зубцями колеса, закріпленого на валу, встановленому паралельно криловому. На валу підіймача встановлені барабани з намотаними на них тросами (зазвичай два, усередині млина та зовні), за допомогою яких і здійснюється підйом і опускання мішків з зерном і борошном. Вал може відсуватися вздовж крилового вала, роз'єднуючи колеса, коли треба припинити підйом. Для обертання вала підіймача вручну (коли криловий вал не обертається) на ньому передбачене велике колесо з намотаною мотузкою (у нідерландській мові воно відоме як gaffelwiel, «вилочне колесо», оскільки на його ободі замість жолобка для троса розташовані металеві вилки).

Вал підіймача з приводом від вертикального вала має на кінці зубчасте колесо, зчіплене з горизонтальним колесом на вертикальному валу.

На деяких вітряках навколо корпусу влаштовується галерея, призначена для зручності обслуговування крил, труднодоступних з поверхні землі. На шатрових вітряках з воротилом з галереї здійснюється переміщення його нижнього кінця.