Wiatr był pierwszym z żywiołów zaprzęgniętym do pracy. W połowie czwartego tysiąclecia dawnej ery na Nilu i na rzekach Mezopotamii pojawiły się czworokątne żagle, wykorzystywane przy sprzyjającym wietrze.
W Egipcie, gdzie nieustannie wieją północne wiatry, ułatwiały żeglowanie w górę rzeki. W następnym tysiącleciu żaglowce egipskie zaczęły się zapuszczać coraz dalej na wschód wzdłuż wybrzeży Morza Śródziemnego. Kiedy w ostatnim tysiącleciu dawnej ery wykształciły się dwa typy jednostek pływających – pękaty żaglowiec transportowy z niewielką załogą oraz szybka, niezależna od wiatru, bowiem podczas bitwy wiosłowa, galera wojenna.
Umiejętność skutecznego żeglowania pod wiatr weszła do praktyki dopiero w późnej epoce rzymskiej, po wprowadzeniu ułatwiającego to ożaglowania typu łacińskiego (rozciągniętego od dziobu do rufy na paru masztach). Prawdziwy rozwój techniki żeglarskiej, głównie dzięki Holendrom, nastąpił dopiero w epoce wielkich odkryć geograficznych. Także w Holandii zaczęto w XVI w. wyposażać w płozy płaskodenne łodzie żaglowe, böiery, by posługiwać się nimi jako ślizgami lodowymi na płytkich, łatwo zamarzających wodach w celach transportowych i sportowych.
Wiatrak koźlak ze skansenu „Uroczysko Zaborek” k. Janowa Podlaskiego
Aż do końca średniowiecza jednostki pływające miały najwyżej dwa maszty i jedną kondygnację żagli, dopiero pod koniec tej epoki na holkach i karakach zaczęto ustawiać po trzy maszty. Wobec ograniczonej długości drewnianych kadłubów zwiększenie liczby żagli i ich łącznej powierzchni było jedynym sposobem zwiększenia prędkości okrętu. Liczba trzech masztów utrzymała się do końca XIX w.
Wyższość coraz skuteczniejszych parowców od połowy XIX w. stała się oczywista, toteż niebawem stopniowo wyparły one żaglowce ze wszystkich podstawowych służb. Najdłużej utrzymały się klipry o wysmukłym kadłubie i sześciu kondygnacjach żagli, rozwijające okazyjnie szybkość do 21 węzłów, nieosiągalną dla parowców przed wprowadzeniem napędu turbinowego (1894 r.). Przywoziły m.in. herbatę i opium z Chin. Pod koniec XIX w. klipry zostały wyparte przez parowce ze wszystkich ważniejszych linii żeglugowych.
Geograf arabski z X w., al-Istachri, napisał o na wpół pustynnej części Iranu – Seistanie:
W krainie tej panują silne wiatry i w związku z tym pobudowano tam młyny obracane przez wiatr. Masy piasku wędrują na tym obszarze z miejsca na miejsce i gdyby nie wynaleziono środków zaradczych, mogłyby pochłonąć szlaki komunikacyjne i miasta. Słyszałem, że tutejsi mieszkańcy, chcąc przemieścić piasek tak, aby nie zasypywał ich pól, ogradzają wydmy piaszczyste nieco od nich wyższą konstrukcją, podobną do płotu z drewna i cierni. W dolnej części owego ogrodzenia pozostawiają otwór, przez który dostaje się do środka wiatr i zdmuchuje górną warstwę piasku niby trąba powietrzna. Piasek unosi się w górę i spada na ziemię w znacznej odległości, w miejscu gdzie nie czyni szkody.
Wiatrak koźlak ze skansenu w Białowieży
Osiągnąwszy w kontrolowaniu wiatru prawdziwe mistrzostwo, mieszkańcy Sei-stanu pokusili się o wykorzystanie jego energii w celach produkcyjnych. Brak rzek i strumieni uniemożliwiał im posługiwanie się młynami wodnymi, znanymi od I w. p.n.e., a we wczesnym średniowieczu powszechnie stosowanymi w krajach, które zetknęły się z cywilizacją rzymską. Nieprzypadkowo więc właśnie tam wynaleziono wiatrak. Kiedy do tego doszło, nie wiadomo, ale z całą pewnością wiatraki działały w Seistanie w pierwszej połowie X w., co potwierdza relacja geografa i historyka arabskiego al-Masudiego z 947 r.:
Seistan jest krainą wiatru i piasku. Charakterystyczną cechą tego regionu jest fakt, iż wiatr obraca tu młyny, a także pompuje ze studni wodę do nawadniania ogrodów. Klnę się na Allacha, że nie ma miejsca na Ziemi, gdzie by ludzie bardziej wykorzystywali wiatr.
Perskie wiatraki miały pionową oś obrotu i przypominały konstrukcją drzwi obrotowe.
Z wału, na którego przedłużonym końcu osadzony był ruchomy kamień młyński, rozchodziły się promieniście pokryte płótnem żeberka-żagle (od 6 do 12). Wokół jednej połowy młyna wznoszono osłaniający ją mur ceglany po to, aby wiatr działał na te skrzydła tylko z jednej strony. Oczywiście wiatrak taki pracował skutecznie tylko przy niezmiennym kierunku wiatru.
Z czasem jednak zmyślni Seistańczycy nauczyli się konstruować młyny działające bez względu na kierunek wiatru. W tym celu wznosili budowlę z otworami, przez które wiatr dostawał się do środka, gdzie znajdował się ów skrzydlaty wirnik. Wał stanowiący oś wirnika przechodził przez otwór w dolnym, nieruchomym kamieniu młyńskim i był sztywno połączony z górnym, ruchomym kamieniem. Górny kamień obracał się więc razem z wirnikiem – nie było żadnych przekładni.
Uczeni przypuszczają, że wiatrak perski wywodzi się od koła wodnego o pionowej osi obrotu, rozpowszechnionego ongi zwłaszcza w rejonach górzystych. Niektórzy sądzą, że inwencję mogły pobudzić poruszane wiatrem młynki modlitewne (również obracające się wokół pionowej osi) od dawna znane w Azji Środkowej.
Wiatrak perski rozprzestrzenił się na kraje islamu – w Egipcie zastosowano go do kruszenia trzciny cukrowej. W XII w. dotarł aż do Chin, gdzie poczyniono pewne zmiany w jego konstrukcji.
Nie wiadomo, czy wiatrak europejski wywodzi się od seistańskiego, czy też został wynaleziony niezależnie. Wiatrak europejski, o poziomej osi obrotu, był znacznie wydajniejszy, ponieważ wiatr działa zawsze na całą powierzchnię jego drewnianych skrzydeł. Pierwsza o nim wzmianka datowana jest na 1105 r. W końcu XII w. wiatraki tego typu pracowały w Normandii (1180 r.) i Anglii (ok. 1185 r.). W XIII stuleciu zaczęły się upowszechniać w innych krajach Europy (Kolonia – 1222 r., Siena – 1237 r., Pomorze – 1271 r.), a w XIV w. stosowano je już na całym jej obszarze. Wczesny wiatrak (tzw. koźlak) był drewnianą budką na słupie, którą można było obracać dookoła w celu odpowiedniego ustawienia skrzydeł na wiatr. Ktoś, komu wiatr mełł ziarno na mąkę, musiał być – kiedy rzecz cała była nowością – uważany powszechnie za czarownika (zwłaszcza gdy był to fachowiec przybyły z innych stron, często mówiący innym językiem). Nieprzypadkowo też w dawnych bajkach czarownice mieszkają w chatkach na kurzej stopce.
W końcu XIV w. pojawił się wiatrak wieżyczkowy (holenderski) z obracalną tylko górną częścią, na której zawieszone były skrzydła. Dzięki temu zasadniczy budynek młyna mógł być już solidnie wykonany (murowany).
Początkowo wiatraki stosowano wyłącznie jako młyny zbożowe. Dopiero z 1344 r. pochodzi pierwsza udokumentowana wzmianka o użyciu w Holandii wiatraka do napędu kół czerpakowych przy osuszaniu terenów zalanych przez morze. Od XV w. stosowano je w tym kraju głównie do tego celu, zwłaszcza w okręgu Zaan, gdzie przy odpompowywaniu wody z pol-derów pod koniec XVII stulecia pracowało już ok. 700 wiatraków, a kiedy zaczęto je zastępować maszynami parowymi, nawet 900. W szczytowym momencie było ich łącznie na terenie Niderlandów ok. 8 tysięcy. Tam też zastosowano je również do napędu bagrownicy (1589 r.), tartaku (1592 r.) i wytłaczarni oleju (1597 r.).
Fot. © Eric Gevaert – Fotolia.com
Dalszych udoskonaleń konstrukcyjnych wiatraka dokonano w XVIII w. w Wielkiej Brytanii. W 1745 r. Edmund Lee opatentował mechanizm samoczynnie nastawiający skrzydła optymalnie w stosunku do kierunku wiatru, a w 1750 r. Andrew Meikle wprowadził skrzydła samoczynnie regulujące wielkość swej powierzchni w zależności od siły wiatru. W Anglii poddano też funkcjonowanie wiatraka analizie naukowej. Dokonał tego John Smeaton, znany badacz wydajności silników, na podstawie doświadczeń przeprowadzanych na modelach. Przeciętny wiatrak miał kilka kilowatów mocy, rzadko ponad 10 kW, choć teoretycznie osiągalne było 20 kW. Pracował przeciętnie do ok. 100 dni w roku. Około 1820 r. maszyny parowe zaczęły wypierać wiatraki z praktyki produkcyjnej, w połowie stulecia zastępując je w krajach rozwiniętych we wszystkich kluczowych dziedzinach. W Polsce w końcu XVIII w. pracowało ok. 6 tysięcy wiatraków, w połowie XIX w. stanowiły 38% urządzeń przemiałowych, w końcu tego stulecia straciły na znaczeniu (najpóźniej w zaborze rosyjskim), choć sporo ich pracowało jeszcze w pierwszej połowie XX w. Dziś są zabytkami eksponowanymi w skansenach.
W epoce nowoczesnej odżyło zainteresowanie wykorzystaniem energii wiatru do celów praktycznych. Służą do tego turbiny wiatrowe. Zaczęto ich używać w Stanach Zjednoczonych pod koniec XIX w. W pierwszej połowie XX stulecia próbowano budować eksperymentalne siłownie wiatrowe, m.in. we Francji (Darrieus, 1929 r.) i ZSRR (Jałta, 1931 r.), a w 1941 r. w Granspa’s Knob w Rutland w stanie Vermont (USA) uruchomiono elektrownię wiatrową o mocy 1250 kW.
prof. Bolesław Orłowski
Instytut Historii Nauki PAN
Wiatrak koźlak ze skansenu „Uroczysko Zaborek” k. Janowa Podlaskiego
Wiatrak koźlak ze skansenu w Białowieży
