Первичные движители

Назад: 4. Топливо и первичные движители доиндустриальной эпохи

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 мощность

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.

Вопрос, как много полезной работы мог сделать человек за день, оставался без ответа долгое время, а сравнение эффективности человека и лошади давало значения от 2,5 до 14 человек на одну лошадиную силу (Ferguson 1971). Определение лошадиной силы, данное Уаттом – 33 000 фунто-футов за минуту, или 745,7 Вт (Dickinson 1939), – подразумевало эквивалент семи работников. Первые надежные измерения были проведены Гийомом Амонтоном (1663–1705), который сравнил работу полировщиков стекла на протяжении 10-часовой смены с постоянным подъемом веса в 25 фунтов со скоростью 3 фут/с (Amonton 1699). В современных научных единицах измерения это общая полезная работа в 3,66 МДж со скоростью 102 Дж.

Рисунок 4.8. Заключенные на ступальной мельнице в брикстонском исправительном доме (Corbis)

Насколько мощны люди как первичные движители и насколько эффективны? Ответ на первый вопрос был получен задолго до начала систематических исследований в области энергии в XIX веке. Ранние оценки варьируются: труд одной лошади приравнивают к труду от двух человек до четырнадцати (Ferguson 1971). До 1800 года данные сходились к корректному максимуму в 70-150 Вт для большинства взрослых, работающих без перерыва много часов. При постоянном труде при 75 Вт требовалось десять человек, чтобы выдать мощность одной стандартной лошади.

В 1798 году Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) провел более систематическое исследование способов, какими люди используют собственную силу в повседневной работе (Coulomb 1799). Его набор примеров варьировался от подъема на Тенерифе (2923 м) на Канарских островах за менее чем 8 часов до дневной работы носильщика дерева, поднявшегося 66 раз в день на 12 метров с ношей в 68 кг. Первая задача потребовала общей работы в 2 МДж и мощности в 75 Вт, вторая – около 1,1 МДж и мощности в 120 Вт. Все последующие расчеты только подтвердили диапазон мощности, определенный Кулоном: большинство взрослых мужчин могут выполнять полезную работу при 75-120 Вт (Smil 2008а). В начале XX века, после исследования интенсивности обмена веществ (ИОВ), проведенного Френсисом Бенедиктом (1870–1957) в институте Карнеги (Бостон), были сформулированы уравнения ожидаемых энергетических затрат и установлены типичные множители ИОВ для разных уровней физической активности (Harris and Benedict 1919), валидные для широкого спектра типов телосложения и разных возрастов (Frankenfield, Muth and Rowe 1998).

Как уже упоминалось, сравнение эффективности работы людей и животных принесло очень разные результаты. Один из исследователей (Nicholson 1825, 55) сделал вывод: «худший способ использовать силу лошади – заставить ее нести или тащить что-то в гору; если склон окажется крутым, то три человека сделают больше, чем лошадь…С другой стороны, при движении по горизонтали… человек… не может сделать более одной седьмой от того, на что способна лошадь». Использование животных не всегда выглядело практичным. Как отмечал тот же Кулон (Coulomb 1799), чтобы работать, людям нужно меньше места, чем животным, их легче перевозить, их усилия проще комбинировать.

Эффективность маленьких, часто недокормленных лошадей античности и раннего Средневековья была куда ближе к человеческой, чем у мощных тягловых животных XIX века. Лошадям часто закрывали глаза (или вообще ослепляли) и привязывали животных прямо к балкам, которые крепились к центральной оси, чье вращение использовалось для работы (обмолот зерна, замешивание глины для кирпичей, извлечение масла из семян, сока из тростника и фруктов) или для наматывания веревки, привязанной к грузу (подъем воды, угля, руды или людей из шахты). В некоторых случаях животные вращали вороты, прикрепленные к механизмам, чтобы увеличивался выигрыш в силе.

Эти лошади, страдавшие от недоедания и плохого обращения, должны были часами ходить по маленькому кругу. Свидетельства подобного нам оставил Апулей в «Золотом осле» (II век н. э., отрывок приведен в переводе М. Кузмина):

Что же я скажу, какими красками опишу моих сотоварищей по стойлам?

Что за старые мулы, что за разбитые клячи! Столпившись вокруг яслей и засунув туда морды, они пережевывали кучи мякины; шеи, покрытые гнойными болячками, были раздуты, дряблые ноздри расширены от постоянных приступов кашля, груди изранены от постоянного трения лямки из альфы, непрерывные удары бича по бокам обнажили ребра, копыта безобразно расплющены вечным кружением по одной и той же дороге, а вся их иссохшая шкура покрыта застарелой коростой. Испуганный зловещим примером такой компании, вспомнил я былую судьбу Луция и, дойдя до границ отчаяния, поник головой и загрустил.

Подобное использование лошадей продолжалось до XIX столетия: к 1870 году они приводили в движение тысячи лебедок в штатах Аппалачских гор и на всем юге США, и на фермах (обмолот зерна, выжимание масла, сдавливание тюков хлопка), и в шахтах – для откачивания воды и подъема грузов из-под земли (Hunter and Bryant 1991). Они ходили по кругу часто меньше чем 6 метров в диаметре (рис. 1.3; 8-10 метров было бы куда комфортнее), до появления электрических трамваев в городах Запада было много лошадей, запряженных в омнибусы и телеги (примечание 4.4., рис. 4.18).

Примечание 4.4. Тягловые лошади в городском транспорте

Тягловые лошади использовались в городах для доставки пищи, топлива и материалов (они тянули телеги разного размера) и в качестве средства личного транспорта (тянули наемные экипажи, с 1834 года их улучшенную версию, кэбы, запатентованные Джозефом Хэнсомом (1803–1882) и именовавшиеся «хэнсомами»). Но по мере того, как города Запада росли, увеличивалась необходимость в более эффективном городском транспорте, и были придуманы движимые лошадьми омнибусы. Их использование началось в 1828 году в Париже, годом позже они появились в Лондоне, а в 1833-м – в Нью-Йорке, а затем и в большинстве крупных городов востока США (McShane and Tarr 2007). В Нью-Йорке их число достигло пика в 683 экипажа в 1853 году.

Конки (трамвай, в который впряжены лошади) сделали городской транспорт более эффективным, они широко использовались до того, как в 1880-х годах их начали заменять электрическими трамваями. Легкие омнибусы (всего лишь с дюжиной пассажиров) приводили в движение две лошади, но вариант с четырьмя животными был более распространенным, экипажи с вместимостью в 28 человек часто оказывались переполненными. Отправлялись они раз в час, и многие линии достигали вокзалов в пригородах на расстоянии в 8-10 км от центра примерно за час. Тяжело работающих лошадей нужно было хорошо кормить, и собранные данные (McShane and Tarr 2007) показывают, что типичный дневной рацион на одно животное состоял из 5–8 кг овса и сравнимой массы сена. Обеспечение городских лошадей фуражом было важной задачей во всех больших городах XIX века.

Использование лошадей в транспорте и строительном деле было ограничено теми же факторами, что и их применение в качестве тягловой силы в земледелии. Ни достаточное количество пастбищ, ни необходимые объемы зерна не были доступны в странах сухого Средиземноморья или на густонаселенных равнинах Азии, а плохая упряжь приводила к большим потерям энергии. В пустынных регионах Евразии куда менее требовательные верблюды выполняли многие задачи, которые в Атлантической Европе приходились на долю лошадей и волов, но в Азии одомашненные слоны (использовались при добыче древесины, при строительстве и в военном деле) также требовали большого количества корма (Schmidt 1996). Классические индийские тексты превозносят эффективность слонов, но также описывают, что только что пойманного слона нужно кормить дорогой пищей – вареным рисом и бананами, смешанными с молоком и сахарным тростником (Choudhury 1976). Если животное оставалось здоровым после обучения, то подобные высокие затраты энергии возвращались благодаря его силе и замечательному долголетию.

Животные, которые использовались в транспорте и на разных работах, варьировались от маленьких ослов до громадных слонов, а в некоторых местах собаки вращали вертела над огнем или тянули небольшие тележки. Но ничего удивительного, что благодаря умеренным потребностям в питании крупный рогатый скот – волы, буйволы и яки – стал самым популярным видом рабочих животных. Яки были бесценными в качестве вьючных животных не только из-за невероятной силы, но из-за способности жить на большой высоте и в снегу. Типичная эффективность жвачных в транспорте была в лучшем случае умеренной. Короткое время на хороших дорогах они могли тащить груз в три-четыре раза больше веса собственного тела, но при постоянной работе обеспечивали не более 300 Вт. Старые и больные лошади, которые часто использовались, чтобы вращать лебедку или балку, прикрепленную к центральной оси, на небольших производствах, не могли дать много больше, и до появления паровых машин многие из них были заменены куда более мощными водяными колесами и ветряными мельницами.

Мощность воды

Антипатр из Фессалоник, писавший в I столетии до н. э., оставил первое литературное упоминание простой водяной мельницы, избавившей крестьян от тяжелой работы по ручному обмолоту зерна (переведено на английский в Brunck 1776,119):

«Не возлагай рук своих на мельницу, о женщина, вращающая жернов! Спи крепко, несмотря на то что гребень петуха возвещает рассвет, ведь Церера отдала нимфам труд, который занимал руки твои. Они, устремляясь с вершины колеса, заставляют вращаться его ось, и та с помощью движущихся спиц приводит в действие все четыре жернова. Мы заново ощущаем вкус жизни первых людей, поскольку мы научились радоваться без устали дарам Цереры».

А использование ветра, с одним заметным исключением в виде античных кораблей, началось даже позже. Отчет Аль-Масуди, датированный 947 годом, – одно из первых надежных упоминаний о простой вертикальной ветряной мельнице (Forbes 1965; Harverson 1991). Текст его повествует о Сеистане (в современном восточном Иране) как о земле ветров и песка, где ветер приводит в движение мельницы и поднимает воду из ручьев для полива садов. Мало изменившиеся потомки тех первых мельниц – со сплетенными из тростника лопастями позади узкого отверстия в высоких стенах из грязи, ускоряющих ветряной поток – можно было видеть в регионе вплоть до XX столетия. Оба вида машин очень быстро распространились по средневековому миру, но водяные мельницы использовались много больше.

Их изобилие было отмечено в «Книге Судного дня» в 1086 году, когда в южной и восточной Англии насчитали 5624 мельницы, или одну на 350 человек (Holt 1988). Первые горизонтальные водяные мельницы часто упоминаются как греческие или норвежские колеса, но точное их происхождение неизвестно. Они стали привычными во многих районах Европы и повсюду к востоку от Сирии. Напор текущей воды, обычно направленной с помощью наклонного деревянного желоба на деревянные лопатки, часто прикрепленные к втулке под углом, вращал тяжелый стержень, который мог быть присоединен непосредственно к жернову наверху (рис. 4.9). Этот простой и сравнительно неэффективный вариант лучше всего подходил для небольших мельниц. Поздние конструкции, где вода направлялась через деревянный желоб с конусной расточкой (Wulff 1966), имели эффективность около 50 % и максимальную мощность выше 3,5 кВт.

Рисунок 4.9. Горизонтальная водяная мельница, также называемая греческим или норвежским колесом. Колесо приводится в движение напором бегущей воды и непосредственно вращает верхний камень жернова

Вертикальные колеса вытеснили горизонтальные машины из-за более высокой эффективности. Они приводили в движение жернова с помощью ортогональной зубчатой передачи, в западной литературе они стали известны как витрувианские мельницы по имени римского архитектора, давшего первое подробное описание hydraletae в 27 году до н. э. Но существует мнение (Lewis 1997), что водяные мельницы появились в 1-й половине III столетия до н. э., вероятнее всего, в Александрии Птолемеев, и что к I веку н. э. они использовались повсеместно. В любом случае, по причине их широкого распространения и долгого использования мы имеем большое количество литературы, посвященной их истории, устройству, конструкции и особенностям использования (Bresse 1876; Muller 1939; Moritz 1958; Forbes 1965; Hindle 1975; Meyer 1975; White 1978; Reynolds 1983; Wolfel 1987; Walton 2006; Denny 2007).

Но, несмотря на это, невозможно надежно оценить вклад водяных мельниц в общее потребление первичной энергии античными и средневековыми обществами. Некоторые исследования (Wikander 1983) показали, что водяные мельницы были куда более распространены в римскую эпоху, чем обычно предполагают. Найдено только 20 мест, где находились водяные мельницы в раннее Средневековье, хотя «Книга Судного дня» (1086) перечисляет более 6500 таких мест (Holt 1988). Но мои оценки показывают, что даже с очень либеральными допущениями относительно мощности и распространения водяных мельниц в Римской империи вода вносила только 1 % в объем механической энергии, поставляемой людьми и тягловыми животными (Smil 2010с).

Вертикальные водяные мельницы классифицируют в соответствии с точкой соприкосновения воды и колеса. Нижнебойные колеса вращались благодаря кинетической энергии движущейся воды (рис. 4.10). Они работали хорошо при медленном постоянном потоке, но размещение на быстром течении было особенно желательно по причине того, что максимум теоретической мощности нижнебойного колеса пропорционален кубу скорости воды: удваивание скорости увеличивает мощность в восемь раз (примечание 4.5). Когда для мельниц начали сооружать пруды, нижнебойные колеса использовали только с небольшим перепадом воды: от 1,5 до 3 метров. Радиальные лопасти позже снабдили спинками, чтобы вода не выплескивалась по ходу движения.

Примечание 4.5. Мощность нижнебойных колес

Кинетическая энергия текущей воды (в джоулях) равняется 0,5pv², то есть половина от произведения ее плотности (р = 1000 кг/м³) на квадрат ее скорости (v в м/с). Количество единиц объема воды, толкающих лопатки колеса, в единицу времени равняется скорости потока, и отсюда теоретическая мощность потока равняется его энергии, умноженной на скорость. Вода, текущая со скоростью 1,5 м/с и вращающая крылья с поперечным сечением около 0,15 м² (грубо, 50 на 50 см), может в идеале выдать только лишь 400 Вт мощности. Но неэффективные нижнебойные колеса Средневековья могли на самом деле перевести не более пятой части этого значения, или около 80 Вт, в полезное вращательное движение.

Рисунок 4.10. Гравюра, на которой изображено большое нижнебойное колесо на французской королевской бумажной фабрике (сверху) и верхнебойное колесо, приводящее в движение машины для промывки руды во французской кузнице (снизу). Воспроизведено из Encyclopedie (Дидро и д'Аламбер, 1769–1772)

Эффективность нижнебойных колес могла быть увеличена с помощью расположенного по центру под нижним изгибом колеса плотно прилегающего желоба, который позволил бы усилить давление на лопасти. Наиболее эффективный вариант, предложенный в начале XIX века Жаном-Виктором Понселе (1788–1867), имел изогнутые лопасти и мог превращать около 20 % кинетической энергии воды в полезную мощность; позже в том же веке лучшие показатели эффективности достигли 35–45 %. Диаметр колес был, грубо, в три раза больше, чем перепад воды, для лопаточных колес, и в два-четыре раза больше для колес Понселе.

Среднебойные колеса приводились в движение комбинацией напора воды и гравитации в потоках, перепад в которых был 2–5 м. Хорошо сделанный желоб, предотвращавший преждевременный сброс воды, существенно повышал конечную эффективность. Конструкция с низко расположенным желобом, где вода выливалась ниже центра колеса, имела эффективность не выше, чем у хорошего нижнебойного колеса. Высоко расположенный желоб, где вода лилась на лопасти выше центра колеса, позволял достигнуть эффективности верхнебойных колес. Традиционные верх-небойные колеса, приводимые в движение в основном потенциальной гравитационной энергией, работали с перепадом воды более 3 м, и их диаметр обычно равнялся примерно трем четвертям перепада (рис. 4.10). Воду вели по желобам или трубам в подобные ведрам отделения со скоростью от менее 100 литров/секунду до более 1000 л/с, и колесо вращалось со скоростью 4-12 оборотов в минуту. Поскольку большая часть вращательной мощности генерировалась весом опускающейся воды, верх-небойные колеса можно было размещать на медленном течении (примечание 4.6).

Примечание 4.6. Мощность верхнебойных колес

Потенциальная энергия воды (в джоулях) равняется mgh, произведению ее массы (в кг), гравитационного ускорения (9,8 м/с²) и перепада (высота в метрах). Следовательно, ведро верхнебойного колеса, содержащее 0,2 м³ воды (200 кг), поднятое на 3 м над точкой выливания, имеет потенциальную энергию примерно в 6 кДж. Приняв скорость течения за 400 кг/с, мы определим, что колесо может иметь теоретическую мощность около 12 кВт. Полезная механическая мощность такой машины может варьироваться от менее 4 кВт для тяжелого деревянного колеса до более 9 кВт для искусно изготовленного и тщательно смазанного металлического колеса XIX века.

Это преимущество частично отменяло потребность в хорошо направленном и тщательно регулируемом потоке воды, а значит, не нужно было сооружать пруды и подводящие каналы. Верхнебойные колеса, работавшие с избыточной допустимой нагрузкой, то есть со сниженной потерей воды из ведер, могли быть более эффективными, хотя и менее мощными, чем машины под полным напором. До первых десятилетий XVIII века верхнебойные колеса считались менее эффективными, чем нижнебойные (Reynolds 1979). Ошибку раскрыли только в 1750-х годах благодаря работам Антуана Депарсье и Иоганна Альбрехта Эйлера, но в первую очередь – точным экспериментам с моделями мельниц Джона Смитона (1724–1792), который сравнивал мощность водяных мельниц с мощностью других первичных движителей (Smeaton 1759).

Его дальнейшая пропаганда более эффективных верхнебойных колес несколько замедлила распространение паровых двигателей, а эксперименты Смитона (с помощью которых он рассчитал, что мощность колеса пропорциональна кубу скорости течения) определили планку эффективности для верхнебойных колес в 52–76 % (среднее 66 %) по сравнению с 32 % для лучших нижнебойных (Smeaton 1759). Современный теоретический анализ эффективности водяных мельниц (Denny 2004) дал очень похожие результаты: 71 % для верхнебойных колес, 30 % для нижнебойных и около 50 % для устройств Понселе. Качественно сконструированное и находящееся в хорошем состоянии верхнебойное колесо XX века имело потенциал эффективности в 90 % и могло превратить до 85 % кинетической энергии в полезную работу (Muller and Kauppert 2004), но реально достижимый уровень составлял 60–70 %; лучшие немецкие цельнометаллические колеса, разработанные и изготовленные в 1930-х годах, достигали эффективности в 76 % (Muller 1939).

Нижнебойные колеса можно было разместить прямо в потоке, но при этом увеличивалась вероятность поломок. Среднебойные и верхнебойные колеса требовали регулируемой подачи воды, и обычно ее организовывали с помощью дамбы, перегораживающей часть потока и канала, подводящего воду к колесу. В районах с низкими или нерегулярными осадками обычно создавали пруды, используя для этого плотины. Ничуть не меньше внимания приходилось уделять вопросу, как вернуть воду в поток: движущаяся обратно вода препятствовала бы вращению колеса. А кроме того, выложенные плиткой отводные каналы требовались, чтобы предотвратить заиливание. Даже в Англии колеса, валы и передачи до начала XVIII века делались из дерева. Позже для втулок и валов все чаще стали использовать чугун. Первое цельнометаллическое колесо было создано в начале XIX столетия (Crossely 1990). Помимо стационарных колес существовали куда менее распространенные плавающие колеса, установленные на баржах, и приливные мельницы. Плавающие мельницы для зерна успешно использовали первый раз на Тибре в 537 году, когда Рим осаждали готы, перерезавшие акведук, питавший городские мельницы.

Они были обычным зрелищем в городах средневековой Европы, и многие сохранились до XVIII века. Использование прерывистой мощности моря впервые отмечено в документах в Басре в X веке. На протяжении Средних веков маленькие приливные мельницы строили в Англии, Нидерландах, Бретани и на Атлантическом побережье Иберийского полуострова; позже они появились в Северной Америке и на Карибах (Minchinton and Meigs 1980). Возможно, самой важной и дольше всего работавшей машиной на приливной энергии была та, что поставляла питьевую воду в Лондон. Первые большие вертикальные приливные колеса, установленные после 1588 года, уничтожил пожар в 1666-м, но их преемники работали до 1822 года (Jenkins 1936). Три колеса, приводимых в движение водой, проходившей через сужающиеся арки старого Лондонского моста, вращались в любом направлении (другие обычно работали только в прилив) и давали энергию 52 водяным помпам, поднимавшим 600 тысяч литров воды на высоту в 36 метров.

Но главной сферой, где применялась энергия воды, оставался обмолот зерна: в средневековой Англии на него приходилось около 90 % всей мельничной работы, большая часть от оставшегося шла на раскатывание сукна (распушение и утончение шерсти), и только 1 % – на прочие производственные нужды (Lucas 2005). Позднее в Средневековье стали широко применять водяную энергию в дроблении руды и ее плавке (меха в домнах), в распиле дерева и камня, выдавливании масла, изготовлении бумаги и проволоки, дублении, штамповке, резке, шлифовке металла, в черной металлургии и обработке керамики. Английские водяные мельницы также использовались для вентиляции и откачки воды в шахтах (Woodall 1982; Clavering 1995).

Все эти задачи выполнялись с помощью водяных колес, чья эффективность была выше, чем у людей или животных, а следовательно, и трудовая продуктивность оказывалась лучше. Более того, не имевшая прецедентов мощность, постоянство и надежность поставляемой энергии открывали новые производственные возможности. Особенно широкими они оказались в горном деле и металлургии. Несомненно, энергетические основания западной индустриализации покоятся в значительной степени именно на таком использовании водяных мельниц. Мускулы людей и животных никогда не могли выдавать энергию такой концентрации, так постоянно и надежно, как было необходимо для решения бесконечного числа задач в разных отраслях промышленности. Хотя для обычных мельниц требовалось долгое время, чтобы превысить объем мощности, выдаваемый большой группой запряженных животных.

Столетиями единственный способ получить больше мощности сводился к тому, чтобы собрать в одном месте много меньших ее единиц. Самый известный пример такой концентрации – знаменитый римский ряд из мельниц у Барбегаля, неподалеку от Арля, где 16 колес, каждое мощностью в 2 кВт, вместе давали свыше 30 кВт (Sellin 1983). Исследователи (Greene 2000, 39) назвали его «величайшим из известных сосредоточением механической энергии античного мира» и описали (Hodge 1990, 106) как «нечто такое, что если верить учебникам, никогда не существовало – аутентичная, римская, питаемая энергией воды линия массового производства». Но взгляд с близкого расстояния открывает куда менее впечатляющую реальность (примечание 4.7).

В любом случае, более крупные водяные мельницы оставались редкостью долгое время. Даже в первые десятилетия XVIII века средняя мощность европейских водяных мельниц составляла 4 кВт. Только несколько превосходили 7 кВт, а результатом плохого качества механических соединений (высокое трение) были большие потери энергии. Даже сильнее всего восхищавшие современников машины того времени – 14 больших мельниц (диаметр колес 12 м), поставленных на Сене у Марли между 1680 и 1688 годами – не справлялись с задачей качать воду для 1400 фонтанов и водопадов в Версале. Потенциальная энергия комплекса была почти 750 кВт, но неэффективная передача вращательного движения (для чего использовалось множество возвратно-поступательных валов) снижала выход полезной энергии до всего лишь 52 кВт, чего не хватало на все фонтаны (Brandstetter 2005).

Примечание 4.7. Водяные мельницы Барбегаля

Вода для 16 верхнебойных колес Барбегаля (наиболее вероятное время создания комплекса – начало II века н. э.) подводилась от ближайшего акведука двумя каналами по склону в 30° (Benoit 1940). Ранее исследователи (Sagui 1948) использовали малореалистичные предположения (поток воды в 1000 л/с, скорость в 2,5 м/с, средняя продуктивность в 24 т зерна в день), чтобы сделать вывод, что здесь производили достаточно муки для выпечки хлеба на 80 тысяч человек. Но новые исследования (Sellin 1983) с более реалистичными цифрами (поток воды в 300 л/с, скорость около 1 м/с) позволили определить, что каждое колесо производило около 2 кВт полезной мощности, откуда получаем всего 32 кВт и (при 50 % эффективности) дневной выход в 4,5 тонны муки.

Но даже во второй работе принято предположение, что 65 % кинетической энергии воды преобразуется в кинетическую энергию вращающегося жернова, когда расчеты Смитона (1759) показали максимальную эффективность в 63 % для куда лучше сконструированного верхнебойного колеса XVIII века. Комбинация более слабого потока (Leveau (2006) утверждает, что он колебался между 240–260 л/с) и более низкой эффективности (возьмем 55 %) уменьшает значение мощности до 1,5 кВт на единицу. Это равнялось совместной мощности трех (или четырех слабых) римских лошадей, запряженных в лебедку, и было достаточно, чтобы произвести в день 3,4 тонны муки на прокорм 11 тысяч человек. Определенно более высокая эффективность, чем у обычной мельницы II века н. э., но меньше, чем требуется для по-настоящему массового производства.

Но даже маленькие водяные мельницы давали большие экономические преимущества. Если предположить, что мука обеспечивала половину дневной энергии пищи, то маленькая водяная мельница с персоналом менее десяти человек могла намолоть за день (10 часов) достаточно, чтобы прокормить 3500 человек, обычный средневековый городок, в то время как обмолот вручную потребовал бы 250 работников. В комбинации с инновационной конструкцией во второй половине XVIII века водяные мельницы дали значительный прирост в продуктивности. Отличный пример – применение движимых водой механизмов для изготовления 200 тысяч гвоздей в день, запатентованное в США в 1795 году (Rosenberg 1975). Широкое распространение таких машин снизило цены на гвозди на 90 % за следующие 50 лет.

Водяные мельницы оказались наиболее эффективными из традиционных преобразователей энергии. Их производительность была даже выше, чем у лучших паровых машин, которые превращали менее 2 % угля в полезную мощность к 1870 году, и обычно не более чем 15 % к концу XIX века (Smil 2005). Никакой другой традиционный первичный движитель не мог обеспечить постоянную мощность. Водяные мельницы были незаменимы на ранних стадиях индустриализации как в Европе, так и в Северной Америке. Они достигли своего апогея – как его ни оценивай, в терминах общей или частной мощности, или эффективности – в XIX веке, когда для выполнения разных задач начали понемногу использовать паровые двигатели, и ушли в тень после того, как их затмили новые первичные движители.

Но самые большие объемы мощности вода обеспечивала в первые шесть десятилетий XIX века, и большая часть водяных машин продолжала работать даже после того, как сначала пар, а затем электричество вышли на первые роли. Оценивается (Daugherty 1927), что в США в 1849 году общая номинальная мощность всех мельниц была около 500 МВт (<7 % от всех первичных движителей, включая животных, но исключая человеческий труд) по сравнению с около 920 МВт номинальной мощности паровых двигателей. Сравнение фактически выполненной работы проясняет картину (Schurr and Netschert 1960): расчеты показывают, что в 1850 году водяные мельницы в США давали около 2,4 ПДж, или в 2,25 раза больше, чем паровые двигатели на угле; они были все еще впереди (около 30 %) в 1860 году; паровые двигатели превзошли их полезную работу только в конце 1860-х. Еще в 1925 году 35 500 водяных мельниц работали в Германии (Muller and Kauppert 2004), а некоторые колеса в Европе вращались даже после 1950-го.

Новые большие текстильные фабрики XIX века особенно сильно зависели от водяной энергии. Например, Merrimack Manufacturing Company, первое объединение сукноделов страны (производили в основном ситец) открылось в 1823 году в городке Лоуэлл, штат Массачусетс, и работало на 2 МВт энергии от большого (10 м) водопада на реке Мерримак (Malone 2009). В 1840-м крупнейший британский комплекс – водопроводные сооружения Шоу в Гринкоке, около Глазго – имел 30 колес, поставленных в два ряда на крутом склоне и питаемых водой из большого резервуара. Крупнейшие отдельные водяные колеса имели диаметр порядка 20 м, ширину в 4–6 м и мощность свыше 50 кВт (Woodall 1982).

Самым большим колесом в мире стала «Леди Изабелла», спроектированная Робертом Казементом и построенная в 1854 году Great Laxey Mining Company на острове Мэн, чтобы откачивать воду из шахт Лекси. Это верхнебойное колесо (2,5 оборота в минуту) с диаметром в 21,9 м и шириной в 1,85 м имело 48 деревянных спиц (9,75 м длиной), но ось и диагональные тяжи были сделаны из чугуна (Reynolds 1970). Все потоки на склоне над колесом собирали в огромные металлические резервуары, и затем воду по трубам подавали к каменной башне и поднимали по деревянному водостоку. Мощность передавалась на шток насоса, затем на 451 м в глубину свинцово-цинковой шахты с помощью коленчатого рычага главной оси и 180 м соединяющих тяжей из дерева. Теоретическая пиковая мощность колеса была около 427 кВт, но при обычной работе оно выдавало около 200 кВт полезной энергии. «Леди Изабелла» работала до 1926 года и была восстановлена после 1965-го (Manx National Heritage 2015; рис. 4.11).

Но эра гигантских водяных колес оказалась короткой.

Как раз тогда, когда эти машины начали строить, в первой половине XIX века, с развитием водяных турбин появилась радикальная инновация в области водяных первичных движителей со времен появления вертикальных колес столетиями ранее. Первая реактивная турбина Бенуа Фурнейрона с центробежным потоком была создана в 1832 году, чтобы приводить в движение кузнечные молоты, во Фрезане. Даже при очень малом перепаде воды в 1,3 м и диаметре ротора в 2,4 м она имела мощность в 38 кВт. Пятью годами позже две улучшенных машины, работающих на шелкопрядильной фабрике в Сен-Блазьене, выдавали около 45 кВт при перепаде воды в 108 и 114 см (Smith 1980).

Рисунок 4.11. Колесо «Леди Изабелла» после реставрации (Corbis)

Эффективность турбин Фурнейрона вскоре превзошли центростремительные турбины, которые один из исследователей (Layton 1979) назвал прототипическим продуктом НИОКР. Такие устройства больше всего известны как «турбина Френсиса» по имени Джеймса Б. Френсиса (1815–1892), британского и американского инженера. Позже появились реактивные турбины Лестера А. Пельтона (запатентованы в 1889 году) и осевые турбины Виктора Каплана (в 1920-м). Турбины заменили водяные колеса во многих отраслях промышленности и стали новыми первичными движителями. Например, в Массачусетсе в 1875 году они выдавали 80 % номинальной мощности. Это было время максимальной важности приводимых в движение водой машин в быстро индустриализирующемся обществе.

Например, каждый из трех крупнейших текстильных центров на реке Мерримак в Массачусетсе и южном Нью-Гемпшире – Лоуэлл, Лоуренс и Манчестер – располагал водяными машинами общей мощностью около 7,2 МВт. Весь бассейн реки давал около 60 МВт номинальной мощности, в среднем по 66 кВт на единицу производственного оборудования (Hunter 1975). Даже в середине 1850-х годов пар был все еще почти в три раза дороже воды, когда использовался в качестве первичного движителя в Новой Англии. Однако эпоха водяных турбин, непосредственно приводивших в движение разные механизмы с помощью передач и ремней, закончилась внезапно. К 1880-м годам появились крупномасштабная добыча угля и более эффективные двигатели, и пар стал дешевле воды практически на всей территории США. К концу XIX века большая часть турбин была перенацелена с прямой генерации движения на генерацию электричества.

Мощность ветра

История обуздания ветра с помощью стационарных источников мощности (в противоположность более долгой истории его превращения в движение с помощью парусов) и эволюция ветряных мельниц до сложных и мощных машин начала индустриальной эры хорошо описана и в общих, и в специализированных национальных обзорах. Значимый вклад в первую категорию внесли Freese (1957), Needham (1965), Reynolds (1970), Minchinton (1980) и Denny (2007). Интересные исследования по отдельным странам написали: Skilton (1947) и Wails (1975) по британским мельницам, Boonenburg (1952), Stockhuyzen (1963) и Husslage (1965) по наиболее часто упоминаемым голландским, и Wolff (1900), Torrey (1976), Baker (2006) и Righter (2008) по американским, которые сыграли ключевую, но до сих пор недооцененную роль в освоении Запада. Ветряные мельницы стали наиболее мощными первичными движителями доиндустриальной эпохи на равнинах, где почти полное отсутствие потоков с перепадом высот исключало возможность создания маленьких водяных мельниц (в Нидерландах, Дании и части Англии) и в пустынных регионах Азии и Европы, где сильны сезонные ветра.

Вклад ветряных мельниц в интенсификацию мировой экономики был не таким значительным, как в случае с водяными, большей частью потому, что в конечном итоге их широко использовали лишь в некоторых частях атлантической Европы. Первые записи о европейских ветряных мельницах относятся к последним десятилетиям XII века. Согласно исследованиям (Lewis 1993), ветряные мельницы распространились поначалу из Персии на территорию Византии, где они превратились в вертикальные машины, с которыми и столкнулись крестоносцы из Европы. В отличие от восточных машин, чьи лопасти вращались в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, эти мельницы монтировались вертикально на горизонтальной оси, и ведущий вал можно было поворачивать под ветер. За исключением иберийских восьмиугольных парусных мельниц, где использовались треугольные отрезы ткани (заимствованные из восточного Средиземноморья), все остальные машины в Европе тогда относились к классу столбовых мельниц. Их деревянный корпус, передачи и жернова вращались на массивном центральном столбе, который поддерживали четыре мощные диагональные балки (рис. 4.12).

Рисунок 4.12. Столбовая ветряная мельница. Главный деревянный, почти всегда дубовый столб, на котором держится вся структура, зафиксирован четырьмя балками, прикрепленными к массивному фундаменту. Вращение мельницы передается на жернов передачей типа «фонарь-и-корона», и доступ внутрь возможен только по лестнице. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Поскольку они не могли самостоятельно поворачиваться, когда менялось направление ветра, их приходилось разворачивать вручную. Подобные мельницы были нестабильны при сильных ветрах и уязвимы перед лицом штормов, а сравнительно малая высота ограничивала их эффективность (примечание 4.8).

Примечание 4.8. Энергия и мощность ветра

Средняя скорость ветра увеличивается с высотой, а значит, его мощность тоже растет. Например, на высоте в 20 метров над землей мощность будет примерно на 22 % выше, чем на высоте в 5 м. Кинетическая энергия 1 м³ воздуха (в джоулях) равняется 0,5pv², где р – плотность воздуха (около 0,12 кг/м³ у поверхности), a v – средняя скорость ветра (в м/с). Мощность ветра (в ваттах) является продуктом энергии ветра, площади лопастей, расположенной перпендикулярно направлению ветра (А, в м²), и скорости ветра в кубе: 0,5pAV³. Поскольку мощность ветра увеличивается в кубе средней скорости, удвоение скорости повышает доступную мощность в восемь раз. Первые (сравнительно тяжелые и неудачно устроенные) ветряные мельницы нуждались в ветрах, дующих со скоростью минимум 25 км/ч (7 м/с), чтобы начать работать. При более низких скоростях они просто медленно поворачивались, но уже при скорости ветра более 10 м/с площадь лопастей нужно было сокращать (и полностью сворачивать ткань при скорости выше 12 м/с), что обеспечивало только узкий ветровой коридор и малое количество часов (5–7 в день) ежедневной полезной работы (Denny 2007).

Все эти факторы обусловили превосходство местностей с постоянными сильными ветрами. Поздние мельницы, более эффективные, с мягкими передачами и хорошей смазкой функционировали при ветрах быстрее чем 4 м/с, обеспечивая 10–12 часов полезной работы в день. Доиндустриальные общества могли пользоваться только потоками, дующими рядом с землей, и размах лопастей большинства мельниц был менее 10 метров. Ветряные потоки имеют большую вариативность во времени и пространстве, и даже в благоприятных районах средняя годовая скорость ветра варьируется на 30 %, а перемещение машины всего на 30–50 метров может уменьшить или увеличить среднюю скорость вдвое. Ограниченные возможности транспорта доиндустриальной эпохи затрудняли освоение самых ветреных местностей, и мельницы часто оставались неподвижными. Никакая машина не может извлечь всю мощность из ветра: это потребовало бы полностью остановить его поток. Максимальная извлекаемая мощность равняется 16/27 или около 60 % кинетической энергии потока (Betz 1926). Реальная эффективность для мельниц доиндустриальной эпохи была 20–30 %. Башенная мельница XVIII века с диаметром лопастей в 20 м, таким образом, имела теоретическую мощность около 189 кВт при скорости 10 м/с, но поставляла менее 50 кВт.

Столбовые мельницы продолжали работать в отдельных местностях восточной Европы до XX столетия, а в западной их постепенно заменили привычные для нас башенные мельницы. В них только верхушка поворачивалась под ветер, с земли или с галерей, если башня была высокой. Восьмиугольные мельницы-коптильни с деревянной рамой обычно покрывали гонтом или дранкой. Другие, настоящие башенные мельницы, были круглыми, сложенными из камня. Только после 1745 года, когда в Англии начали использовать хвостовик, появилась возможность обеспечить автоматический поворот механизма в ту сторону, откуда дует ветер. Любопытно, но голландцы, обладатели самого большого количества ветряных мельниц в Европе, приняли это нововведение только в начале XIX века.

Но голландцы первыми освоили более эффективную форму лопастей. Они начали добавлять перпендикулярные боковые планки на плоские лопасти около 1600 года. Получившийся в результате изгиб дал лопастям больше подъемной силы, уменьшив сопротивление. Более поздние инновации включали в себя улучшения в креплении лопастей, чугунные зубчатые передачи и центробежный регулятор оборотов. Такое устройство решило сложную и часто опасную задачу управления парусиной при разной скорости ветра. К концу XIX века англичане начали использовать настоящие аэродинамические профили с четко рассчитанной формой. Помол зерна и откачка воды (в том числе на кораблях, где использовались маленькие переносные машины) были главными областями приложения. Ветряные мельницы также использовали и в Европе, и в исламском мире для измельчения и прессования (мела, сахарного тростника, зерен горчицы и какао), для изготовления бумаги, распила дерева и операций с металлом (Hill 1984).

В Нидерландах мельницы выполняли все эти задачи, но наиболее важный вклад они внесли в осушение низменностей и в превращение польдеров в поля. Первые мельницы, предназначенные для этой цели, появились в Голландии в начале XV века, но широко распространились только в шестнадцатом. Пустостолбовые (не нашла такого термина) wipmolen вращали большие деревянные колеса с черпаками, а мобильные (передвижные?) tjasker меньшего размера приводили в движение архимедовы винты, но только эффективные башенные мельницы смогли обеспечить мощность, необходимую для крупномасштабного осушения польдеров. В музее Зансе-Сханс в Северной Голландии представлены 600 ветряных мельниц, несколько были построены после 1574 года (Zaanse Schans 2015). Самые высокие голландские мельницы (33 м) находились в Схидаме (пять из оригинальных тридцати все еще стоят), где они мололи зерно, необходимое для производства голландского джина.

Старые американские мельницы наподобие тех, что на побережье Массачусетса, часто использовались для добычи соли, но их количество оставалось небольшим. Новые американские мельницы появились сразу после середины XIX века, когда началась экспансия на запад через Великие Равнины. Здесь нельзя было использовать маленькие водяные мельницы из-за нехватки небольших водных потоков и скудости осадков, а воду приходилось качать из колодцев. По сравнению с мощными тяжелыми и дорогими голландскими мельницами (они имели несколько больших и широких лопастей) американские были меньше, проще, удобнее, но при этом оставались эффективными машинами, которые могли обслуживать железнодорожные станции и фермы.

Рисунок 4.13. Ветряная мельница Халладэя. В последнее десятилетие XIX века ветряные мельницы такого типа были самыми популярными в США. Они широко использовались на железнодорожных станциях, где качали необходимую для паровозов воду. Воспроизведено из Wolff (1900)

Американские мельницы обычно состояли из большого числа узких лопастей, прикрепленных к цельным или составным колесам, и оснащались центробежным либо боковым регулятором оборотов и независимыми рулями. Помещенные на вершину решетчатой башни в 6-25 метров высотой, они использовались для перекачки воды – для домашних хозяйств, крупного рогатого скота, паровых локомотивов (рис. 4.13). Подобные мельницы, колючая проволока и железные дороги стали образцовыми инструментами, которые помогли освоить Великие Равнины (Wilson 1999). Оценки (Daugherty 1927) показывают, что мощность всех ветряных мельниц в США с 1849 по 1899 год выросла с около 320 МВт до почти 500 МВт и достигла пика в 625 Мвт в 1919 году

У нас нет информации о мощности самых первых мельниц, экспериментальные данные имеются только с конца 1750-х годов, когда Джон Смитон приравнял мощность средней голландской мельницы с лопастями в 9 м к мощности десяти человек или двух лошадей (Smeaton 1759). Этот расчет, базировавшийся на измерениях с помощью маленькой модели, был подтвержден реальной эффективностью при выдавливании растительного масла. Мельница давала верхнему камню жернова семь оборотов в минуту, а две лошади едва могли обеспечить 3,5 оборота за то же самое время. Типичная большая голландская мельница XVIII века с размахом крыльев в 30 м могла дать около 7,5 кВт (Forbes 1958). Современные измерения на хорошо сохранившейся голландской осушительной мельнице 1648 года показали, что она способна поднять 35 кубометров воды при скорости ветра 8–9 м/с, что дает мощность на главном валу порядка 30 кВт, но большие потери при передаче снижают полезную выработку до менее 12 кВт.

Все эти результаты подтверждают сравнение традиционных первичных движителей (Rankine 1866). Автор оценил столбовые мельницы как способные выдать 1,5–6 кВт полезной мощности, башенные – 4,5-10,5 кВт. Измерения на американских мельницах определили их полезную мощность от едва 30 Вт для мельницы в 2,5 м до 1000 Вт для больших машин в 7,6 м (Wolff 1900). Типичные цифры (в терминах полезной энергии) составляли 0,1–1 кВт для мельниц в США XIX века, 1–2 кВт для маленьких и 2–5 кВт для больших столбовых мельниц, 4–8 кВт для башенных и 8-12 кВт для крупнейших машин того же XIX века. Все это означает, что типичные средневековые ветряные мельницы были сравнимы по мощности с современными им водяными, но к началу XIX века многие водяные мельницы могли выдавать в пять раз больше мощности, чем крупнейшие башенные ветряные, и разница только выросла с появлением водяных турбин.

Как и в случае с водяными мельницами, вклад ветряных, используемых в качестве источников стационарной мощности, достиг пика в XIX веке. В Великобритании их количество составляло 10 тысяч в 1800 году, в конце XIX века 12 тысяч работали в Нидерландах и 18 тысяч в Германии, и к 1900 году около 30 тысяч мельниц (с общей мощность в 100 МВт) имелось в странах побережья Северного моря (De Zeeuw 1978). В США несколько миллионов мельниц было построено между 1860 и 1900 годами, во время расширения страны на запад; их число начало уменьшаться только в 1920-х годах. В 1889 году было 77 производителей, самые успешные из них Халладэй, Адамс и Бухэнан (Baker 2006). Большое число водооткачивающих мельниц американского типа использовалось в XX веке в Австралии, Южной Африке и Аргентине.

Назад: 4. Топливо и первичные движители доиндустриальной эпохи

Дальше: Растительное топливо