Книга: Энергия и цивилизация
Назад: Хозяйственные нужды
Дальше: Металлургия

Транспорт и строительство

Доиндустриальная эволюция в этих отраслях показывает очень неровное чередование прогресса и стагнации, а иногда даже регресс. Обычные парусники конца XIX века значительно превосходили лучшие суда классической античности как в скорости, так и в способности идти под ветром. И точно так же, тщательно сконструированные экипажи на рессорах, приводимые в движение удобно запряженными лошадьми, предлагали куда более комфортное путешествие, чем спина лошади или телега без рессор. Но даже в богатейших европейских странах типичные дороги были вряд ли лучше, а часто даже хуже, чем во времена поздней Римской империи. Мастерство афинских архитекторов, создавших Парфенон, или римских строителей, сложивших Пантеон, было не ниже, чем у их последователей, возводивших барочные дворцы и церкви. Все изменилось, и довольно быстро, с распространением намного более мощного первичного движителя и строительного материала превосходного качества. Паровой двигатель, дешевые чугун и сталь дали толчок революции и в транспорте, и в строительстве.

Наземный транспорт

Ходьба и бег, два естественных способа человеческого передвижения, преобладали в доиндустриальных обществах. Энергетические затраты, средние скорости и максимальные дневные дистанции всегда зависели в первую очередь от индивидуальной готовности и ландшафта (Smil 2008а). Затраты были больше при скоростях как выше, так и ниже оптимума в 5–6 км/ч, а при движении по неровной поверхности, грязи или глубокому снегу они увеличивались в среднем на 25–30 %. Перемещение вверх по склону сопровождается затратами, которые определяются как градиентом, так и скоростью, и исследования показывают почти линейное увеличение в энергетических потребностях в соответствии с широким спектром скоростей и уровня наклона (Minetti et al. 2002).
Бег требует выхода мощности между 700 и 1400 МВт, что в 10–20 раз больше, чем при базовом обмене веществ. Медленно бегущий человек весом в 70 кг произведет 800 Вт; мощность опытного марафонца, одолевшего дистанцию (32,195 км) за 2,5 часа, в среднем составит около 1300 Вт (Rapoport 2010); и когда Уссейн Болт установил мировой рекорд на стометровке в 9,58 с, максимальная мощность (несколько секунд при беге и в то время, когда его скорость составляла половину от максимума) была
2619,5 Вт, то есть 3,5 лошадиных силы (Gomez, Marquina and Gomez 2013). Энергетические затраты человека при беге сравнительно высокие, но как уже отмечалось (глава 2), люди обладают уникальной способностью почти полностью отделять эти затраты от скорости (Carrier 1984). Исследователи (Arellano and Kram 2014) показали, что поддержка веса тела и толкание его вперед требуют около 80 % всех энергозатрат при беге; сгибание ног – около 7 %, поддержание бокового баланса – около 2 %; но размахивание руками снижает общие затраты примерно на 3 %.
Современные показатели в беге постоянно росли на протяжении XX века (Ryder, Carr and Herget 1976), и они безо всяких сомнений выше, чем лучшие исторические достижения. Но нет недостатка в выдающихся примерах бега на длинные дистанции и в доиндустриальных обществах. Забег Фидиппида из Афин в Спарту прямо перед битвой при Марафоне в 490 году до н. э. стал образцом беговой выносливости. Фидиппид преодолел дистанцию в 240 км всего за два дня (средний выход мощности, предполагая вес бегуна в 70 кг, был около 800 Вт, чуть больше одной лошадиной силы) только для того, чтобы сообщить, что спартанцы отказали в помощи.
Одомашнивание лошадей не только ввело в оборот новый, более мощный и быстрый персональный транспорт, оно ассоциируется с распространением индоевропейских языков, бронзовой металлургии и новых способов ведения войны (Anthony 2007). На лошадях ездили верхом задолго до того, как появилась упряжь; начало этой практики прослеживается до азиатских степей середины 2-го тысячелетия до н. э. Но есть версия (Anthony, Telegin and Brown 1991), что все началось много ранее, около 4000 года до н. э., среди людей среднестоговской культуры на территории современной Украины.
Эта версия базируется на не доказанной до сих пор гипотезе о разнице между малыми коренными зубами у диких и домашних лошадей; у животных, ходивших в узде, другая картина скашивания и стирания на микрофотографиях зубов. Схожим образом использовали (Outram and co-workers 2009) повреждения от взнуздывания (и другие свидетельства) для доказательства того, что первое одомашнивание лошади произошло у людей ботайской культуры и что на некоторых животных ездили верхом. При ходьбе взнузданные животные были не быстрее человека, но рысь (свыше 12 км/ч) и галоп (до 27 км/ч) позволяли покрывать дистанции, которые потребовали бы от человека значительных усилий. Галопирующая лошадь дает большой выигрыш в силе: ее мускульная работа сокращается наполовину посредством сохранения и возвращения энергии эластичного натяжения в похожих на пружины мускулах и сухожилиях (Wilson et al. 2001).
Опытный всадник на подходящем животном мог проехать 50–60 км/день, а меняя лошадей в случае экстренной ситуации, можно было одолеть и 100 км. Максимально длинные для Средних веков дистанции ежедневно проезжали всадники из монгольского яма (почтовой службы; Marschall 1993), а Буффало Билл (1846–1917) утверждал, что, будучи молодым сотрудником службы Pony Express, он проехал, после того как его напарника убили, 515 км за 21 час 40 минут, использовав 21 лошадь (Carter 2000). Исследования показали (Minetti 2003), что типичная эффективность работавших на больших расстояниях служб была тщательно оптимизирована. Почтовые службы предпочитали среднюю скорость в 13–16 км/час и дневную дистанцию в 18–25 км на одно животное, чтобы минимизировать риск гибели лошадей. Этот оптимум соблюдался и в Персии во времена царя Кира, установившего регулярное сообщение между Сузами и Сардисом после 550 года, а также монгольскими ямщиками XIII века и фирмой Overland Pony Express, которая обслуживал Калифорнию до создания телеграфа и железной дороги.
Но поездка на лошади всегда была серьезным вызовом для человека. Поскольку в передней части тела лошади сосредоточено три пятых ее веса, единственный способ сделать так, чтобы совпали вертикальные проекции центров тяжести у животного и всадника – сесть впереди. Но прямая передняя посадка помещает центр тяжести всадника много выше, чем у лошади. Это провоцирует быстрые рычажные колебания наездника, если лошадь резко ускоряется, прыгает или останавливается. Таким образом, наиболее эффективная позиция требует, чтобы центр тяжести всадника находился не только впереди, но и низко.
Типичная жокейская стойка («обезьяна на палке») – лучший способ добиться такого положения. Любопытно, что эта посадка окончательно установилась только в конце XIX века благодаря Фредерико Каприлли (Thomson 1987). Обнаружено (Pfau and co-workers 2009), что результаты крупных скачек улучшились на 7 % около 1900 года, когда такую посадку начали активно применять. Она изолирует всадника от колебаний скакуна: очевидно, что лошадь поддерживает вес наездника, но не заставляет его качаться при каждом цикле движений. Поддержание жокейской посадки требует значительных усилий, что подтверждено сердечным ритмом, близким к максимальному, у жокеев во время забегов. Эта позиция, используемая в несколько преувеличенном виде в современном конкуре, радикально отличается от стилей верховой езды, зафиксированных в скульптурах и на картинах. По разным причинам всадники сидели слишком близко к хвосту, и максимально эффективное передвижение было невозможным. Наездники классической эпохи находились еще в худшем положении, поскольку у них не было стремян. Только с их появлением в раннесредневековой Европе стали возможными рыцарские турниры.
Простейший способ транспортировать грузы – переносить их. Там, где не было дорог, люди зачастую справлялись с этой задачей лучше животных: низкая эффективность компенсировалась легкостью погрузки и разгрузки, умением двигаться по узким тропам и карабкаться по склонам. По этой же причины ослы и мулы с корзинами часто превосходили лошадей: более устойчивые на неровных тропах, с более твердыми копытами, выносливые и требующие меньше воды. Самый эффективный способ переноски состоит в помещении центра тяжести груза над центром тяжести носильщика, но балансирование ноши не всегда практично. Шесты, прикрепленные к плечам, и деревянные ярма, увешанные мешками или ведрами, лучше всего подходят для переноски. Переходы на длинные расстояния по пересеченной местности лучше всего совершать с заплечными мешками, снабженными наплечными и наголовными ремнями. Шерпы Непала, транспортирующие грузы гималайских экспедиций, считаются лучшими носильщиками. Они могут поднять от 30 до 35 кг (примерно половина веса тела) в базовый лагерь, и менее 20 кг на более крутых склонах в разреженном воздухе выше него.
Как уже отмечалось, римские грузчики (saccarii), перегружавшие египетское зерно в гавани Остии с кораблей на баржи, носили мешки по 28 кг на короткие дистанции. В легком варианте традиционного китайского паланкина на одного клиента приходятся два носильщика, то есть примерно по 40 кг на каждого. Подобные грузы составляют до двух третей веса тела того, кто их несет, и скорость переноски не превышает 5 км/ч. В относительных терминах люди лучше справлялись с переноской, чем животные. Типичная ноша составляла только около 30 % от веса животного (обычно от 50 до 120 кг) на равнине и 25 % в горах. Человек с помощью колеса мог передвигать груз, превышающий его самого по весу. Зафиксированные рекорды в более чем 150 кг относятся к китайским тачкам, где груз помещался прямо над осью колеса. Европейские тачки, с их нецентрованным колесом, обычно нагружали не больше чем на 60-100 кг.
Массовое приложение человеческого труда, в котором помогали простые механические устройства, могло обеспечивать выполнение удивительно сложных задач. Несомненно, наиболее затратной транспортной задачей в традиционных обществах было перемещение огромных строительных блоков или готовых компонентов к месту строительства. Блоки добывали в карьерах, передвигали и использовали в строительстве в каждой высокой культуре древности (Heizer 1966). Несколько изображений, дошедших до нас с тех времен, показывают, как тогда справлялись с подобной работой. Определенно, самым впечатляющим из них является часть уже упомянутой египетской росписи из гробницы Джехутихотепа в Эль-Берше, датированной 1880 годом до н. э. (Osirisnet 2015). Сцена изображает 166 человек, которые тащат колоссальную статую на салазках, при этом работник поливает дорогу впереди жидкостью из кувшина (рис. 4.17). Смазка уменьшала трение наполовину, и совместный труд, дававший пиковую мощность в 30 кВт, позволял двигать груз до 50 тонн. Но даже эти цифры были значительно превзойдены в некоторых доиндустриальных обществах.
Строители-инки использовали громадные полигональные камни неправильной формы, чьи выглаженные бока сходились с ошеломляющей точностью. Чтобы затащить на рампу блок весом 140 тонн, самый тяжелый в Ольянтайтамбо в южном Перу, потребовались координированные усилия 2400 человек (Protzen 1993).
Пиковая мощность этой группы в короткие моменты могла достигать 600 кВт, но мы не знаем, как была организована логистика такого мероприятия. Как удалось запрячь более чем 2 тысячи человек, чтобы они тянули совместно? Как они поместились в границах узких (6–9 м) рамп инков? И как люди в древней Бретани управились с менгиром Эр-Грах (Niel 1961), который весит 340 тонн и является крупнейшим камнем, поднятым в Европе в мегалитическую эпоху, мы тоже не знаем.

 

Рисунок 4.17. Перемещение массивной (высота 6,75 м, вес более 50 т) алебастровой статуи Джехутихотепа, номарха нома Унут (Osirinet 2015). Рисунок восстановлен по поврежденной настенной росписи в гробнице Джехутихотепа в Эль-Берше, Египет (Corbis)

 

Лошади могли реализовать свое превосходство только при наличии хороших подков и удобной упряжи. Эффективность наземного транспорта также зависела от успехов в снижении трения и от достижения высоких скоростей. Состояние дорог и конструкция средств транспорта были в этом отношении двумя решающими факторами. Различие в энергетических потребностях между передвижением груза по гладкой, твердой, сухой дороге и по неровной земляной поверхности было очень значительным. В первой ситуации нужна сила только в 30 кг, чтобы переместить груз в 1 тонну, во второй может потребоваться в пять раз больше, а на песчаной или болотистой почве – в 7-10 раз больше. Смазка для осей (говяжий и растительный жир) использовалась по меньшей мере со II тысячелетия до н. э. В кельтских бронзовых опорах имелись внутренние канавки, где находились цилиндрические деревянные подшипники, уже в I веке до н. э. (Dowson 1973). Китайские шариковые подшипники могли быть еще более древними, но точно наличие шариковых подшипников отмечено в документах только в Европе начала XVII века.
Дороги в древних обществах были чаще всего грунтовыми, и в разные времена года они превращались в болотистые канавы или пыльные тропы. Римляне, начав с Аппиевоей дороги (Via Appia) из Рима в Капую в 312 году до н. э., вложили огромное количество труда и организационных усилий, чтобы создать обширную сеть дорог с твердым покрытием (Sitwell 1981). Качественные римские viae состояли из слоев гравийного бетона, булыжников, или закрепленных раствором каменных плит. К правлению Диоклетиана (285–305) римская система дорог (cursus publicus) выросла до 85 тысяч километров. Общие затраты энергии на все предприятие равнялись как минимум миллиарду трудодней. Но эта громадная цифра не кажется неправдоподобной, если разложить ее на века непрерывного строительства (примечание 4.12). В Западной Европе римские достижения в дорожном строительстве были превзойдены только в XIX веке, а в восточных регионах континента – лишь в двадцатом.
Примечание 4.12. Энергетические затраты при строительстве римских дорог
Если мы предположим, что типичная римская дорога была лишь 5 м шириной и 1 м глубиной, то создание 85 тысяч километров магистральных дорог, после первичного удаления как минимум 800 Мм3 земли и камня, потребовало бы перемещения около 425 Мм3 песка, гравия, бетона и камня для дорожного полотна, насыпей и канав. Допустив, что работник может управиться только с 1 кубометром строительного материала в день, мы можем рассчитать, что задачи по добыче, обработке и перемещению камней, копанию песка для фундаментов, канав и дорожного полотна, подготовки бетона и раствора, а также укладки дороги в сумме требуют около 1,2 млрд трудодней.
Даже если поддержание в должном порядке и ремонт дорог увеличат эту цифру втрое, то пропорциональное ее разложение на 600 лет строительства даст в результате ежегодное среднее в 6 миллионов трудодней, эквивалент работы 20 тысяч строителей. Это представляет (при 2 МДж/сут.) годовые инвестиции энергии почти 12 ТДж труда.
Мусульманский мир не имел ничего сравнимого с римскими cursus publicus, хотя коммуникации в его пределах были интенсивными (Hill 1984). Далеко разбросанные города и страны соединялись караванными маршрутами, которые технически были всего лишь тропами. Грузовые верблюды заменили собой колесный транспорт в пустынном регионе между Марокко и Афганистаном. Процесс замены, который предшествовал мусульманским завоеваниям, был обусловлен в основном экономическими императивами (Bulliet 1975). По сравнению с волами, вьючные верблюды не только быстрее и мощнее, они также более выносливы и живут дольше, могут идти по более грубой почве, существовать на худшем фураже и переносят долгие периоды без воды и пищи. Экономические преимущества увеличились с введением североарабского седла между 500 и 100 годами до н. э. Седло позволило с удобством ездить верхом и перевозить грузы и ускорило процесс исчезновения телег в пустынной части Старого Света.
Инки, укрепляя свою империю в XIII–XIV веках, построили впечатляющую сеть дорог благодаря трудовой повинности. Общая их длина достигала около 40 тысяч километров, включая 25 тысяч километров всепогодных дорог, пересекающих дренажные трубы и мосты и оборудованных указателями расстояний. Из двух главных королевских дорог одна, вьющаяся через Анды, имела покрытие из камня. Ее ширина варьировалась от 6 метров на речных террасах до всего лишь 1,5 м там, где она шла через скалы (Kendall 1973). Лишенная каменной поверхности дорога у побережья была 5 метров в ширину. Дороги у инков не были предназначены для колесного транспорта, по ним двигались лишь караваны людей и вьючных лам, несущих 30–50 кг груза на животное и проходивших менее 20 км/сут.
Во времена династий Цинь и Хань китайцы построили обширную систему дорог общей длиной около 40 тысяч километров (Needham et al. 1971). Созданная примерно в то же время римская сеть была длиннее и имела большую дорожную плотность на единицу территории, да еще могла похвастаться лучшим покрытием. Вот так Стаций (Mozley 1928, 220) в своей Silvae описал строительство Домициановой дороги в 90 г н. э.: «Первым делом они приготовили колеи и разметили границы дороги, и затем извлекли землю до нужной глубины; потом заполнили ров другим материалом и приготовили основу для изогнутого гребня дороги, во избежание того, чтобы почва не раздалась в сомнительных местах под весом перегруженных камней; затем связали блоками, поставленными тесно на обеих сторонах, и часто вбитыми клиньями. О, как много людей работают вместе! Некоторые валят лес и очищают склоны гор, другие вырубают балки и обтесывают валуны с помощью железа, третьи скрепляют камни и переплетают работу с запеченным песком и грязным туфом; иные же каторжной работой осушают водоемы и отводят малые потоки».
Китайские дороги строились путем забивания голыша и гравия с помощью металлических трамбовщиков. Это обеспечивало более эластичное, но менее стойкое покрытие, чем на лучших римских дорогах. Прекрасная почтовая служба пережила упадок династии Хань, но наземная транспортировка товаров и людей почти всюду исчезла. Только в некоторых частях страны упадок удалось преодолеть с помощью перевозок по каналам. Телеги, запряженные волами, и колесные тележки перемещали большую часть товаров. Люди и в XX веке все еще ездили в двухколесных экипажах и паланкинах. Упоминание о первых телегах дошло до нас из шумерского города Урука (3200 год до н. э.). У них были сплошные колеса диаметром до метра, изготовленные из дерева. Такие колеса довольно быстро распространились по различным культурам (Piggott 1983). Некоторые ранние колеса вращались вокруг зафиксированной оси, другие – вместе с ней. Дальнейшая эволюция пошла в сторону более легких, свободно поворачивающихся колес со спицами (в начале второго тысячелетия до н. э.) и способной двигаться передней оси у экипажа с четырьмя колесами, что обеспечило возможность резких поворотов.
Неэффективно запряженные лошади на плохой дороге двигались медленно даже если везли сравнительно малый груз. Максимальные возможности для римских дорог IV века составляли 326 кг для почтовой телеги с лошадьми и 490 кг для более медленной, запряженной волами (Hyland 1990). Низкие скорости ограничивали дневной пробег до 50–70 км для экипажа с пассажирами на хорошей дороге, 30–40 км для более тяжелого грузового фургона, который везли лошади, и еще в два раза меньше – если его тащили волы. Человек с тележкой мог одолеть примерно 10–15 километров за день. Конечно, куда большие дистанции покрывали гонцы на быстрых лошадях: зафиксированный максимум для римских дорог составлял около 380 км/день. Низкие скорости и малые возможности наземного транспорта приводили к большим затратам, что иллюстрируется цифрами из edictum de pretis Диоклетиана. В 301 году дороже стоило перевезти зерно на 120 км по дороге, чем переправить его на корабле из Египта в Остию, морские ворота Римской империи. После того, как египетская пшеница прибывала в порт Остии (в 20 километрах от столицы империи), ее перегружали на баржи и перемещали их против течения Тибра вместо того, чтобы везти зерно в запряженных волами телегах.
Схожие ограничения оставались во многих обществах до XVIII века. Например, в начале века определенные товары было дешевле доставить в Англию морем из Европы, чем привезти сушей из отдаленных районов страны. Путешественники описывали состояние британских дорог как варварское, отвратительное, мерзостное и адское (Savage 1959). Дожди и снега делали непроходимыми грунтовые и плохо уложенные гравийные дороги, часто из-за малой ширины по ним можно было только перевозить грузы. Дороги в континентальной Европе были не лучше, и упряжные лошади, работавшие группами от четырех до шести животных, жили в среднем меньше трех лет. Фундаментальные улучшения начались только после 1750 года (Ville 1990). Сначала они включали расширение дорог и обеспечение хорошего дренажа, а позже – укрепление покрытия с помощью более стойких материалов (гравий, асфальт, бетон). Тяжелые европейские кони наконец смогли показать свои превосходные тягловые качества. К середине XIX века максимальный разрешенный груз во Франции увеличился почти до 1,4 тонны, в четыре раза больше, чем в римские времена.
В городском транспорте пик важности лошадей пришелся на эру паровозов, между 1820-ми годами и концом XIX века (Dent 1974). В то время как железные дороги взяли на себя перевозки на большие дистанции, тягловый транспорт стал доминировать во всех быстро растущих городах Европы и Северной Америки. Паровые двигатели на самом деле повысили уровень использования лошадей (Greene 2008). Грузы для железных дорог требовалось собрать и привезти на станцию с помощью движимых животными телег. Обойтись без них не удавалось и при доставке продуктов и сырья из пригородов. Городское изобилие предполагало большое количество частных экипажей, кэбов и омнибусов (впервые в Лондоне появились в 1829 году), а также телег с товарами (рис. 4.18).

 

Рисунок 4.18. Гравюра из Illustrated London News от 16 ноября 1972 года, точно отражающая плотность движения запряженных лошадьми экипажей (кэбы, омнибусы, тяжелые телеги) в быстро индустриализирующихся городах Европы конца XIX века

 

Конюшни для содержания лошадей, помещения для хранения запасов сена и соломы занимали значительную часть городского пространства (McShane and Tarr 2007). К концу правления королевы Виктории в Лондоне было 300 тысяч лошадей. Градостроители в Нью-Йорке думали над созданием пояса пригородных пастбищ, чтобы держать там лошадей между часами пик, когда транспорт наиболее востребован. Прямые и косвенные энергетические затраты на городской тягловый транспорт – зерно и сено, кормежка и уход за животными, изготовление подков, упряжи и телег, утилизация навоза – были одной из крупнейших статей энергетического баланса городов конца XIX века. Но доминирование лошадей закончилось очень резко. Электричество и двигатели внутреннего сгорания стали практичными как раз в тот момент, когда количество городских лошадей достигло максимума в 1890-х годах. Менее чем за поколение тягловые экипажи оказались почти целиком вытеснены с городских улиц электрическими трамваями, бензиновыми автомобилями и автобусами.
Любопытно, что только в это время европейские и американские механики придумали практичную версию наиболее эффективного экипажа, приводимого в движение человеком – современный велосипед. Поколениями велосипеды были неуклюжими, даже опасными конструкциями, не имевшими шансов на широкое распространение в качестве средства личного транспорта. Усовершенствование началось только в 1880-х годах: Джон Кемп Старли и Уильям Саттон изобрели велосипеды, у которых колеса были одинакового размера, имелось прямое рулевое управление и ромбовидная рама из металлических трубок (Herlihy 2004; Wilson 2004; Hadland and Lessing 2014). Этот дизайн сохранили практически все велосипеды XX века (рис. 4.19). Эволюция современного велосипеда в целом завершилась с изобретением надувных шин и заднеприводного тормоза в 1889 году.

 

Рисунок 4.19. Велосипеды появились удивительно поздно и эволюционировали очень медленно. На неуклюжей машине барона фон Дреза (1816) приходилось отталкиваться ногами. Педали впервые прикрепили к оси переднего колеса в 1855-м, и это усовершенствование вошло в конструкцию велосипедов 1860-х годов. Последующая эволюция привела к возникновению огромных передних колес и изобилию несчастных случаев. Только в конце 1880-х появились безопасные, эффективные и простые современные машины. Рисунки заимствованы из Byrn (1900)

 

Улучшенные велосипеды, снабженные фонарями, багажниками и тандемными сиденьями, стали широко использоваться для доставки грузов, поездок за покупками и отдыха во многих европейских странах, особенную популярность они приобрели в Нидерландах и Дании. Позже они распространились по всему миру, количество велосипедов в бедных странах превысило таковое в Европе. История коммунистического Китая была особенно тесно связана с массовым использованием этой машины. До начала 1980-х годов в Китае не было частных автомобилей, и до конца 1990-х большинство жителей пригородов ездили на работу и домой на велосипедах даже в крупных городах. Последовавшее создание метро во всех главных городах и введение в обиход автомобилей снизило количество велосипедов на дорогах (тенденция была лишь частично перекрыта растущей популярностью е-байков), но только не в сельской местности. Китай все еще остается крупнейшим производителем велосипедов: около 80 миллионов единиц в год, из которых более 60 % экспортируется (IBIS World 2015).

Гребные и парусные суда

Передвижение по воде с помощью человеческих мускулов имело куда большую эффективность, чем наземный транспорт на живой силе. Весельные суда были сконструированы так, чтобы интегрировать усилия десятков или даже сотен гребцов. Естественно, непрерывная напряженная гребля с помощью тяжелого весла требовала серьезного труда, и когда ею приходилось заниматься в тесном, ограниченном пространстве под палубой, она была чрезвычайно изнурительной. Наше восхищение перед сложным устройством и уровнем организации больших гребных судов не должно затмевать тот факт, что их быстрое движение обеспечивалось огромным количеством человеческого страдания. Особенно хорошо изучены корабли античной Греции (Anderson 1962; Morrison and Gardiner 1995; Morrison, Coates and Rankov 2000). Суда, которые везли греческих воинов в Трою, пентеконтеры с 50 гребцами, могли иметь входную полезную мощность в 7 кВт.
Трехрядные триеры (римские триремы), лучшие боевые корабли классической эпохи, приводились в движение 170 гребцами (рис. 4.20). Сильные гребцы могли толкать триеру с мощностью более 20 кВт, достаточной, чтобы получить максимум скорости около 20 км/ч. Но даже при движении с обычной скоростью 10–15 км/ч маневренные триремы оставались мощными боевыми машинами. Их бронзовый таран мог с опустошительным эффектом проделывать дыры в корпусе вражеского судна. В одной из самых знаменитых битв в истории победа маленького греческого флота над куда более крупным персидским при Саламине (480 год до н. э.) была достигнута благодаря триерам. Они также были самыми важными боевыми кораблями в республиканском Риме. Их полномасштабная реконструкция была завершена в 1980-х годах (Morrison and Coates 1986; Morrison, Coates and Rankov 2000).
Более крупные суда – квадриремы, квинквиремы и так далее – начали строить после смерти Александра Великого в 323 году до н. э. Поскольку нет указаний, что у этих кораблей было более трех рядов весел, предположительно по два человека и более управлялись с одним веслом. Конец этой последовательности был достигнут с созданием тессераконтеры в правление Птолемея Филопатора (222–204 до н. э.). Корабль длиной 126 м нес более 4000 гребцов и почти 3000 воинов и теоретически мог двигаться с мощностью более 5 МВт. Но из-за веса (вместе с тяжелыми катапультами) он оказался малоподвижной и крайне затратной ошибкой кораблестроения.

 

 

Рисунок 4.20. Вид сбоку, частичный план и поперечный разрез реконструированной греческой триремы «Олимпия». Шесть ярусов, выстроенных в форме буквы V, содержали 170 гребцов, весла верхнего яруса вращались на вынесенных за борт аутригерах. Заимствовано из Coates (1989)

 

В Средиземноморье большие весельные суда сохранили важность вплоть до XVII века: в это время крупнейшие венецианские галеры имели 56 весел, каждым управляли пять человек (Bamford 1974; Capulli 2003). Большие долбленые каноэ маори приводило в движение почти такое же количество воинов (до 200). Общий лимит агрегированной человеческой мощности при постоянной гребле, таким образом, лежал между 12 и 20 кВт. Но имелись корабли, которые приводились в движение педалями или ступальными мельницами. Во времена династии Сун китайцы строили все более крупные боевые корабли с гребными колесами, на которых до 200 человек давили на педали (Needham 1965). В Европе намного меньшие буксиры, приводимые в движение 40 работниками, которые вращали лебедки или ступальные мельницы, появились в середине XVI века. Одушевленная энергия была первичным движителем и при перевозке товаров и людей на баржах и судах по каналам (примечание 4.13).
Каналы были особенно важными катализаторами экономического развития в центре китайского государства (нижнее течение Хуанхэ и Северо-Китайская равнина) со времен династии Хань (Needham et al. 1971; Davids 2006). Вне всяких сомнений, самой длинной и известной из этих транспортных артерий является da yunhe, Большой Канал. Его первую секцию открыли в начале VII века, а после завершения строительства в 1327 году появилась возможность гонять баржи из Ханчжоу в Пекин. Разница по широте между ними составляет 10°, а расстояние – около 1800 км. На первых каналах использовались неудобные двойные рампы, по которым волы затаскивали суда на более высокий уровень. Изобретение шлюзового замка в 983 году дало возможность перемещать корабли безопасно и без потери воды. Последовательность шлюзов позволила поднять верхнюю точку Большого Канала на 40 м над уровнем моря. Суда по китайским каналам тянули бригады работников, волы или водяные буйволы.
Примечание 4.13. Перевозки по каналам в древности
Самое раннее описание вялого продвижения по каналам (храпящий лодочник, пасущийся мул) осталось нам от Горация (Квинт Гораций Флакк, 65-8 годы до н. э.) в его «Сатирах»:
«Да лодочник пьяный с каким-то проезжим
Взапуски петь принялись про своих отдаленных любезных.
Этот заснул наконец; а тот, зацепив за высокий
Камень свою бечеву, пустил мула попастися;
Сам же на спину лег и спокойно всхрапнул, растянувшись.
Начинало светать; мы лишь тут догадались, что лодка
С места нейдет. – Тут, выскочив, кто-то как бешеный начал
Бить то мула, то хозяина ивовой палкой. – Досталось
Их головам и бокам! – Наконец мы насилу, насилу
На берег вышли в четыре часа».

В Европе каналы стали особенно важными в XVIII и XIX веках. Лошади или мулы, шагавшие по прилегающим путям, тащили баржи со скоростью около 3 км/ч с грузом и до 5 км/ч – пустые. Механические преимущества подобного вида транспорта были очевидными: по хорошо сконструированному каналу одна тяжелая лошадь могла везти груз в 30–50 тонн, на порядок больше, чем на лучшей твердой дороге. Паровые двигатели постепенно заменили тягловых животных, но многие лошади работали на небольших каналах еще в 1890-е годы.
Создание транспортных каналов в Европе, несомненное заимствование из Китая, началось в Северной Италии в XVI столетии. 240 км Южного канала во Франции завершили к 1681 году. Самые длинные ветки на континенте и в Англии появились только после 1750 года, а в Германии система каналов возникла позже железных дорог (Ville 1990). Баржи транспортировали по каналам большое количество сырья и импортных товаров для растущей промышлености и для городов и вывозили отходы. Значительная доля траффика в Европе осуществлялась водным путем сразу перед появлением железных дорог и несколько десятилетий после того (Hadfield 1969).
По контрасту с транспортом каналов и боевыми кораблями, суда для перевозки морским путем грузов и людей на большие расстояния с самого начала высокой цивилизации были почти всегда парусными. Историю парусников можно понять в первую очередь как поиск лучшего способа конверсии кинетической энергии ветра в эффективное движение корабля. Паруса сами по себе не могут справиться с этой задачей, но они – безусловный ключевой ингредиент в ее решении. Паруса – это в основе своей аэродинамические поверхности или крылья (надуваясь, они формируют крыловидный профиль), предназначенные для максимизации подъемной силы и минимизации тяговой силы (рис. 4.14). Но сила, получаемая от парусного крыла, должна комбинироваться с балансирующей силой киля, иначе корабль будет дрейфовать по направлению воздушного потока (Anderson 2003).
Прямые паруса, поставленные под прямым углом к длинной оси корабля, были эффективными конвертерами энергии только при ветре в корму. Римские корабли, толкаемые северо-западными ветрами, могли пройти маршрут Мессина – Александрия за 6–8 дней, но на возвращение им требовалось 40–70 дней. Нерегулярное мореплавание, значительные сезонные различия, прекращение всех путешествий зимой (морской путь между Испанией и Италией был закрыт с ноября до апреля) – из-за этих обстоятельств почти невозможно определить типичную скорость (Duncan-Jones 1990). Путешествия против ветра осуществлялись в первую очередь за счет очень длительных изменений курса. Античные суда оснащались прямыми парусами, и лишь долгое время спустя были введены и начали широко распространяться радикально иные типы оснастки (рис. 4.21).
Корабли с косой оснасткой имели паруса, вытянутые вдоль длинной оси судна, мачты служили точками, вокруг которых вращались паруса, чтобы поймать ветер. Подобные суда могли очень легко менять направление, просто поворачивая под ветер и продолжая идти зигзагом. Впервые косая оснастка, вероятнее всего, появилась в Юго-Восточной Азии в виде прямоугольного наклонного паруса. Модификации этого древнего варианта были в конечном итоге приняты в Китае и через Индию пришли в Европу. Характерные китайские реечные паруса использовались как минимум со II века до н. э. Наклонный прямой парус широко распространился в Индийском океане в третьем веке до н. э. и стал очевидным предшественником треугольных (латинских) парусов, которые сделались типичными для арабского мира после седьмого столетия.
Примечание 4.14. Паруса и хождение под парусом против ветра
Когда ветер давит на парус, разница в давлении генерирует две силы: подъемную, чье направление перпендикулярно парусу, и тяговую, которая действует по ходу паруса. При ветре в корму подъемная сила очевидно будет много больше, чем тяговая, и корабль пойдет хорошо. При ветре с траверза, или слегка ближе к носу, сила, толкающая корабль вбок, будет больше силы, двигающей его вперед. Если корабль попытается повернуть еще ближе к ветру, то тяговая сила превзойдет подъемную и судно будет двигаться назад. Максимальные возможности для хождения под парусом близко к ветру достигли более 100° с начала парусной эпохи. Ранние египетские корабли с прямыми парусами могли выдерживать угол только в 150°, средневековые прямые паруса давали возможность медленно двигаться при ветре с траверза (90°, их потомки послеренессансной эпохи могли двигаться под ветер под углом в 80 градусов). Только использование ассиметричных парусов, размещенных большей частью параллельно длинной оси судна и способных поворачиваться вокруг мачт, сделало возможным хождение круче к ветру.
Корабли, на которых прямые паруса комбинировались с треугольными, могли идти под углом 60°, а косая оснастка (включая треугольные, реечные, шпрюйтовые и гафельные паруса) давала возможность идти под 45°. Современные яхты могут приближаться к 30°, к аэродинамическому максимуму. Единственным способом обойти предел возможностей несовершенных парусов древности было двигаться под лучшим из возможных углов, а затем менять курс. Суда с прямой оснасткой должны были поворачивать через фордевинд или делать полный разворот под ветер. Корабли с косыми парусами использовали поворот оверштаг, поворачивая нос под ветер и ловя ветер противоположной стороной паруса.
Рисунок 4.21. Первичные типы парусов. Прямые паруса: прямоугольные (а) или с выемкой (b) появились раньше всех. Треугольные паруса: тихоокеанский гик (d), латинские с вынесенным носом или без него (е, f). Шпрюйтовые паруса (h) были распространены в Полинезии, Меланезии (i), Индийском океане (j) и Европе (k, I). Мачты и все поддерживающие структуры (гики, шпрюйты, гафели) нарисованы жирными линиями, паруса изображены не в масштабе. Базируется на следующих работах: Needham and co-workers (1971) и White (1984)

 

Рисунок 4.22. Эволюция парусных кораблей. Общества древнего Средиземноморья использовали прямую оснастку. Еще до того, как появиться в Европе, треугольные паруса доминировали в Индийском океане. Большая морская джонка из Цзянсу представляет собой типичную китайскую конструкцию. «Санта-Мария» Колумба имела прямые паруса, фок-топсель, латинский парус на бизань-мачте и шпрюйтовый парус под бушпритом. Flying Cloud знаменитый американский клипер-рекордсмен середины XIX века, был оснащен треугольным фоком, бизанью и величественными главными парусами и трюмселями. Упрощенные очертания базируются на изображениях из Armstrong (1969), Daumas (1969) и Needham and co-workers (1971), корабли изображены в одном масштабе

 

Экспансия викингов (которые в конечном итоге добрались до Гренландии и Ньюфаундленда) обеспечивалась большим количеством прямоугольных или квадратных парусов из шерсти. Их производство было очень трудоемким: чтобы соткать один однослойный парус в 90 м2, используя вертикальную основу и горизонтальный уток, ремесленник тратил до пяти лет. Возможность превращать земли в пастбища, способные прокормить достаточное количество овец, чтобы давать шерсть для больших северных флотов, была получена благодаря использованию рабского труда (Lawler 2016). После того как путешествия викингов прекратились, большие шерстяные паруса применяли в северо-восточной Атлантике (между Исландией и Скандинавией, включая Гебридские и Шетландские острова) до XIX века (Vikingeskibs Museet 2016).
В Европе только комбинация прямой оснастки и треугольных парусов в позднее Средневековье сделала возможным хождение круто к ветру. Постепенно корабли оснащались все большим числом лучше управляемых парусов (рис. 4.22). Усовершенствованная конструкция корпуса, расположенный на корме руль (использовался в Китае с конца I века н. э., в Европе появился на тысячу лет позже) и магнитный компас (в Китае после 850 года, в Европе около 1200-го) превратили корабли в конвертеры энергии уникальной эффективности. И корабли стали практически непобедимыми после того, как на них начали уставливать точные тяжелые пушки. Вооруженный корабль, разработанный в Западной Европе на протяжении XIV и XV столетий, открыл эру беспрецедентной масштабной экспансии. Как вполне справедливо писал один из исследователей (Cipilla 1965, 137), корабль «был по сути своей компактным устройством, которое позволяло сравнительно маленькой команде использовать не имевшее аналогов количество неодушевленной энергии для движения и разрушения. Секрет внезапного и быстрого возвышения Европы объясняется именно этим».
Такие корабли достигли максимальных размеров и вооружились самым большим количеством пушек в XVIII и начале XIX века. Морское соперничество между Францией и Англией в конечном итоге закончилось тем, что Британия установила превосходство на морях, но исходный французский дизайн большого двухпалубного боевого корабля (около 54 метров в длину по пушечной палубе, с 74 пушками и командой в 750 человек) использовался при строительстве кораблей вплоть до появления пароходов. Британский военно-морской флот спустил на воду почти 150 больших кораблей (Watts 1905; Curtis 1919), и они обеспечили стране главенство в океанах и до, и после эпохи Наполеона. Первые суда такого типа, появившиеся в начале XV века, несли отважных португальских моряков к далеким берегам (примечание 4.15).
Примечание 4.15. Открытия португальских мореплавателей
Моряки из Португалии сначала двинулись на юг, вдоль западного берега Африки: устье Сенегала они обнаружили в 1444 году, экватор пересекли в 1472-м, увидели Анголу (современное название) в 1486-м, и в 1497 году Васко да Гама (1460–1524) обогнул мыс Доброй Надежды и пересек Индийский океан, чтобы добраться до Индии (Boxer 1969; Newitt 2005). Луис де Камоэнс (1525–1580) в своей эпической поэме «Лузиады», опубликованной в 1572 году, отметил это продвижение:
«Герои вышли в океан открытый
И бороздят валов мятежных гривы.
Корабль летит и, пеною омытый,
Взрывает гладь жемчужную заливов.
И белый парус, ветрами обвитый,
Над океаном реет горделиво.
И прочь несутся, в страхе цепенея,
Стада детей бесчисленных Протея».

В 1492 году три испанских корабля, ведомых Христофором Колумбом (1451–1506), пересекли Атлантику и достигли Америки. В 1519 году Фернан Магеллан (1480–1521) пересек Тихий океан, и после его смерти на Филиппинах «Викторию» возглавил Хуан Себастьян Элькано (1476–1526), завершивший первое кругосветное путешествие. По многочисленным историческим записям мы можем проследить прогресс в тоннаже и скорости как типичных, так и лучших парусных кораблей, которые использовались в эпоху колониальной экспансии и для увеличения объемов морской торговли (Chatterton 1914; Anderson 1926; Cipolla 1965; Morton 1975; Casson 1994; Gardiner 2000). Хотя римляне строили суда с водоизмещением более тысячи тонн, их стандартные грузовые корабли несли менее 100 тонн.
Тысячей лет позже европейцы отправлялись в свои экспедиции на столь же маленьких судах. «Санта-Мария» Колумба в 1492-м имела водоизмещение 165 тонн, а «Тринидад», корабль Магеллана, всего 85 тонн. Прошло сто лет, и корабли Непобедимой Армады (отправилась в плавание в 1599 году) в среднем имели водоизмещение 515 тонн. В 1800 году британские корабли индийского флота имели водоизмещение порядка 1200 тонн. Римские грузовые суда не могли двигаться быстрее 2–2,5 м/с, лучшие клиперы XIX века превосходили 9 м/с. В 1853 году построенный в Бостоне Lightning с английским экипажем установил рекорд, сделав самый длинный дневной переход под парусом: корабль прошел 803 км со средней скоростью, по расчетам, 9,3 м/с (Wood 1922). В 1890 году «Катти Сарк», возможно, самый знаменитый чайный клипер, одолел 6000 км за 13 дней, со средней скоростью 5,3 м/с (Armstrong 1969).
Слишком много сомнительных предположений надо сделать, чтобы рассчитать общую энергию, необходимую и для движения отдельных кораблей при долгих плаваниях, и для того, чтобы активно себя проявлял военный или торговый флот какой-либо страны. Согласно исследованиям (Unger 1984), вклад парусных кораблей в общее использование энергии во время голландского Золотого века примерно равнялся выработке всех голландских ветряных мельниц – но это было всего 5 % от громадного потребления торфа в стране (примечание 4.16). И хотя попытка оценить общее количество энергии хождения под парусами может выглядеть сомнительной, можно утверждать, что экспансия морской торговли (предшествующая экспансии экономики в целом) и ее растущая продуктивность внесли решающий вклад в экономический рост в Европе между 1350 и 1850 годами. (Lucassen and Unger 2011).
Примечание 4.16. Вклад парусных кораблей в использование энергии в Голландии
Информация о тоннаже и скорости, которая позволяет нам рассчитать энергию, необходимую для передвижения отдельных кораблей при долгих путешествиях, или определить общий годовой вклад энергии ветра, использованной торговым или военным флотом, является неадекватной. Критические переменные – дизайн корпуса, площадь парусов и их точная форма, вес груза, коэффициент загрузки – слишком разнородны, чтобы вывести из них значимые средние величины. Но все же можно выстроить последовательность предположений (Unger 1984), чтобы определить вклад парусных кораблей в использование энергии в Голландии во время так называемого Золотого века, и мы получим годовую величину примерно 6,2 МВт. Для сравнения – это приблизительный эквивалент общей мощности всех голландских мельниц (оценка из De Zeeuw 1978), но лишь малая доля (менее 5 %) от потребления торфа в стране.
Но такие количественные сравнения ведут нас в ложном направлении: никакое количество торфа не сделало бы возможным путешествие в Вест-Индию; полезная энергия, полученная из торфа, составляла, вероятнее всего, менее четверти от его валовой теплопроиз-водительности; и, само собой, есть фундаментальное противоречие в том, чтобы сравнивать ограниченные и невозобновляемые (на исторической шкале времени точно) запасы недавно открытого ископаемого топлива с изобильным и возобновляемым ресурсом, который постоянно обеспечивает разница в атмосферном давлении. Сравнения агрегированной мощности таким образом имеют не больше смысла, чем сопоставление эффективности конкретных преобразований (в нашем случае – эффективности паруса и торфяной печи).

Здания и другие сооружения

Громадное разнообразие строительных стилей и видов украшения зданий можно свести к четырем фундаментальным структурным компонентам: стены, колонны, балки и арки. Только человеческий труд и несколько простых инструментов требовались, чтобы создавать эти компоненты из трех базовых строительных материалов доиндустриальной эпохи: дерева, камня и кирпичей, обожженных либо на солнце, либо в специальной печи. Дерево можно было срубить и обработать топором, камень добывали в карьере с помощью молотов и клиньев, а обрабатывали долотом. Кирпичи, способные высохнуть на солнце, лепили из легкодоступной аллювиальной глины. Нехватка больших деревьев ограничивала применение древесины во многих регионах, а дороговизна транспортировки камня не позволяла использовать его вдали от мест добычи. Вследствие этого часто очень трудоемкая тонкая обработка дерева и камня могла значительно увеличить расход энергии при строительстве.
Высушенные на солнце кирпичи, широко распространенные на Ближнем Востоке и в средиземноморской Европе, были самыми дешевыми с точки зрения энергии строительными блоками. Их производство достигало больших объемов даже в самых первых оседлых поселениях. Вот как шумерская столица Урук описана в эпической поэме «Гильгамеш», одном из древнейших художественных произведений, дошедших до нас (относится к 2500 году до н. э.) (Gardner 2011): «Одна часть – город, одна часть – сад, и одна – глиняные ямы. Три части, включая глиняные ямы, и формируют Урук». Кирпичи делали из комьев глины, воды и мякины из нарубленной соломы, иногда добавляя навоз и песок; смесь уплотняли, быстро придавали нужные очертания в деревянных формах (до 250 кусков в час) и оставляли сохнуть на солнце. Размеры варьировались от массивных вавилонских кирпичей (40x40x10 см) до более тонких, вытянутых (45x30x3,75 см) римских. Глиняные кирпичи плохо проводят тепло, и это помогает сохранять прохладу внутри зданий в жарком климате пустыни. У них также есть важное механическое преимущество: свод из такого материала не требует балок для поддержки (Van Веек 1987). При достаточном количестве глины и труда кирпичи можно производить в колоссальных объемах.
Обожженные кирпичи использовали в древней Месопотамии, позже они распространились как в Римской империи, так и в Китае при династии Хань. Столетиями глину обжигали прямо в грудах или в ямах, при этом расходовалось очень много топлива, а обжиг получался неравномерным. Позже, когда технология улучшилась, правильно сложенные кирпичи обжигали при температуре до 800 °C, и в результате получалась более однородная продукция. Полностью закрытые горизонтальные топки обеспечили постоянство горения и повышенную эффективность сгорания. У них были правильно устроенные дымоходы, поднимающиеся горячие газы отражались от куполообразной крыши, но для функционирования таким печам требовались дерево или древесный уголь. В Европе потребность в кирпичах выросла в XVI веке, когда ими начали заменять мазанки и деревянные конструкции и стали их использовать и для фундаментов, и для стен.
Вне зависимости от использованных материалов, при строительстве в доиндустриальную эпоху умело координировался труд большого количества людей (включая опытных строителей), или людей и животных, что позволяло решать задачи, сложные даже по стандартам сегодняшнего механизированного мира.
Все карьерные разработки велись вручную, животные перевозили камень к месту строительства, иногда их использовали, чтобы приводить в движение подъемные машины и поднимать тяжелые детали. Но в остальном традиционное строительство полагалось исключительно на человеческий труд. Ремесленники использовали пилы, топоры, молоты, долота, насыпи, буры, совки и наборы шкивов и даже настоящие краны, чтобы поднимать древесину, камни и стекло (Wilson 1990).
Краны, приводимые в движение вращающими лебедку или шагающими по ступальному барабану людьми, хорошо, пусть и медленно, справлялись со своей задачей. А некоторые машины – включая движимый волами ворот Филиппо Брунеллески (1377–1446), использованный для подъема камня при строительстве купола кафедрального собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции, и вращающийся кран, потребовавшийся при монтаже «фонаря» (Prager and Scaglia 1970) – были сконструированы для решения отдельных сложных задач (примечание 4.17). Некоторые проекты были завершены быстро: Парфенон за 15 лет (447–432 до н. э.), Айя-София в Константинополе, громадная византийская церковь, позже ставшая мечетью – менее чем за пять (527–532).
Примечание 4.17. Хитроумные машины Брунеллески
Работа Филиппо Брунеллески над строительством Санта-Мария-дель-Фьоре является прекрасной иллюстрацией той роли, которую могли сыграть нестандартные изобретения в получении необходимого количества энергии эффективным способом. Тягловые животные и рабочие были наготове, чтобы предоставить нужную мощность, но рекордные размеры купола (внутренний диаметр 41,5 м) и не имевшую прецедентов манеру его возведения (без опирающихся на землю подмостков) обеспечили именно машины Брунеллески (Prager and Scaglia 1970; King 2000; Ricci 2014). Машины эти разобрали после того, как строительство закончилось, но, к счастью, их изображения сохранились в Zibaldone, рукописи Буонаккорсо Гиберти.
В их числе были стоящие на земле и поднятые краны с возможностью обратной тяги, вращающийся кран, использованный при установке «фонаря», тщательно изготовленные домкраты и, возможно, самая хитроумная из всех машин, устройство для позиционирования груза (не обязательно собственное изобретение Брунеллески, но совершенно точно отличное воплощение идеи). Материалы для купола поднимались с помощью центральной лебедки (ее вращали волы). Кирпичи с легкостью подавались каменщикам, которые возводили поднимающуюся изогнутую конструкцию, но тяжелые каменные блоки, использованные для обвязных колец (нужны, чтобы все не расползалось в стороны) нельзя было двигать от центральной точки подъема к точно определенным местам установки с помощью тяги или толкания. Задача была выполнена с помощью устройства для позиционирования с двумя горизонтальными скользящими поверхностями, приводимыми в движение винтами, которые монтировались на вертикальном стержне и имели противовес.
Выделяют несколько разновидностей больших строительных проектов, и, несомненно, лучше всего известны различные церемониальные объекты, в первую очередь погребальные памятники и места поклонения. Наиболее важные сооружения первой группы, пирамиды и захоронения, различаются по массивности, храмы и соборы сочетают монументальность и сложность с красотой. Среди утилитарных объектов доиндустриального времени я бы отметил акведуки из-за их длины и структуры: комбинация каналов, тоннелей, мостов и обратных сифонов. Невозможно точно рассчитать, сколько энергии потребовалось на создание того или иного античного сооружения, и даже энергозатраты при строительстве в Средневековье оценить сложно. Примерные расчеты показывают значительные различия в общих энергетических потребностях, и даже большие вариации в средних потоках мощности.
Впечатляющие погребальные или религиозные сооружения, требующие огромных и постоянных потоков энергии – масштабного планирования, выдающейся организации, массовой мобилизации труда – возводились в каждой из высоких доиндустриальных культур (Ching, Jarzombek and Prakash 2011). Эти гробницы и храмы выражают универсальное человеческое стремление к совершенству, к вечному, лежащему за гранью обыденного (рис. 4.23). Я бы с большим удовольствием сказал что-нибудь определенное по поводу строительного процесса и энергетических потребностей при возведении египетских пирамид, величайших сооружений античного мира. Мы знаем, что их создание потребовало долговременного планирования, продуманной логистики в больших масштабах, эффективного наблюдения и обслуживания и потрясающих, пусть и совершенно не понятных для нас технических навыков.
Крупнейшая пирамида, гробница фараона Хеопса из Четвертой династии, лучше всего воплощает эти черты. Она возведена из почти 2,5 миллиона камней, весящих в среднем 2,5 тонны, имеет общую массу свыше 6 Мт, сосредоточенную в объеме менее 2,5 Мм3, и была сложена с замечательной точностью и удивительной скоростью. По ориентации Великой пирамиды (используя расположение двух околополярных звезд, Мицар и Кохаб) мы можем сузить период начала ее строительства до 2485–2475 годов до н. э. (Spence 2000) и определить, что оно завершилось за 15–20 лет. Египтологи сделали вывод, что камни для основы пирамиды добыли прямо в Гизе, но детали облицовки доставили из каменоломен Туры по Нилу, а массивные гранитные блоки, создающие пирамидальную форму (самый тяжелый – около 80 тонн) приходилось везти из Южного Египта (Lepre 1990; Lehner 1997).
Все это выглядит логичным и понятным.
Древние египтяне развили мастерство добычи камня, научились вырезать большое количество одинаковых блоков и управляться с огромными монолитами. Они также умели двигать тяжелые объекты по земле и перевозить их на лодках по реке. Хорошо известные настенные росписи показывают, как колосс в 50 тонн из пещеры при Эль-Берше (1880 год до н. э.) передвинули на салазках 127 человек (давших пиковую полезную мощность более 30 кВт), трение при этом уменьшали с помощью
смазки, которую лил под полозья работник с кувшином. Тот факт, что очень большие камни возили на лодках, доказывает уникальное изображение из Дейр-эль-Бахари: два обелиска из Карнака длиной в 30,7 м каждый везли на барже длиной в 63 м, которую приводили в движение около 900 гребцов в 30 лодках (Naville 1908).

 

Рисунок 4.23. Пирамида Хеопса в Гизе, пирамида Солнца в Теотиуакане, ступа Джетавана в Анурадхапуре и зиккурат Дур-Унташ в Эламе. Детальная информация об этих сооружениях доступна в Bandaranayke (1974), Tompkins (1976) и Ching, Jarzombek and Prakash (2011)

 

Но за пределами того, что касается добычи камней в карьерах и их перевозки к месту строительства, лежит область догадок. Мы до сих пор не знаем, как были на самом деле построены крупнейшие пирамиды (Tompkins 1971; Mendelssohn 1974; Hodges 1989; Grimal 1992; Wier 1996; Lehner 1997; Edwards 2003). Египетские иероглифы и рисунки, несущие много другой информации, не дают нам описаний или изображений этого процесса. Наиболее распространенное современное предположение сводится к использованию рамп из кирпичей, глины и камней, но по поводу их форм нет консенсуса (одна наклонная рампа, несколько штук, круговая рампа?), как и по поводу уклона (предлагаются градиенты от 1 к 3 до 1 к 10). Но все эти расхождения не имеют значения, поскольку очень высока вероятность, что строительные рампы не применялись (Hodges 1989).
Если бы это была одна наклонная плоскость, ее пришлось бы возводить заново после того, как завершалось выкладывание очередного слоя камней, и с вполне приемлемым уклоном 10 к 1 ее объем далеко бы превзошел объем самой пирамиды. Рампы, окружающие пирамиду, могли быть узкими, но трудными в постройке, неустойчивыми и неудобными для работы с большими весами, и даже во многих отношениях опасными. В качестве решения были предложены веревки, вращающиеся под прямыми углами вокруг угловых столбов, но у нас нет доказательств, что египтяне использовали что-то похожее и что это работает. В любом случае, где-либо на территории плато Гизы нет остатков от больших дамб.
Самое раннее описание строительства пирамид оставил нам Геродот (484–425 до н. э.), – через два тысячелетия после их возведения. Во время его визита в Египет местные рассказали, что «сооружение же самой пирамиды продолжалось 20 лет»: «Она четырехсторонняя, каждая сторона ее шириной в 8 плефров и такой же высоты, и сложена из тесаных, тщательно прилаженных друг к другу камней. Каждый камень длиной, по крайней мере, в 30 футов. Построена же эта пирамида вот как. Сначала она идет в виде лестницы уступами, которые иные называют площадками, или ступенями. После того как заложили первые камни [основания], остальные [для заполнения площадок] поднимали при помощи помостов, сколоченных из коротких балок. Так поднимали с земли камни на первую ступень лестницы. Там клали камень на другой помост; с первой ступени втаскивали на второй помост, при помощи которого поднимали на вторую ступень. Сколько было рядов ступеней, столько было и подъемных приспособлений. Быть может, однако, было только одно подъемное приспособление, которое после подъема камня без труда переносилось на следующую ступень. Мне ведь сообщали об обоих способах – почему я и привожу их».
Может ли это быть описанием реального метода постройки? Сторонники гипотезы подъема так и думают, и они предложили множество вариантов того, как эта работа могла быть сделана с помощью рычагов простых, но хитроумных машин. Одна из версий (Hodges 1989) основана на простейшем методе – использовании деревянных рычагов, чтобы поднимать каменные блоки, и катков, чтобы ставить их на нужное место. Возражения этой гипотезе опираются прежде всего на тот факт, что требовалось огромное количество вертикальных передвижений для каждого блока из верхних рядов и что необходима была постоянная бдительность и аккуратность, чтобы предотвратить случайное падение камней в 2–2,5 тонны.
Но если отложить в сторону особенности постройки, мы все же можем оценить общие энергетические затраты, которые требовались для возведения Великой Пирамиды, и следовательно – трудовые потребности. Мои расчеты, опирающиеся скорее на большие допуски, чем на предположительный теоретический минимум, показывают, что с задачей могли справиться всего 10 тысяч человек (примечание 4.18). Одна из немногих вещей, которые мы можем с определенностью утверждать относительно возведения пирамид: любые предположения численности работающих на порядок больше являются непростительными преувеличениями. Прокорм такого количества работников, в основном сконцентрированных на плато Гизы, мог быть столь же ограничивающим фактором, как доставка и подъем камней, и даже более того.
Примечание 4.18. Энергетические затраты при строительстве Великой пирамиды
Потенциальная энергия Великой пирамиды (требуемая, чтобы поднять камни общей массой 2,5 Мм3) равняется примерно 2,5 ТДж. Исследователи (Wier 1996), рассчитавшие эту цифру, определили среднюю полезную работу в 140 кДж/сут., и на мой взгляд, это слишком мало. Вот мои сравнительно консервативные предположения. Чтобы добыть 2,5 Мм3 камня за 20 лет (продолжительность правления Хеопса), нужно было 1500 каменщиков, работавших 300 дней в году и производивших 0,25 м3 камня на человека с использованием медного долота и базальтовой колотушки. Даже предположив, что в три раза больше ремесленников требовалось, чтобы обработать и украсить каменные блоки (хотя многие из внутренних почти не обрабатывались) и для того, чтобы переместить их к месту строительства, общая рабочая сила, обеспечивающая строительные материалы, составляла порядка 5000 человек.
При дневном вложении полезной энергии в 400 Дж на человека подъем камней потребовал бы 6,25 миллиона дней, и если разложить это на 20 лет и 300 рабочих дней в году, то мы определим, что с этой задачей справилась бы тысяча человек. Если примерно такое же количество требовалось, чтобы ставить камни на места в растущем сооружении, и даже если удвоить это число, чтобы учесть дополнительный труд организаторов и надсмотрщиков, тех, кто занимался транспортом, ремонтировал инструменты, привозил и готовил еду, стирал одежду, то общее число будет все равно меньше чем 10 тысяч человек. Во время пиковых периодов строительства работники Гизы вкладывали совместно по меньшей мере 4 ГДж полезной механической энергии каждый час, что дает общую мощность 1,1 МВт. Чтобы поддерживать эти усилия, они потребляли каждый день дополнительные 20 ГДж пищевой энергии, эквивалент почти 1500 тонн пшеницы.
Ранее максимальное число строителей (Wier 1996) определяли в 13 тысяч человек на период в 20 лет. Другой расчет (Hodges 1989) дал 125 команд, которые могли поднять все камни на нужные места за 17 лет работы, и общее число постоянных работников всего 1000 человек; в этом случае три года отводилось на обработку облицовочного камня прямо на месте, начиная с вершины. По контрасту, тому же Геродоту рассказали о 100 тысячах человек, работавших по три месяца в год на протяжении 20 лет. Ранние изыскания (Mendelssohn 1974) оценивали общее количество в 70 тысяч сезонных рабочих и примерно в 10 тысяч постоянных каменщиков. И то и другое – не более чем недоказуемые преувеличения.
Другие античные строения, потребовавшие многолетних вложений труда, включают месопотамские ступенчатые храмы-зиккураты, возведенные после 2200 года до н. э., и ступы (dagobas) в честь Будды, часто содержащие реликвии (Ranaweera 2004). Рассчитано (Falkenstein 1939), что возведение зиккурата Ану около Варки в Ираке потребовало по меньшей мере 1500 человек, работавших 10 часов в день на протяжении пяти лет, что дает нам вложенную энергию около 1 ТДж. А Джетава-нарамайя, крупнейшая ступа из Анурадхапуры (122 метра высотой, построена из 93 миллионов грубо уложенных обожженных кирпичей) потребовала около 600 работников по 100 дней в год на 50 лет (Leach 1959), или чуть более 1 ТДж полезной энергии (рис. 4.23).
Пирамиды Мезоамерики, особенно из Теотиуакана (построены во II веке) и Чолулы, тоже очень впечатляют. Пирамида Солнца из Теотиуакана с плоской верхушкой была высочайшей, вероятно, свыше 70 м, если включить в расчеты стоящий на ней храм (рис. 4.23). Ее сооружение обошлось намного легче, чем постройка трех каменных комплексов в Гизе. Основа пирамиды состоит из земли, булыжников и кирпича-сырца, и только облицовка сделана из обработанного камня, который держится на месте благодаря выступающим зацепам и известковому строительному раствору (Baldwin 1977). И все же ее создание потребовало работы до 10 тысяч человек на протяжении более чем 20 лет.
Примечание 4.19. Римский Пантеон
Римский opus caementicium представлял собой смесь заполнителей (песок, гравий, камни, часто также битые кирпичи и плитка) и воды, но его связывающим агентом был не цемент (как в бетоне), а известковый раствор (Adam 1994). Его готовили прямо на строительной площадке, и уникальная смесь гашеной извести и вулканического песка – который добывали около Путеоли (современный Поццуоли, всего в нескольких километрах к западу от Везувия) и называли pulvere puteolano (позже pozzolana) – давала прочный материал, затвердевающий даже под водой. Хотя он и уступает современному бетону, материал из путеоланского заполнителя и высококачественной извести подходил не только для массивных и устойчивых стен, но и для больших сводов и куполов (Lancaster 2005).
Особенно широко римляне использовали opus caementicium при строительстве Пантеона, которое было завершено в 126 году, во время правления Адриана. Большой купол, 43,3 м диаметром (внутренняя часть сооружения могла войти в сферу такого диаметра) остался непревзойденным строителями доиндустриальной эпохи, хотя купол собора Святого Петра, спроектированного Микеланджело и завершенного в 1590 году, был не намного меньше, 41,75 м (Lucchini 1966; Marder and Jones 2015). Помимо очевидных визуальных достоинств самым замечательным свойством купола является уменьшающаяся по вертикали удельная масса: пять рядов кессонного потолка не только становятся все меньше по мере того, как сходятся к центральному отверстию, они сложены из все более тонких слоев кладки со все более легкими наполнителями, от известкового туфа внизу до пемзы наверху (MacDonald 1976).
Купол целиком весит около 4500 тонн.
Если по поводу создания наиболее крупных пирамид мы вынуждены довольствоваться лишь предположениями, то о строительстве таких классических сооружений, как Парфенон или Пантеон, мы знаем почти все (Coulton 1977; Adam 1994; Marder and Jones 2015). Замечательно устроенный Пантеон часто вспоминают как случай хитроумного использования бетона, но утверждение, что римляне были первыми, кто использовал этот материал, является неточным. Бетон – это смесь цемента, заполнителей (песок, мелкие камни) и воды, а цемент производится высокотемпературной обработкой тщательно составленной и тонко размолотой смеси извести, глины и оксидов металла в наклонной вращающейся печи. И нет никакого цемента в римском бетоне opus caementicum, который использовали для возведения Пантеона или любого другого строения ранее 1820-х годов (примечание 4.19).
Мы знаем, что массивные архитравы (такие, как в Парфеноне, весящие почти 10 тонн) нужно было поднимать краном и что их могли прикатить к месту строительства, заключив в округлую опалубку. Краны очень похожего устройства использовали почти двумя тысячелетиями позже при возведении соборов, наиболее продуманных сооружений европейского Средневековья. В строительстве участвовало множество опытных ремесленников, которым требовалось большое количество специальных инструментов (Wilson 1990; Erlande-Brandenburg 1994; Recht 2008; Scott 2011). Работа большей частью была сезонной, но типичные потребности составляли сотни занятых постоянно работников – дровосеков, каменотесов, возниц при телегах, плотников, стекольщиков – на одно или два десятилетия. Общее вложение энергии было таким образом на два порядка меньше, чем при создании пирамид, с пиковыми потоками мощности всего в несколько сотен киловатт.
Хотя некоторые соборы были построены быстро (Шартрский за 27 лет, оригинальный Нотр-Дам-де-Пари за 37), процесс часто прерывался эпидемиями, трудовыми спорами, сменами режима, нехваткой денег и военными конфликтами. В результате этот процесс мог затянуться на несколько поколений, а в некоторых случаях и на столетия: строительство пражского собора Святого Вита, начатое Карлом IV в 1344 году, прервалось в начале XV века, и конструкция (огороженная забором) была завершена с постановкой двух готических шпилей только в 1929 году (Kuthan and Royt 2011).

 

Рисунок 4.24. Римские акведуки несли воду рек, источников, озер или водохранилищ, комбинируя по меныией мере два или три из следующих конструктивных элементов (сверху вниз): неглубокие прямоугольные туннели, стоящие на фундаменте; туннели, доступ в которые осуществлялся через колодцы; дамбы, пронизанные арками; одноярусные или двуярусные арочные мосты; обратные сифоны из свинца, чтобы проводить воду через глубокие долины. Римские акведуки, поставлявшие около 1 Мм3 воды в день, сформировали впечатляющую систему, строительство которой продолжалось более 500 лет. Базируется на Ashby (1935) и Smith (1978). Уклон акведуков преувеличен

 

Масштабное строительство, связанное с водой, то есть дамб, каналов и мостов, хорошо документировано в Иерусалиме, Месопотамии и Греции. Но римские достижения, несомненно, известны лучше всего как образцы смелых инженерных решений в области обеспечения городов водой. Практически каждый крупный римский город имел хорошо продуманную систему водоснабжения, и это достижение было превзойдено только в Европе эпохи индустриализации. Римские акведуки выглядели особенно впечатляюще (рис. 4.24). Плиний в своей «Естественной истории» назвал их «наиболее замечательным достижением всего света».
Система водоснабжения начиналась с акведука Aqua Appia в 312 году до н. э. и в конечном итоге состояла из 11 линий, протянувшихся почти на 500 км (Ashby 1935; Hodge 2001). К концу I века общий приток воды составлял более 1 Мм3 (1 Гл) в день, то есть в среднем более 1500 литров на душу населения, а в конце XX века тот же Рим (с населением в 3,5 миллиона) получал в среднем (в том числе для промышленного использования) около 500 литров на душу населения (Bono and Boni 1996). Столь же впечатляющим был масштаб римской канализационной системы cloaca maxima, спрятанной под землей; она достигала 5 метров в диаметре.
По всей Римской империи акведуки состояли из набора одинаковых структурных элементов (рис. 4.24). Водопроводы начинались от источников, озер или искусственных прудов и были прямоугольными в поперечном сечении, их строили из каменных или бетонных плит, промазанных цементом. Обычный уклон акведуков составлял не менее 1 к 200 на каждом из ряда участков, и везде, где возможно, строители избегали тоннелей. Там, где приходилось делать подземный отрезок, к каналу обеспечивали доступ сверху с помощью колодцев. Только в расщелинах, слишком длинных, чтобы обогнуть их, или слишком глубоких для простой дамбы римляне строили мосты. Не более 65 км римских акведуков проходили по аркам. Мосты Августа у Гарда (более 50 метров высотой), Мериды и Тарагоны являются лучшими образцами. Очищение и ремонт каналов, туннелей и мостов, которым часто угрожала эрозия, были постоянной задачей.
Если для пересечения долины требовался мост выше, чем 50–60 метров, то римские инженеры применяли обратный сифон. Его трубы соединяли более высокий резервуар на одной стороне долины с чуть ниже расположенным приемным резервуаром на другой стороне (Hodge 1985; Schram 2014). Пересечение потока на дне долины все же требовало возведения моста. Высокие энергетические затраты при строительстве таких сооружений в первую очередь связаны с большим количеством свинца, который требовался для труб высокого давления – они могли выдержать до 1,82 Мпа (18 атмосфер) – и с ценой транспортировки металла часто на значительное расстояние от центров его плавки. Например, общее количество свинца для девяти сифонов в водопроводе Лиона составило около 15 000 тонн.
Назад: Хозяйственные нужды
Дальше: Металлургия