Глава 5
Революция в энергетике
Линн Уайт в ставшей теперь классической статье «Технологии и изобретения в Средние века» писал: «Главным достижением Средневековья были не его соборы, не его этика или схоластика, а построение впервые в истории сложной цивилизации, не основанной на применении тяжелого труда рабов или кули». Средневековая энергетическая революция определенно является одним из ярких и важных событий в истории. Тем не менее столетия, последовавшие за упадком Римской империи, часто называют на западе Темными веками, и многие полагают, что никого, кроме церковнослужителей, не интересовали проблемы улучшения условий жизни людей в это время. Однако все же были инженеры, успешно применявшие свои знания, чтобы удовлетворить потребности современников. Они занимались изобретательской деятельностью, делали важные открытия. Было бы ошибкой считать, что западная цивилизация в эти времена вернулась к примитивным условиям, предшествовавшим даже шумерам и египтянам, поскольку, когда римские границы ослабели, Западную Европу захлестнули волны кочевников. На самом деле варвары принесли с собой многие новые знания и внесли весомый вклад в развитие западной цивилизации. Варвары доставили не только такие инженерные инновации, как компактный дом и высокий деревянный шпиль, но также показали нам такие вещи, как штаны, масло и мыло.
Цивилизация, которой варвары отдали свои знания и опыт, унаследовала в основном традиции греко-римского мира. Понятно, что, если речь идет о науке и технологии, христианский Запад придерживался римских традиций, которые предпочитали инженерию, а не чистую науку. Зато ислам унаследовал и поддерживал в Средние века греческую науку и технологии. На Западе практически не было научной деятельности до XIIXIII веков, когда западные ученые стали переводить арабские научные труды на латынь. Мусульмане перевели большинство греческих научных книг на арабский язык пятью веками раньше. Таким образом, две разные традиции, возникшие с подъемом римлян в классической древности, продолжались раздельно приблизительно до XIII века. Когда латинский Запад начал принимать греческие научные знания, которые мусульмане передали и дополнили, две традиции начали сливаться.
Большое значение для стимулирования развития источников энергии, не связанных с человеком, имели упадок института рабства и продолжающийся рост христианства. Как указал Линн Уайт, история средневековой технологии в определенной степени является историей религии. Христианский идеал вечной ценности человека и соответствующее нежелание заставлять людей выполнять работу, не требующую ни интеллекта, ни проницательности, были среди главных факторов, которые спровоцировали эволюцию механической энергии как замену человеческим мускулам. Не будет преувеличением утверждать, что христианская этика частично обусловила подъем энергетики. Вместе с тем именно энергетика сделала возможной более масштабную реализацию христианских идеалов и внесла большой вклад в развитие человеческого достоинства и свободы на Западе.
Большое значение для стимулирования развития источников энергии, не связанных с человеком, имели упадок института рабства и продолжающийся рост христианства. Как указал Линн Уайт, история средневековой технологии в определенной степени является историей религии. Христианский идеал вечной ценности человека и соответствующее нежелание заставлять людей выполнять работу, не требующую ни интеллекта, ни проницательности, были среди главных факторов, которые спровоцировали эволюцию механической энергии как замену человеческим мускулам. Не будет преувеличением утверждать, что христианская этика частично обусловила подъем энергетики. Вместе с тем именно энергетика сделала возможной более масштабную реализацию христианских идеалов и внесла большой вклад в развитие человеческого достоинства и свободы на Западе.
Средневековые инженеры, конечно, не ограничивали себя только энергетикой. На самом деле они продвинули многие формы римской инженерии, с такими исключениями, как бетонные конструкции и дорожное строительство. Важные успехи были достигнуты в строительстве зданий, мостов и каналов. Также были сделаны некоторые муниципальные усовершенствования. Тем не менее только новая энергетика впервые в человеческой истории начала освобождать людей, прежде бывших главными источниками энергии. Именно она была ответственна за перемены в образе жизни человека, начавшиеся в Средние века.
Энергия
Вода, ветер и сила животных стали главными источниками энергии, не связанными с мускульной силой человека, которые развивали средневековые инженеры. Новые движущие силы использовались для эксплуатации новых типов машин, изобретенных в Средние века. Современное машиностроение в большой степени произошло от примитивной ручной мельницы, сделанной из двух жерновов один вращался на другом, которые приводились в движение вручную. Витрувий объяснил, как появились передаточные механизмы из штырей и углублений, так чтобы движение могло передаваться под любым углом относительно вращающейся оси. Некто в высшей степени изобретательный придумал коленчатый рычаг для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Коленчатый рычаг кривошип определенно использовался около 850 года, поскольку его изображение упомянуто в Утрехтском псалтыре (рис. 5.1). Водяное колесо, вероятно, было изобретено в I веке до н. э., и аналогичные приспособления, которые называли норвежскими мельницами, были широко распространены в Северной Европе. Есть свидетельство существования ранней водяной мельницы в Индии. Горизонтальные колеса с вертикальными осями не могли быть эффективными, если только не поместить их на границу течения или в водоворот. Но когда появились передаточные механизмы и колеса начали устанавливать в потоке воды вертикально, под прямым углом к оси жернова, широкое распространение получило вертикальное водяное колесо с горизонтальной осью.
Римляне познакомили разные регионы Европы с вертикальным водяным колесом в последние века империи. Поэт Авсоний писал о нем в IV веке, утверждая, что оно шумно мелет зерно и пилит камни на реке Рур, притоке Мозеля в Германии. Колеса часто крепили к баржам, стоящим на якоре на реках, как в классическом примере, когда Велизарий в 537 году защищал Рим от готов. К XI веку водяные мельницы уже широко применялись для разных целей. Они мололи муку, двигали кузнечные меха, приводили в действие пилы, использовались в сукновальных машинах, для производства бумаги, для нагнетания воды (рис. 5.2). Они работали в соляных шахтах, в пивоварнях, на фабриках.
Рис. 5.1. Самое раннее известное изображение коленного рычага для обеспечения вращательного движения, около 850 г.
В английской Книге Судного дня, датированной 1086 годом, сообщается о нескольких тысячах водяных колес разных типов, использованных на острове, которые обслуживали население, насчитывающее около 2 миллионов человек. Такие колеса часто устанавливали под мостами, чтобы использовать преимущества более быстрого течения там, однако вибрация разрушала мосты. Мост Нотр-Дам в Париже, построенный из дерева в 1413 году, по этой причине был полностью перестроен в 1440 году. Колесо также было приспособлено для использования течения под Лондонским мостом.
Рис. 5.2. Трехступенчатый насос в шахте рудника, приводимый в движение подливным колесом
Рис. 5.2. Трехступенчатый насос в шахте рудника, приводимый в движение подливным колесом
Неизвестно, когда кому-то пришло в голову использовать энергию падающей воды, а не течения. Поток энергии может быть постоянным, пока остается постоянным напор воды, которая льется на жернов. В главе 4 упоминается о римском колесе в афинской Агоре, в котором использовалась энергия падающей воды, однако нет никаких указаний на то, что этот тип более или менее широко распространялся до XIV века. Хотя Бирингуччо довольно подробно описывает разные приспособления, используемые в металлургии, он говорит только о «водяных колесах» и считает само собой разумеющимся, что читатели знают, о чем идет речь. В 1556 году Агрикола изобразил верхненаливное водяное колесо (рис. 5.3). Грубые наброски такого колеса периодически появлялись на протяжении XIV века, а значит, люди постепенно оценили его превосходные качества. Водонепроницаемые дамбы и каналы для мельничных потоков было трудно строить и очень дорого обслуживать. Кроме того, население зачастую выступало против, особенно в Англии. Людям не нравилось, что общественные реки запруживаются частными дамбами. Свобода от подобного вмешательства и общий свободный доступ к рекам Англии был определен в Великой хартии вольностей. Подливные колеса
Рис. 5.3. Реверсивное верхненаливное колесо для подъема материала из рудника
в боковой части реки не мешали движению и часто являлись общественной собственностью, поэтому им отдавалось предпочтение. Тем не менее верхненаливные колеса обеспечивали большую энергию и потому мало-помалу вытеснили подливные.
Вторым важным источником энергии, который можно было использовать, являлся ветер. Первые ветряные мельницы в Европе появились в конце XII века. Самые ранние из них имели горизонтальные оси с вертикальными крыльями и, в силу необходимости, были очень маленькими, потому что вся мельница должна была поворачиваться, чтобы поместить крылья против ветра. К XV веку инженеры создали мельницы с наклонными осями и крыльями, установленными так, чтобы эффективнее улавливать ветер. В конце XV века появились так называемые башенные мельницы (рис. 5.4), что дало возможность строить мельницы больших размеров, ведь для перемещения крыльев достаточно было двигать только подвижный верх постройки. Как и водяные колеса, ветряные мельницы приводили в движение разные типы машин, и они были особенно популярны, а наибольшее распространение получили на равнинах северо-запада Европы, где не так уж много водопадов или быстротекущих рек. Ветряные мельницы избавляли от необходимости строить дорогостоящие дамбы для верхненаливных водяных колес.
Другим важным прорывом в использовании энергии ветра стало изобретение рангоута и такелажа для парусных судов, что позволило им менять направление по отношению к ветру, тем самым сделав суда независимыми от направления ветра и мускульной силы гребцов. В самом начале нашей эры жители Северной Европы строили суда с прямыми парусами, что позволяло им в какой-то степени плыть против ветра. Они имели возможность менять галс, потому что ставили мачты ближе к корме, чем средиземноморские судостроители, и команда могла повернуть парус почти вдоль диаметральной плоскости судна. Парусное вооружение совершенствовалось в период Средневековья, и, когда Вильгельм Завоеватель в 1066 году пересек Английский канал, он плыл на судах с прямыми парусами, которые не требовали наличия гребцов.
Рис. 5.4. Ветряная мельница и цепной насос XVII в.
(из Strada, Kunstliche Abriss, 16171618)
Пока эти усовершенствования шли в Северной Европе, на Средиземноморье появились косые паруса. Треугольный латинский парус возник в Юго-Западной Азии, откуда его принесли мусульмане во время завоеваний VII века. Греческие суда использовали латинский парус в IX веке, а суда итальянских городов в XI. Когда на средиземноморских судах появились латинские паруса, весла им больше не потребовались. После XII века латинское парусное вооружение начало использоваться по всей Европе. В XV веке треугольный парус объединили с северным прямым парусом, и такая комбинация парусов позволила великим авантюристам того времени в конце XV и начале XVI века совершать грандиозные географические открытия. Новое парусное вооружение увеличило расстояние, которое может пройти судно, существенно снизив численность команд, более чем в два раза увеличив скорость и освободив людей от тяжелейшего труда гребли.