Текст книги "Энергия и цивилизация"

4. Топливо и первичные движители доиндустриальной эпохи

Большинство людей в обществах доиндустриальной эпохи всю жизнь оставались крестьянами, и в работе они использовали методы, в некоторых случаях не менявшиеся тысячелетиями. Но непостоянные излишки продовольствия, которые удавалось получать с помощью небольшого числа простых инструментов и напряжения собственных мускулов и мускулов домашних животных, не могли поддерживать неравномерно развивающееся сложные городские общества. В физическом смысле достижения той эпохи в первую очередь отражены в знаменитых сооружениях (от пирамид древнего Египта до барочных церквей на заре нового времени), в увеличении скорости транспорта и объема транспортных потоков (от медленного движения колесного транспорта по земле до куда более быстрых кораблей, способных обогнуть планету) и в улучшении множества производственных техник, в первую очередь – прогресс в металлургии.

Первичные движители и топливо, обеспечивавшие этот процесс, оставались неизменными в течение тысячелетий, но человек постоянно искал и находил пути более продуктивного их использования. В конечном итоге некоторые способы превращения энергии стали настолько мощными и эффективными, что сделались основой первичных этапов современной индустриализации. Два главных пути вели к более высокой продуктивности и лучшей эффективности. Первый состоял в умножении малых сил и в первую очередь заключался в лучшей организации, в особенности с приложением одушевленной энергии. Второй сводился к техническим инновациям, которые предполагали новые формы конверсии энергии или увеличивали эффективность уже существующих процессов. На практике эти два подхода часто смешивались, и, например, монументальные структуры, которые возводила практически каждая культура древности, требовали труда тысяч людей. При этом строительные инструменты и механизмы прошли эволюцию от простых рычагов и насыпей до блоков, кранов и лебедок.

Различия между первыми упомянутыми в документах преобразователями механической энергии и их потомками, которые применялись в начале индустриальной эпохи, были часто весьма значительными. В ранних образцах хвостовых водяных молотов, простейших механизмов, работавших на энергии падающей воды, не использовалось даже постоянное вращательное движение; они представляли собой периодически приводимые в действие простые рычаги (рис. 4.1). Позже вертикальные водяные колеса превратили хвостовые молоты в надежных помощников в кузницах в Азии и Европе, и некоторые их образцы XIX века были впечатляющими, сложными, искусно изготовленными устройствами (рис. 4.1).

Рисунок 4.1. Текущая вода приводила в движение все три изображенных здесь молота, но они сильно отличались по сложности и эффективности. Примитивный китайский хвостовой молот начала XIV века был простым рычагом, который приводила в движение падающая вода (слева). Европейские кузнечные молоты конца XVI века двигались благодаря водяным колесам, чья вращательная мощность передавалась через присоединенные к ним стержни (справа). Хвостовые молоты в английской литейной промышленности XIX века были высокоэффективными, настраиваемыми машинами (снизу).Воспроизведено по рисункам из Needham (1965) и Reynolds (1970)

Схожим образом можно сравнить любые механизмы, опирающиеся на энергию воды или ветра. Мы можем оценить разницу между грубо сколоченным горизонтальным деревянным мельничным колесом Средневековья, чья мощность выражалась лишь в нескольких сотнях ватт (менее половины лошадиной силы), куда лучше сконструированными вертикальными машинами XVII века с мощностью в десять раз выше, и «Леди Изабеллой», крупнейшим верхнебойным колесом в Англии, изготовленным из металла и способным поставлять более 400 кВт, эквивалент мощности около 600 сильных лошадей! Или между неэффективной и тяжелой столбовой мельницей средневековой Европы, которую приходилось вручную разворачивать под ветер и терять более 80 % потенциальной энергии из-за несовершенных лопастей и механизмов, и автоматически регулируемой мельницей того же типа из Америки XIX века, с пружинными лопастями и гладкими передачами. Именно такие устройства – они часто применялись, чтобы качать воду, – помогли освоить Великие Равнины.

Контрасты не менее существенны в области использования одушевленной энергии и потребления древесного топлива. Мощная тягловая лошадь XIX века, с железными подковами и удобным хомутом, впряженная в легкий фургон с плоским дном, на дороге с хорошим покрытием могла с легкостью везти в двадцать раз больше, чем ее более слабый, неподкованный, впряженный в ярмо предок, волочивший тяжелую деревянную телегу по грязному проселку. И домна XVIII века потребляла меньше трети древесного угля на единицу полученного металла, чем требовалось ее предку из Средневековья (Smil 2016). Разве что возможности человека мало изменились с античности до начала индустриализации. Даже в тех обществах, где средний вес человеческого тела увеличился, этот выигрыш оказал крайне малое влияние на максимальное мускульное напряжение, а именно оно всегда требовалось там, где комбинировали мощность многих индивидуумов.

Чтобы передвинуть египетский обелиск в 327 тонн с того места, где его оставили римляне (Калигула поместил его на центральной линии своего цирка, к югу от нынешнего собора Святого Петра) на 269 метров к востоку, Доменико Фонтана пустил в ход огромные (до 15 метров длиной) деревянные рычаги и блоки. Чтобы поднять обелиск с древнего основания и переместить на новый фундамент, 10 сентября 1586 года он использовал 900 человек и 75 лошадей, которые тянули веревки (Fontana 1590; Hemphill 1990). Весь проект занял тринадцать месяцев, а на поднятие груза ушел один день. После более поздних знаменитых перемещений обелисков один из них стоит на площади Согласия в Париже (перемещен в 1833 году), другой – на берегу Темзы (1878 год), и третий – в Центральном парке Нью-Йорка (с 1881 года; Petroski 2011).

Когда самая тяжелая колонна в мире – 604 тонн красного финского гранита, добытого, чтобы отпраздновать победу России над вторгшимся в страну Наполеоном, – была воздвигнута в Санкт-Петербурге 30 августа 1832 года, французский архитектор Огюст Монферран использовал 2400 человек (1700 из них тянули веревки) и закончил работу за два часа (примечание 4.1). Два важных устройства, обеспечивших необходимые механические преимущества для этих двух операций и позволивших людям успешно завершить многие сложные задачи по перемещению и подъему, – это наклонные насыпи и рычаги, которые появились даже не во времена древних империй, а многими-многими веками ранее. Как иначе строители Стоунхенджа управлялись с камнями весом в 40 тонн?

Примечание 4.1. Подъем Александрийского столпа

Большой кусок красного гранита, который стал Александрийским столпом, был добыт в Виролахти в Финляндии, с помощью катков доставлен на специально построенную баржу, способную перевезти 1100 тонн. Колонна едва не упала в воду при погрузке, но ее все же доставили за 190 км к набережной Невы в Санкт-Петербурге, переместили на подложку из дерева, подняли на 10,5 метра по насыпи и установили на платформе под правильным углом к пьедесталу в центре Дворцовой площади. Леса из толстых досок, поднимавшиеся над памятником, были 47 метров в высоту, веревочные блоки свисали с пяти двойных дубовых балок. Монферран создал модель лесов в масштабе 1 к 12, чтобы плотникам было чем руководствоваться в процессе их постройки (Luknatskii 1936). Подъем сопровождали 60 вертикальных воротов, установленных на лесах в два ряда. Роль храповиков исполняли железные барабаны, закрепленные на деревянной раме, (верхние блоки свисали с деревянных балок); 522 веревки, каждая испытана на подъем 75 килограммов (в три раза больше актуальной нагрузки) были прикреплены к колонне. Общая масса монолита со всеми устройствами составила 757 тонн.

Столп подняли 30 августа 1832 года, эту задачу выполнили 1700 солдат под командованием 75 офицеров, за которыми наблюдали прорабы, координировавшие скорость движения в зависимости от натяжения веревок. Ассистенты Монферрана стояли по углам лесов в компании 100 моряков, которые следили за блоками и веревками, не давали им запутаться. 60 рабочих находились прямо на башне, а плотники, каменщики и другие мастеровые оставались в резерве. Общее количество задействованных людей превысило 2400, и подъем был завершен всего за 105 минут. Достоин упоминания тот факт, что столп встал прямо без какого-либо крепления к пьедесталу: 25,45 м высотой, слегка конический (3,6 м диаметр снизу и 3,13 м на вершине), он держится на месте исключительно благодаря массе.

В этой главе я сначала оценю виды, мощности и ограничения всех традиционных первичных движителей – мускулов человека и животных, ветра и воды – и наряду с ними потребление древесного топлива, большей частью дров и древесного угля, хотя в лишенных лесов регионах в ход шли и солома, и высушенный навоз. После этого я в деталях рассмотрю использование первичных движителей и видов топлива в важнейших сегментах традиционной экономики: приготовление пищи, получение тепла и света, наземный и водный транспорт, строительство, цветная и черная металлургия.

Первичные движители

Одушевленный труд и конверсия кинетической энергии воды и ветра (с помощью парусов и мельниц) были единственными первичными движителями в традиционных обществах до появления паровых машин. Хотя последующее выведение из оборота традиционных первичных движителей было сравнительно быстрым, важность водяных и ветряных мельниц сохранялась (и даже увеличивалась) на протяжении первой половины XIX века, парусники потеряли значение в качестве средства океанского транспорта только после 1880 года, а тягловые животные доминировали даже в наиболее развитых обществах Запада до конца Первой мировой. На ранних стадиях индустриализации резко выросла потребность в человеческом труде, начиная от по-настоящему напряженной добычи угля или производства железа и стали и заканчивая тысячами утомительных задач, и детский труд был широко распространен в Европе и США даже в начале двадцатого века. В 1900 году около 26 % мальчиков 10–15 лет работали, а в сельском хозяйстве были заняты 75 % детей, в основном девочки (Whaples 2005).

Высокие нагрузки и детский труд до сих пор никуда не исчезли в большей части сельских районов Африки к югу от Сахары, а также в беднейших районах Азии. Африканские женщины все так же таскают тяжелые вязанки хвороста, а в Индии женщины ломают камень маленькими молотками. В Индии, Пакистане и Бангладеш мужчины разбирают старые суда на горячих пляжах (Rousmaniere and Raj 2007), а в Китае крестьяне добывают уголь в небольших деревенских шахтах. Миллионы людей все еще подвергаются разным формам принуждения или находятся в прямом рабстве, служат предметом торговли (International Labour Organization 2015). Сохраняющаяся зависимость от человеческого труда (в том числе в нечеловеческих условиях) является одной из самых ярких меток, определяющих различие между богатыми и бедными странами. Однако даже на Западе тяжелый ручной труд (в подземных угольных разрезах, металлургии, лесной отрасли, рыболовстве) существовал еще в 1960-х годах, а использование одушевленных первичных движителей не только вопрос истории: это одна из тех давно установленных опор, на которых покоится наше нынешнее преуспевание.

Рассказ о первичных движителях доиндустриальной эпохи будет неполным без упоминания об изобретении (в Средние века), распространении и исторической важности пороха. Священный ужас перед громом и молнией можно обнаружить в любой древней высокой культуре. Желание превзойти разрушительную силу этих явлений можно найти во многих повествованиях и сказках (Lindsay 1975). Но тысячелетиями людям была доступна только бледная имитация: прикрепить горючий материал к головкам стрел или выстрелить чем-нибудь пылающим из катапульты. Для создания горючих веществ использовались сера, нефть, битум и негашеная известь. Но только изобретение пороха позволило скомбинировать поступательную силу с взрывчатой и воспламеняющей мощностью.

Одушевленная энергия оставалась самым важным первичным движителем большую часть истории человечества, до середины XX века. Ее ограниченность, определенная метаболическими требованиями и механическими свойствами тел людей и животных, сдерживала развитие доиндустриальных цивилизаций. Общества, получавшие энергию почти исключительно (как в случае с древней Месопотамией и Египтом, с парусными кораблями в виде единственного исключения) или большей частью от одушевленных источников, – средневековая Европа может служить отличным примером, силу ветра и воды там использовали только для решения ограниченных задач, а в сельском Китае все обстояло так еще два поколения назад, – не могли обеспечить продовольственную безопасность и материальное процветание для большинства своих членов.

Существовало только два практичных способа увеличения объема полезной одушевленной энергии: концентрировать индивидуальный вклад или использовать механические устройства для перенаправления и усиления мускульного напряжения. Первый подход быстро упирался в практические ограничения, особенно если речь шла о прямом применении человеческих мышц. Даже неограниченная трудовая сила мало поможет передвигать сравнительно маленькие, но тяжелые объекты, поскольку за них может взяться только небольшое количество людей. И пусть группа людей может нести тяжелый объект, его нужно сначала поднять, чтобы закрепить шесты или привязи, а это часто не так просто. Возможности людей в подъеме и передвижении грузов ограничены весами, значительно меньшими, чем масса их собственных тел. Традиционные паланкины, которые использовались в большинстве обществ Старого Света, носили два человека, на каждого приходилось от 25 до 40 кг, а сам груз опирался на шесты, покоившиеся на плечах носильщиков.

Разгружавшие и загружавшие корабли и телеги римские saccarii поднимали и носили (на короткие дистанции) мешки в 28 кг (Utley 1925). Более тяжелые грузы перемещали с помощью простых устройств, дававших значительное механическое преимущество: обычно применением меньшей силы для передвижения на большее расстояние. Пять таких устройств были широко распространены в древности Старого Света, Филон (в III веке до н. э.) перечислил их: колесо, ось, система блоков, клин (наклонная поверхность) и бесконечный винт. Используя эти инструменты и простые машины, люди могли развертывать меньшие силы на большие дистанции, тем самым увеличивая размах своих действий (примечание 4.2). Три простейших средства получения механических преимуществ – рычаги, наклонные поверхности и блоки – использовались практически во всех старых культурах (Lacey 1935; Usher 1954; Needham 1965; Burstall 1968; Cotterell and Kamminga 1990; Wei 2012).

Рычаги представляли собой жесткие, тонкие куски дерева или металла, по мере поворота вокруг точки опоры они обеспечивали выигрыш в силе, который легко определить как коэффициент плеч рычага (рабочего и грузового). Оба измеряются от точки опоры, и чем выше величина, тем легче и быстрее решается задача. Использование рычагов в античности варьировалось от приведения в движение весельных кораблей до перемещения тяжелых грузов (рис. 4.2). Рычаги классифицируют по точке приложения силы (рис. 4.2). Первый класс рычагов, где точка опоры находится между грузом и приложенной силой, действует в противоположном направлении от давления груза. Точка опоры рычагов второго класса расположена на одном из концов, а сила действует в том же направлении, куда давит груз. Рычаги третьего класса не дают выигрыша в силе, но увеличивают скорость груза, что очевидно из того, как работают катапульты, мотыги и косы.

Примечание 4.2. Работа, сила и расстояние

Работа происходит, когда сила – не имеет значения, обеспеченная одушевленными или неодушевленными первичными движителями, – меняет состояние движения некоего тела. Величина работы равняется производной от приложенной силы и перемещения тела в направлении, в котором сила действует. В формальныхтерминахсила в один ньютон и перемещение на один метр требуют энергии в один джоуль (Дж а Нм). Просто чтобы ощутить порядок величин: подъем книги в 1 кг со стола (0,7 м над полом) и помещение ее на полку (1,6 м над полом) требует работы почти в 9 Дж. Подъем среднего камня пирамиды Хуфу (около 2,5 т) на один ряд выше (около 75 см) требовал около 18 тысяч джоулей (18 кДж), или в 2000 раз больше энергии, чем перемещение книги.

Естественно, то же самое количество работы может быть выполнено приложением более мощной силы на меньшем расстоянии или меньшей силы на большем расстоянии: любое устройство, которое превращает малое вложение силы в большую отдачу силы, обеспечивает выигрыш, чья величина измеряется как бесконечно малое соотношение двух сил. Этот выигрыш в силе эксплуатировали с доисторических времен, используя рычаги и наклонные поверхности, а позже и блоки. Существует бесчисленное множество примеров подобных действий в повседневной жизни, от открывания замка ключом (ряд клиньев, то есть наклонных поверхностей, двигает стержень в замке) до выдергивания гвоздя гвоздодером (рычаг).

Обычные ручные инструменты, где применяются рычаги первого класса – монтировка, ножницы и (двойной рычаг) клещи. Чаще всего используемые рычаги второго класса – это ручные тележки (Needham 1965; Lewis 1994). Китайские тележки, применяемые со времен династии Хань, как правило имели большое (90 см в диаметре) центральное колесо, вставленное в деревянную раму. С грузом прямо над осью они могли везти немало (обычно 150 кг); подобные устройства использовались крестьянами, чтобы доставить продукты на рынки, а иногда для транспортировки людей, садившихся по бокам (Hommel 1937). Чтобы облегчить движение, поднимали маленькие паруса. Европейские тачки впервые надежно прослеживаются по документам в высоком Средневековье (конец XII – начало XIII веков), и впоследствии они использовались большей частью в Англии и Франции, обычно при строительстве и в горном деле. Их точка опоры была в конце, что требовало большего напряжения от толкающего человека, но они все же обеспечивали значительный (обычно в три раза) выигрыш в силе.

Рисунок 4.2. Три класса рычагов различаются по точке, в которой прилагается сила, по отношению к объекту (чей вес W всегда действует вниз) и по точке опоры (F). В рычагах первого класса сила действует в направлении, противоположном весу объекта. В рычагах второго класса сила оказывает воздействие в том же направлении, что и объект, но оба рычага дают одно и то же преимущество: выигрыш мощности за счет расстояния. В рычагах третьего класса сила действует на более короткое расстояние, чем объект, результатом чего является выигрыш в скорости. Первые два класса рычагов имеют бесчисленное множество способов приложения в подъеме и перемещении объектов, а также в создании механизмов. Фрагмент частично реконструированного ассирийского барельефа из Ниневии (около 700 лет до н. э.) показывает большой рычаг, который используют, чтобы перемещать огромную статую крылатого быка с человеческой головой. Репродукция из Layard (1853)

Колесо и ось формируют циркулярный рычаг, у которого длинное плечо – расстояние между осью и внешним краем колеса, а короткое – радиус оси, что дает большой выигрыш в силе, даже при тяжелых колесах и неровной поверхности. Первые колеса (использовались в Месопотамии ранее 3000 лет до н. э.) были из сплошного дерева, колеса со спицами появились тысячелетием позже, сначала на колесницах, а трение было снижено благодаря железному ободу. Огромная важность колеса для Старого Света может быть проиллюстрирована невероятной скоростью распространения колесных устройств, их количеством и разнообразием. Любопытно, что цивилизации Америки не изобрели колеса, а в пустынных районах многих мусульманских стран вьючные верблюды оказались более удобным транспортом, чем запряженные быками телеги (Bulliet 1975, 2016).

Если пренебречь трением, то выигрыш в силе при использовании наклонной поверхности равняется соотношению длины поверхности и высоты, на которую поднимается объект. Трение может значительно снизить эту величину, и именно поэтому для высокой эффективности требовались гладкие поверхности и смазка (вода оказалась самым простым и дешевым вариантом). Согласно Геродоту, насыпи были главным средством, с помощью которого тяжелые камни с берега Нила доставляли к месту строительства великих пирамид, и последовало множество спекуляций по поводу того, как использовали эти насыпи во время сооружения усыпальниц (позже в этой главе я объясню, почему мы должны забраковать некоторые варианты). Самый распространенный сегодня вид таких поверхностей – рампы, от металлических, предназначенных для загрузки самолетов и кораблей, до мягких надувных, чья задача – выгрузить пассажиров из того же самолета в случае экстремальной ситуации.

Клинья – это двойные наклонные поверхности, распространяющие большие боковые силы на малые расстояния. Их использовали повсеместно для раскалывания камней, когда куски дерева вбивали в трещины и затем смачивали, или как режущие поверхности тесаков и секир. Винты, впервые примененные в прессах для давки оливок и винограда в античной Греции, – циркулярные наклонные поверхности, обернутые вокруг цилиндра. Как отмечалось в предыдущей главе, винты также использовались для подъема воды на небольшую высоту. Их значительный выигрыш в силе означает, что работники способны обеспечить высокое давление при минимальном усилии. Во многих вариантах винты (производимые сейчас массово и обычно затягиваемые поворотом по часовой стрелке) используются в качестве постоянных креплений.

Простой шкив или блок, состоящий из колеса с желобчатым ободом, на который намотана веревка или канат, был изобретен в VIII веке до н. э. и значительно облегчил обращение с грузами. Он перенаправляет силу, но при этом не обеспечивает выигрыша в ней, и его использование может привести к случайному падению груза. Храповик и защелка помогли решить последнюю проблему, а применение нескольких блоков дало шанс справиться с первым недостатком, поскольку сила, требующаяся для подъема объекта, почти в точности обратно пропорциональна количеству блоков (рис. 4.3). Mechanica, труд, приписанный Аристотелю, но сочиненный не им (Winter 2007), показывает ясное понимание выигрыша в силе при использовании такого устройства.

Рисунок 4.3. Силы равновесия в блоках определяются числом тросов. Нет никакого выигрыша в силе в случае А. В случае В вес 3 распределен на два параллельных троса, и поэтому на свободный конец необходимо поместить только Р/2, чтобы восстановить равновесие, в случае С Р/6, и так далее. Работник; перемещающий строительные материалы с помощью ступенчатого шкива, похожего на архимедов (D), может поднять (игнорируя трение) камень в 200 кг с силой в 25 кг, но подъем на 10 метров потребует вытянуть 80 метров троса. Храповик и защелку можно использовать, чтобы не тянуть непрерывно

Китайцы в древности настолько часто пользовались блоками, что даже дворцовые представления не обходились без них, и однажды целый кордебалет из 220 девушек в лодках был вытянут по склону из озера (Needham 1965). Но определенно самым известным античным свидетельством эффективности ступенчатого шкива стала демонстрация Архимеда перед царем Гиероном, отраженная в «Жизнеописаниях» Плутарха. Когда Архимед «заявил, что если бы существовал другой мир и он мог попасть туда, то мог бы подвинуть этот», Гиерон попросил его продемонстрировать должным образом это утверждение.

«Архимед остановился на трехмачтовом торговом корабле из царского флота, который вытащили на берег благодаря усилиям многих людей, и после того, как корабль взял на борт множество пассажиров и обычный груз, Архимед расположился на расстоянии от него и без каких-либо усилий, но простым движением руки привел в движение ступенчатый шкив, и корабль двинулся к нему быстро и ровно, как если бы шел по воде» (Plutarch 1961, iv: 78–79).

Три класса механических устройств – лебедки и капстаны, ступальные колеса и зубчатые передачи – стали наиболее важными элементами приложения человеческой силы, необходимыми для подъема, дробления, разбивания и трамбования (Ramelli 1976 [1588]). Лебедки обычно использовали не только для подъема воды и строительных материалов (с помощью кранов), но также для того, чтобы заряжать самое разрушительное стационарное оружие древности, большие катапульты, которые применяли при осаде городов и крепостей (Soedel and Foley 1979). При использовании горизонтальных лебедок, на которые для удобства хватки ставили четыре рукоятки (рис. 4.4., слева) и вертикальных капстанов (рис. 4.5), энергия вращательного движения передавалась с помощью веревок или цепей. Коленчатые рычаги, впервые появившиеся в Китае во II веке н. э., а в Европе на несколько столетий позже (рис. 4.4., справа), еще больше облегчили эту задачу, за исключением того, что скорость ручного (или ножного) привода должна была соответствовать скорости приводимой в движение машины (часто – токарного станка).

Рисунок 4.4. Шахтеры использовали как горизонтальные лебедки (слева), так и коленчатые рычаги (справа), чтобы откачивать воду из шахты. Тяжелое деревянное колесо, иногда с кусками свинца на спицах, помогало трансформировать импульс и облегчало задачу. Воспроизведено из Agricola «De re metallica» (1912 [1556])

Рисунок 4.5. Восемь человек вращают большой вертикальный капстан на французской мануфактуре середины XVIII века. На капстан накручивается веревка, прикрепленная к пинцету, а тот протаскивает золотой провод через волочильную машину. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Это ограничение было преодолено только с помощью коленчатого рычага, способного двигать большое деревянное или железное колесо (барабанное колесо), которое независимым образом монтировалось на тяжелом валу, а его движение уже передавалось на станок с помощью ремня. Это позволило применять различные скорости вращения, а импульс большого колеса помогал держать темп, даже когда случались флюктуации в приложении мускульной энергии. Данная средневековая инновация сделала возможной аккуратную обработку деревянных и металлических деталей, которые использовались для создания большого числа точных механизмов, от часов до первых паровых двигателей, но она не устранила потребности в тяжелой работе при резке металла (рис. 4.6). Работники Джорджа Стефенсона, который применял барабанное колесо, чтобы изготовить детали первого парового локомотива, должны были отдыхать каждые пять минут (Burstall 1968).

Рисунок 4.6. Барабанное колесо, приводимое в движение рычагом, использовалось для металлообрабатывающего станка. Меньшее колесо применяли для работы с большими диаметрами, и наоборот. На заднем плане мужчина работает на деревообрабатывающем станке с ножным приводом. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Использование сильнейших мышц человеческого тела (спины и ног) на ступальных колесах позволяло добиться большей мощности, чем на устройствах с ручным приводом. Крупнейшие ступальные колеса (их тоже иногда называли барабанными колесами) были двойными, и их ободы, соединенные обшивкой, создавали поверхность, на которую и вступали люди. Барельеф из римской гробницы Хатери (100 год н. э.) – самое раннее из дошедших до нашего времени изображений ступального колеса (по-гречески polyspaston). Римские колеса могли поднимать до 6 тонн; такие большие машины стали обычным зрелищем в Европе Средневековья и начала Нового времени там, где велось крупное строительство, а также в доках или на шахтах, где их применяли для откачивания воды (рис. 4.7).

Рисунок 4.7. Части ступальных колес с разным крутящим моментом: внутреннее ступальное колесо (слева), внешнее ступальное колесо (максимальный крутящий момент) (справа), наклонное ступальное колесо (снизу). Воспроизведено из Agricola «De re metallica» (1912 [1556])

Разница между радиусом колеса и радиусом оси барабана давала этим колесам основательный выигрыш в силе, и они могли поднимать большие блоки камня, бревна или колокола на вершину кафедральных соборов и других высоких зданий. В 1563 году Питер Брейгель-старший изобразил подобный кран, поднимающий камень на второй уровень его воображаемой Вавилонской башни (Parrott 1955; Klein 1978). Его устройство, со ступальными колесами на обеих сторонах, приводилось в движение шестью – восемью людьми. Вертикальные наружные колеса были менее распространены, но они давали максимальный крутящий момент, когда люди шагали на одном уровне с осью (рис. 4.7). Существовали также наклонные ступальные колеса, где работникам приходилось держаться за перемычку, а в английских тюрьмах в начале XVIII века распространились ступальные мельницы (примечание 4.3, рис. 4.8).

Все разновидности ступальных колес могли быть перестроены так, чтобы использовать не людей, а животных. Все барабановидные устройства имели дополнительное преимущество в виде высокой мобильности: их можно было перемещать, просто перекатывая по сравнительно гладкой поверхности. До появления паровых железнодорожных кранов они оставались единственным практичным оборудованием для подъема тяжелых предметов. Максимальная мощность ступальных колес была ограничена их размером и особенностями структуры. С единственным работником она не превышала 150–200 Вт в короткие периоды напряженных усилий и 50–80 Вт при постоянном напряжении; крупнейшие колеса, приводимые в движение восемью людьми, могли в краткие периоды выдавать до 1500 Вт.

Примечание 4.3. Работа на ступальной мельнице

Крупнейшие ступальные устройства XIX века в Англии находились в тюрьмах, где Уильям Кабитт (1785–1861) ввел их в качестве меры наказания, но вскоре они были перепроектированы, чтобы молоть зерно и качать воду, а иногда использовались просто для упражнений (Mayhewand Binney 1862). Эти длинные, защищенные навесом ступальные мельницы имели деревянные уступы вокруг цилиндрической железной рамы, и на них могло одновременно взгромоздиться до 40 заключенных, выстроенных в ряд, держащихся за перила, чтобы не упасть, и побуждаемых делать шаг одновременно. Использование подобных устройств было прекращено только в 1898 году.

В 1823 году начальник тюрьмы в Девоне в ответ на запрос писал: «Я рассматриваю труд на мельнице не как вредный, а как ведущий к укреплению здоровья заключенных» (Hippisley 1823, 127). Миллионы современных энтузиастов ступальных мельниц могли бы согласиться, и один из исследователей заметил (Landels 1980, 11–12), что мы не можем говорить или даже думать об этих механизмах без эмоций, и подчеркнул, что хорошо сконструированная ступальная мельница была не только высокоэффективным механическим устройством, но также обеспечивала комфорт оператору «в той степени, в которой любой постоянный, монотонный физический труд может быть комфортным».

На краю спектра усилий были задачи, выполняемые одним человеком с помощью коленчатых рычагов, педалей, ножных приводов и винтов. Эти механизмы, приводимые в движение руками или ногами, варьировались от маленьких деревообрабатывающих станков и печатных прессов до швейных машинок, чьи первые модели появились на рынке в 1830-х годах, но широкое распространение (как ручные, так и с ножным приводом) получили в 1850-х (Godfrey 1982). В тот же самый период большое количество юношей и мужчин, используя шкивы, приводили в движение punkha (pangha на хинди), потолочные вентиляторы из ткани или пальмовых листьев, единственное средство сделать жару в Индии более приемлемой для тех, кто в состоянии платить punkhawallah – тому, кто вращает вентилятор с помощью блока.