Энергия и цивилизация - Вацлав Смил

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

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

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

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

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

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