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.
