Politicum - историко-политический форум


Неакадемично об истории, политике, мировоззрении, регионах и народах планеты. Здесь каждый может сказать свою правду!

Энергия и цивилизация

О истории развития наук и ремесел охватывающей разные временные периоды и разные регионы

Ограничения (2)

Новое сообщение ZHAN » 22 ноя 2022, 20:59

Менее спорным обобщением выглядит утверждение, что физической работы избегали при любой возможности. На практике это означало, что некоторую долю ее передавали женщинам и детям, обычно обладавшим в крестьянских обществах более низким статусом. Женщины отвечали за значительную часть полевых и домашних работ практически в каждой традиционной культуре. И поскольку даже беременность и кормление ребенка не были таким уж сложным делом в терминах дополнительного питания, а дети часто начинали работать уже в 4–5 лет, большие семьи служили наименее энергоемким способом минимизации труда взрослых, а также обеспечения сытой старости.
Изображение

В тех традиционных обществах, которые базировались почти исключительно на человеческом труде, было очевидно рациональным минимизировать индивидуальную трудовую ношу с помощью большой семьи. Но эта стратегия сильно затрудняла увеличение среднего объема пищи на душу населения и тем самым борьбу с возможным голодом. В других традиционных обществах, где тягловые животные выполняли большую часть или почти все сложные задачи, связь между человеческим трудом и сельскохозяйственной продуктивностью слабела. Но в таких обществах приходилось значительную долю земли (и урожая) отдавать на то, чтобы прокормить работающих животных.

Только энергия ископаемого топлива – прямо в виде топлива и электричества, косвенно в виде химикалий и механизмов – могла поддержать одновременно и увеличение популяции, и рост уровня снабжения продовольствием.

Гибридное сельское хозяйство (использующее энергию ископаемого топлива в косвенном виде) впервые появилось в Великобритании, затем в Западной Европе и США, после введения в обиход железных и стальных инструментов и механизмов, изготовленных из металла, для плавки которого использовался кокс, а не древесный уголь (впервые – в 1709 году в Англии). Но даже к 1850 году западное земледелие в массе своей зависело от солнечной энергии, и хотя металлические машины и механизмы распространились за вторую половину столетия, ископаемое топливо начало вносить значительный вклад только после 1910 года, с началом широкого применения тракторов, грузовиков и синтетических азотных удобрений – всех достижений, которые описываются далее.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Топливо и первичные движители доиндустриальной эпохи

Новое сообщение ZHAN » 23 ноя 2022, 19:22

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. 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.
Изображение
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.

Чтобы передвинуть египетский обелиск в 327 тонн с того места, где его оставили римляне (Калигула поместил его на центральной линии своего цирка, к югу от нынешнего собора Святого Петра) на 269 метров к востоку, Доменико Фонтана пустил в ход огромные (до 15 метров длиной) деревянные рычаги и блоки. Чтобы поднять обелиск с древнего основания и переместить на новый фундамент, 10 сентября 1586 года он использовал 900 человек и 75 лошадей, которые тянули веревки. Весь проект занял тринадцать месяцев, а на поднятие груза ушел один день. После более поздних знаменитых перемещений обелисков один из них стоит на площади Согласия в Париже (перемещен в 1833 году), другой – на берегу Темзы (1878 год), и третий – в Центральном парке Нью-Йорка (с 1881 года).

Когда самая тяжелая колонна в мире – 604 тонн красного финского гранита, добытого, чтобы отпраздновать победу России над вторгшимся в страну Наполеоном, – была воздвигнута в Санкт-Петербурге 30 августа 1832 года, французский архитектор Огюст Монферран использовал 2400 человек (1700 из них тянули веревки) и закончил работу за два часа. Два важных устройства, обеспечивших необходимые механические преимущества для этих двух операций и позволивших людям успешно завершить многие сложные задачи по перемещению и подъему, – это наклонные насыпи и рычаги, которые появились даже не во времена древних империй, а многими-многими веками ранее. Как иначе строители Стоунхенджа управлялись с камнями весом в 40 тонн?
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Подъем Александрийского столпа

Новое сообщение ZHAN » 24 ноя 2022, 19:23

Большой кусок красного гранита, который стал Александрийским столпом, был добыт в Виролахти в Финляндии, с помощью катков доставлен на специально построенную баржу, способную перевезти 1100 тонн. Колонна едва не упала в воду при погрузке, но ее все же доставили за 190 км к набережной Невы в Санкт-Петербурге, переместили на подложку из дерева, подняли на 10,5 метра по насыпи и установили на платформе под правильным углом к пьедесталу в центре Дворцовой площади.
Изображение

Леса из толстых досок, поднимавшиеся над памятником, были 47 метров в высоту, веревочные блоки свисали с пяти двойных дубовых балок. Монферран создал модель лесов в масштабе 1 к 12, чтобы плотникам было чем руководствоваться в процессе их постройки. Подъем сопровождали 60 вертикальных воротов, установленных на лесах в два ряда. Роль храповиков исполняли железные барабаны, закрепленные на деревянной раме, (верхние блоки свисали с деревянных балок); 522 веревки, каждая испытана на подъем 75 килограммов (в три раза больше актуальной нагрузки) были прикреплены к колонне. Общая масса монолита со всеми устройствами составила 757 тонн.

Столп подняли 30 августа 1832 года, эту задачу выполнили 1700 солдат под командованием 75 офицеров, за которыми наблюдали прорабы, координировавшие скорость движения в зависимости от натяжения веревок. Ассистенты Монферрана стояли по углам лесов в компании 100 моряков, которые следили за блоками и веревками, не давали им запутаться. 60 рабочих находились прямо на башне, а плотники, каменщики и другие мастеровые оставались в резерве. Общее количество задействованных людей превысило 2400, и подъем был завершен всего за 105 минут.

Достоин упоминания тот факт, что столп встал прямо без какого-либо крепления к пьедесталу: 25,45 м высотой, слегка конический (3,6 м диаметр снизу и 3,13 м на вершине), он держится на месте исключительно благодаря массе.

Я сначала оценю виды, мощности и ограничения всех традиционных первичных движителей – мускулов человека и животных, ветра и воды – и наряду с ними потребление древесного топлива, большей частью дров и древесного угля, хотя в лишенных лесов регионах в ход шли и солома, и высушенный навоз. После этого я в деталях рассмотрю использование первичных движителей и видов топлива в важнейших сегментах традиционной экономики: приготовление пищи, получение тепла и света, наземный и водный транспорт, строительство, цветная и черная металлургия.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Первичные движители

Новое сообщение ZHAN » 25 ноя 2022, 19:29

Одушевленный труд и конверсия кинетической энергии воды и ветра (с помощью парусов и мельниц) были единственными первичными движителями в традиционных обществах до появления паровых машин. Хотя последующее выведение из оборота традиционных первичных движителей было сравнительно быстрым, важность водяных и ветряных мельниц сохранялась (и даже увеличивалась) на протяжении первой половины XIX века, парусники потеряли значение в качестве средства океанского транспорта только после 1880 года, а тягловые животные доминировали даже в наиболее развитых обществах Запада до конца Первой мировой. На ранних стадиях индустриализации резко выросла потребность в человеческом труде, начиная от по-настоящему напряженной добычи угля или производства железа и стали и заканчивая тысячами утомительных задач, и детский труд был широко распространен в Европе и США даже в начале двадцатого века. В 1900 году около 26 % мальчиков 10–15 лет работали, а в сельском хозяйстве были заняты 75 % детей, в основном девочки.

Высокие нагрузки и детский труд до сих пор никуда не исчезли в большей части сельских районов Африки к югу от Сахары, а также в беднейших районах Азии. Африканские женщины все так же таскают тяжелые вязанки хвороста, а в Индии женщины ломают камень маленькими молотками. В Индии, Пакистане и Бангладеш мужчины разбирают старые суда на горячих пляжах, а в Китае крестьяне добывают уголь в небольших деревенских шахтах. Миллионы людей все еще подвергаются разным формам принуждения или находятся в прямом рабстве, служат предметом торговли. Сохраняющаяся зависимость от человеческого труда (в том числе в нечеловеческих условиях) является одной из самых ярких меток, определяющих различие между богатыми и бедными странами. Однако даже на Западе тяжелый ручной труд (в подземных угольных разрезах, металлургии, лесной отрасли, рыболовстве) существовал еще в 1960-х годах, а использование одушевленных первичных движителей не только вопрос истории: это одна из тех давно установленных опор, на которых покоится наше нынешнее преуспевание.

Рассказ о первичных движителях доиндустриальной эпохи будет неполным без упоминания об изобретении (в Средние века), распространении и исторической важности пороха. Священный ужас перед громом и молнией можно обнаружить в любой древней высокой культуре. Желание превзойти разрушительную силу этих явлений можно найти во многих повествованиях и сказках. Но тысячелетиями людям была доступна только бледная имитация: прикрепить горючий материал к головкам стрел или выстрелить чем-нибудь пылающим из катапульты. Для создания горючих веществ использовались сера, нефть, битум и негашеная известь. Но только изобретение пороха позволило скомбинировать поступательную силу с взрывчатой и воспламеняющей мощностью.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Одушевленная мощность

Новое сообщение ZHAN » 26 ноя 2022, 13:25

Одушевленная энергия оставалась самым важным первичным движителем большую часть истории человечества, до середины XX века. Ее ограниченность, определенная метаболическими требованиями и механическими свойствами тел людей и животных, сдерживала развитие доиндустриальных цивилизаций. Общества, получавшие энергию почти исключительно (как в случае с древней Месопотамией и Египтом, с парусными кораблями в виде единственного исключения) или большей частью от одушевленных источников, – средневековая Европа может служить отличным примером, силу ветра и воды там использовали только для решения ограниченных задач, а в сельском Китае все обстояло так еще два поколения назад, – не могли обеспечить продовольственную безопасность и материальное процветание для большинства своих членов.

Существовало только два практичных способа увеличения объема полезной одушевленной энергии: концентрировать индивидуальный вклад или использовать механические устройства для перенаправления и усиления мускульного напряжения. Первый подход быстро упирался в практические ограничения, особенно если речь шла о прямом применении человеческих мышц. Даже неограниченная трудовая сила мало поможет передвигать сравнительно маленькие, но тяжелые объекты, поскольку за них может взяться только небольшое количество людей. И пусть группа людей может нести тяжелый объект, его нужно сначала поднять, чтобы закрепить шесты или привязи, а это часто не так просто. Возможности людей в подъеме и передвижении грузов ограничены весами, значительно меньшими, чем масса их собственных тел. Традиционные паланкины, которые использовались в большинстве обществ Старого Света, носили два человека, на каждого приходилось от 25 до 40 кг, а сам груз опирался на шесты, покоившиеся на плечах носильщиков.

Разгружавшие и загружавшие корабли и телеги римские saccarii поднимали и носили (на короткие дистанции) мешки в 28 кг. Более тяжелые грузы перемещали с помощью простых устройств, дававших значительное механическое преимущество: обычно применением меньшей силы для передвижения на большее расстояние. Пять таких устройств были широко распространены в древности Старого Света, Филон (в III веке до н. э.) перечислил их: колесо, ось, система блоков, клин (наклонная поверхность) и бесконечный винт. Используя эти инструменты и простые машины, люди могли развертывать меньшие силы на большие дистанции, тем самым увеличивая размах своих действий. Три простейших средства получения механических преимуществ – рычаги, наклонные поверхности и блоки – использовались практически во всех старых культурах.

Рычаги представляли собой жесткие, тонкие куски дерева или металла, по мере поворота вокруг точки опоры они обеспечивали выигрыш в силе, который легко определить как коэффициент плеч рычага (рабочего и грузового). Оба измеряются от точки опоры, и чем выше величина, тем легче и быстрее решается задача. Использование рычагов в античности варьировалось от приведения в движение весельных кораблей до перемещения тяжелых грузов. Рычаги классифицируют по точке приложения силы. Первый класс рычагов, где точка опоры находится между грузом и приложенной силой, действует в противоположном направлении от давления груза. Точка опоры рычагов второго класса расположена на одном из концов, а сила действует в том же направлении, куда давит груз. Рычаги третьего класса не дают выигрыша в силе, но увеличивают скорость груза, что очевидно из того, как работают катапульты, мотыги и косы.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Работа, сила и расстояние

Новое сообщение ZHAN » 27 ноя 2022, 17:29

Работа происходит, когда сила – не имеет значения, обеспеченная одушевленными или неодушевленными первичными движителями, – меняет состояние движения некоего тела. Величина работы равняется производной от приложенной силы и перемещения тела в направлении, в котором сила действует. В формальных терминах сила в один ньютон и перемещение на один метр требуют энергии в один джоуль (Дж а Нм).

Просто чтобы ощутить порядок величин: подъем книги в 1 кг со стола (0,7 м над полом) и помещение ее на полку (1,6 м над полом) требует работы почти в 9 Дж. Подъем среднего камня пирамиды Хуфу (около 2,5 т) на один ряд выше (около 75 см) требовал около 18 тысяч джоулей (18 кДж), или в 2000 раз больше энергии, чем перемещение книги.

Естественно, то же самое количество работы может быть выполнено приложением более мощной силы на меньшем расстоянии или меньшей силы на большем расстоянии: любое устройство, которое превращает малое вложение силы в большую отдачу силы, обеспечивает выигрыш, чья величина измеряется как бесконечно малое соотношение двух сил. Этот выигрыш в силе эксплуатировали с доисторических времен, используя рычаги и наклонные поверхности, а позже и блоки. Существует бесчисленное множество примеров подобных действий в повседневной жизни, от открывания замка ключом (ряд клиньев, то есть наклонных поверхностей, двигает стержень в замке) до выдергивания гвоздя гвоздодером (рычаг).

Обычные ручные инструменты, где применяются рычаги первого класса – монтировка, ножницы и (двойной рычаг) клещи. Чаще всего используемые рычаги второго класса – это ручные тележки. Китайские тележки, применяемые со времен династии Хань, как правило имели большое (90 см в диаметре) центральное колесо, вставленное в деревянную раму. С грузом прямо над осью они могли везти немало (обычно 150 кг); подобные устройства использовались крестьянами, чтобы доставить продукты на рынки, а иногда для транспортировки людей, садившихся по бокам. Чтобы облегчить движение, поднимали маленькие паруса.

Европейские тачки впервые надежно прослеживаются по документам в высоком Средневековье (конец XII – начало XIII веков), и впоследствии они использовались большей частью в Англии и Франции, обычно при строительстве и в горном деле. Их точка опоры была в конце, что требовало большего напряжения от толкающего человека, но они все же обеспечивали значительный (обычно в три раза) выигрыш в силе.
Изображение
Три класса рычагов различаются по точке, в которой прилагается сила, по отношению к объекту (чей вес W всегда действует вниз) и по точке опоры (F). В рычагах первого класса сила действует в направлении, противоположном весу объекта. В рычагах второго класса сила оказывает воздействие в том же направлении, что и объект, но оба рычага дают одно и то же преимущество: выигрыш мощности за счет расстояния. В рычагах третьего класса сила действует на более короткое расстояние, чем объект, результатом чего является выигрыш в скорости. Первые два класса рычагов имеют бесчисленное множество способов приложения в подъеме и перемещении объектов, а также в создании механизмов. Фрагмент частично реконструированного ассирийского барельефа из Ниневии (около 700 лет до н. э.) показывает большой рычаг, который используют, чтобы перемещать огромную статую крылатого быка с человеческой головой. Репродукция из Layard (1853)

Колесо и ось формируют циркулярный рычаг, у которого длинное плечо – расстояние между осью и внешним краем колеса, а короткое – радиус оси, что дает большой выигрыш в силе, даже при тяжелых колесах и неровной поверхности. Первые колеса (использовались в Месопотамии ранее 3000 лет до н. э.) были из сплошного дерева, колеса со спицами появились тысячелетием позже, сначала на колесницах, а трение было снижено благодаря железному ободу. Огромная важность колеса для Старого Света может быть проиллюстрирована невероятной скоростью распространения колесных устройств, их количеством и разнообразием. Любопытно, что цивилизации Америки не изобрели колеса, а в пустынных районах многих мусульманских стран вьючные верблюды оказались более удобным транспортом, чем запряженные быками телеги.

Если пренебречь трением, то выигрыш в силе при использовании наклонной поверхности равняется соотношению длины поверхности и высоты, на которую поднимается объект. Трение может значительно снизить эту величину, и именно поэтому для высокой эффективности требовались гладкие поверхности и смазка (вода оказалась самым простым и дешевым вариантом). Согласно Геродоту, насыпи были главным средством, с помощью которого тяжелые камни с берега Нила доставляли к месту строительства великих пирамид, и последовало множество спекуляций по поводу того, как использовали эти насыпи во время сооружения усыпальниц (позже я объясню, почему мы должны забраковать некоторые варианты). Самый распространенный сегодня вид таких поверхностей – рампы, от металлических, предназначенных для загрузки самолетов и кораблей, до мягких надувных, чья задача – выгрузить пассажиров из того же самолета в случае экстремальной ситуации.

Клинья – это двойные наклонные поверхности, распространяющие большие боковые силы на малые расстояния. Их использовали повсеместно для раскалывания камней, когда куски дерева вбивали в трещины и затем смачивали, или как режущие поверхности тесаков и секир.

Винты, впервые примененные в прессах для давки оливок и винограда в античной Греции, – циркулярные наклонные поверхности, обернутые вокруг цилиндра. Винты также использовались для подъема воды на небольшую высоту. Их значительный выигрыш в силе означает, что работники способны обеспечить высокое давление при минимальном усилии. Во многих вариантах винты (производимые сейчас массово и обычно затягиваемые поворотом по часовой стрелке) используются в качестве постоянных креплений.

Простой шкив или блок, состоящий из колеса с желобчатым ободом, на который намотана веревка или канат, был изобретен в VIII веке до н. э. и значительно облегчил обращение с грузами. Он перенаправляет силу, но при этом не обеспечивает выигрыша в ней, и его использование может привести к случайному падению груза. Храповик и защелка помогли решить последнюю проблему, а применение нескольких блоков дало шанс справиться с первым недостатком, поскольку сила, требующаяся для подъема объекта, почти в точности обратно пропорциональна количеству блоков. Mechanica, труд, приписанный Аристотелю, но сочиненный не им, показывает ясное понимание выигрыша в силе при использовании такого устройства.
Изображение
Силы равновесия в блоках определяются числом тросов. Нет никакого выигрыша в силе в случае А. В случае В вес 3 распределен на два параллельных троса, и поэтому на свободный конец необходимо поместить только Р/2, чтобы восстановить равновесие, в случае С Р/6, и так далее. Работник; перемещающий строительные материалы с помощью ступенчатого шкива, похожего на архимедов (D), может поднять (игнорируя трение) камень в 200 кг с силой в 25 кг, но подъем на 10 метров потребует вытянуть 80 метров троса. Храповик и защелку можно использовать, чтобы не тянуть непрерывно.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Работа, сила и расстояние (2)

Новое сообщение ZHAN » 28 ноя 2022, 18:52

Китайцы в древности настолько часто пользовались блоками, что даже дворцовые представления не обходились без них, и однажды целый кордебалет из 220 девушек в лодках был вытянут по склону из озера. Но определенно самым известным античным свидетельством эффективности ступенчатого шкива стала демонстрация Архимеда перед царем Гиероном, отраженная в «Жизнеописаниях» Плутарха. Когда Архимед «заявил, что если бы существовал другой мир и он мог попасть туда, то мог бы подвинуть этот», Гиерон попросил его продемонстрировать должным образом это утверждение.
«Архимед остановился на трехмачтовом торговом корабле из царского флота, который вытащили на берег благодаря усилиям многих людей, и после того, как корабль взял на борт множество пассажиров и обычный груз, Архимед расположился на расстоянии от него и без каких-либо усилий, но простым движением руки привел в движение ступенчатый шкив, и корабль двинулся к нему быстро и ровно, как если бы шел по воде».
Три класса механических устройств – лебедки и капстаны, ступальные колеса и зубчатые передачи – стали наиболее важными элементами приложения человеческой силы, необходимыми для подъема, дробления, разбивания и трамбования.

Лебедки обычно использовали не только для подъема воды и строительных материалов (с помощью кранов), но также для того, чтобы заряжать самое разрушительное стационарное оружие древности, большие катапульты, которые применяли при осаде городов и крепостей. При использовании горизонтальных лебедок, на которые для удобства хватки ставили четыре рукоятки и вертикальных капстанов, энергия вращательного движения передавалась с помощью веревок или цепей. Коленчатые рычаги, впервые появившиеся в Китае во II веке н. э., а в Европе на несколько столетий позже, еще больше облегчили эту задачу, за исключением того, что скорость ручного (или ножного) привода должна была соответствовать скорости приводимой в движение машины (часто – токарного станка).
Изображение
Шахтеры использовали как горизонтальные лебедки (слева), так и коленчатые рычаги (справа), чтобы откачивать воду из шахты. Тяжелое деревянное колесо, иногда с кусками свинца на спицах, помогало трансформировать импульс и облегчало задачу. Воспроизведено из Agricola «De re metallica» (1912 [1556])

Изображение
Восемь человек вращают большой вертикальный капстан на французской мануфактуре середины XVIII века. На капстан накручивается веревка, прикрепленная к пинцету, а тот протаскивает золотой провод через волочильную машину. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Это ограничение было преодолено только с помощью коленчатого рычага, способного двигать большое деревянное или железное колесо (барабанное колесо), которое независимым образом монтировалось на тяжелом валу, а его движение уже передавалось на станок с помощью ремня. Это позволило применять различные скорости вращения, а импульс большого колеса помогал держать темп, даже когда случались флюктуации в приложении мускульной энергии. Данная средневековая инновация сделала возможной аккуратную обработку деревянных и металлических деталей, которые использовались для создания большого числа точных механизмов, от часов до первых паровых двигателей, но она не устранила потребности в тяжелой работе при резке металла. Работники Джорджа Стефенсона, который применял барабанное колесо, чтобы изготовить детали первого парового локомотива, должны были отдыхать каждые пять минут.
Изображение
Барабанное колесо, приводимое в движение рычагом, использовалось для металлообрабатывающего станка. Меньшее колесо применяли для работы с большими диаметрами, и наоборот. На заднем плане мужчина работает на деревообрабатывающем станке с ножным приводом. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Использование сильнейших мышц человеческого тела (спины и ног) на ступальных колесах позволяло добиться большей мощности, чем на устройствах с ручным приводом. Крупнейшие ступальные колеса (их тоже иногда называли барабанными колесами) были двойными, и их ободы, соединенные обшивкой, создавали поверхность, на которую и вступали люди. Барельеф из римской гробницы Хатери (100 год н. э.) – самое раннее из дошедших до нашего времени изображений ступального колеса (по-гречески polyspaston). Римские колеса могли поднимать до 6 тонн; такие большие машины стали обычным зрелищем в Европе Средневековья и начала Нового времени там, где велось крупное строительство, а также в доках или на шахтах, где их применяли для откачивания воды.
Изображение
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. 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. Существовали также наклонные ступальные колеса, где работникам приходилось держаться за перемычку, а в английских тюрьмах в начале XVIII века распространились ступальные мельницы.

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.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Работа на ступальной мельнице

Новое сообщение ZHAN » 29 ноя 2022, 21:50

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. 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».
Миллионы современных энтузиастов ступальных мельниц могли бы согласиться, и один из исследователей заметил, 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. 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. Определение лошадиной силы, данное Уаттом – 33 000 фунто-футов за минуту, или 745,7 Вт, – 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. В современных научных единицах измерения это общая полезная работа в 3,66 МДж со скоростью 102 Дж.
Изображение
Заключенные на ступальной мельнице в брикстонском исправительном доме (Corbis)

Насколько мощны люди как первичные движители и насколько эффективны? :unknown:

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. 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. 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. 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, валидные для широкого спектра типов телосложения и разных возрастов.

Как уже упоминалось, сравнение эффективности работы людей и животных принесло очень разные результаты. Один из исследователей (Nicholson 1825) 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, чтобы работать, людям нужно меньше места, чем животным, их легче перевозить, их усилия проще комбинировать.

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

Эти лошади, страдавшие от недоедания и плохого обращения, должны были часами ходить по маленькому кругу. Свидетельства подобного нам оставил Апулей в «Золотом осле» (II век н. э., отрывок приведен в переводе М. Кузмина):
Что же я скажу, какими красками опишу моих сотоварищей по стойлам?

Что за старые мулы, что за разбитые клячи! Столпившись вокруг яслей и засунув туда морды, они пережевывали кучи мякины; шеи, покрытые гнойными болячками, были раздуты, дряблые ноздри расширены от постоянных приступов кашля, груди изранены от постоянного трения лямки из альфы, непрерывные удары бича по бокам обнажили ребра, копыта безобразно расплющены вечным кружением по одной и той же дороге, а вся их иссохшая шкура покрыта застарелой коростой. Испуганный зловещим примером такой компании, вспомнил я былую судьбу Луция и, дойдя до границ отчаяния, поник головой и загрустил.
Подобное использование лошадей продолжалось до XIX столетия: к 1870 году они приводили в движение тысячи лебедок в штатах Аппалачских гор и на всем юге США, и на фермах (обмолот зерна, выжимание масла, сдавливание тюков хлопка), и в шахтах – для откачивания воды и подъема грузов из-под земли. Они ходили по кругу часто меньше чем 6 метров в диаметре, до появления электрических трамваев в городах Запада было много лошадей, запряженных в омнибусы и телеги.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Тягловые лошади в городском транспорте

Новое сообщение ZHAN » 30 ноя 2022, 22:24

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

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

Использование лошадей в транспорте и строительном деле было ограничено теми же факторами, что и их применение в качестве тягловой силы в земледелии. Ни достаточное количество пастбищ, ни необходимые объемы зерна не были доступны в странах сухого Средиземноморья или на густонаселенных равнинах Азии, а плохая упряжь приводила к большим потерям энергии.

В пустынных регионах Евразии куда менее требовательные верблюды выполняли многие задачи, которые в Атлантической Европе приходились на долю лошадей и волов, но в Азии одомашненные слоны (использовались при добыче древесины, при строительстве и в военном деле) также требовали большого количества корма. Классические индийские тексты превозносят эффективность слонов, но также описывают, что только что пойманного слона нужно кормить дорогой пищей – вареным рисом и бананами, смешанными с молоком и сахарным тростником. Если животное оставалось здоровым после обучения, то подобные высокие затраты энергии возвращались благодаря его силе и замечательному долголетию.

Животные, которые использовались в транспорте и на разных работах, варьировались от маленьких ослов до громадных слонов, а в некоторых местах собаки вращали вертела над огнем или тянули небольшие тележки. Но ничего удивительного, что благодаря умеренным потребностям в питании крупный рогатый скот – волы, буйволы и яки – стал самым популярным видом рабочих животных.

Яки были бесценными в качестве вьючных животных не только из-за невероятной силы, но из-за способности жить на большой высоте и в снегу.

Типичная эффективность жвачных в транспорте была в лучшем случае умеренной. Короткое время на хороших дорогах они могли тащить груз в три-четыре раза больше веса собственного тела, но при постоянной работе обеспечивали не более 300 Вт. Старые и больные лошади, которые часто использовались, чтобы вращать лебедку или балку, прикрепленную к центральной оси, на небольших производствах, не могли дать много больше, и до появления паровых машин многие из них были заменены куда более мощными водяными колесами и ветряными мельницами.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Мощность воды

Новое сообщение ZHAN » 01 дек 2022, 20:23

Антипатр из Фессалоник, писавший в I столетии до н. э., оставил первое литературное упоминание простой водяной мельницы, избавившей крестьян от тяжелой работы по ручному обмолоту зерна (переведено на английский в Brunck 1776):
«Не возлагай рук своих на мельницу, о женщина, вращающая жернов! Спи крепко, несмотря на то что гребень петуха возвещает рассвет, ведь Церера отдала нимфам труд, который занимал руки твои. Они, устремляясь с вершины колеса, заставляют вращаться его ось, и та с помощью движущихся спиц приводит в действие все четыре жернова. Мы заново ощущаем вкус жизни первых людей, поскольку мы научились радоваться без устали дарам Цереры».
А использование ветра, с одним заметным исключением в виде античных кораблей, началось даже позже. Отчет Аль-Масуди, датированный 947 годом, – одно из первых надежных упоминаний о простой вертикальной ветряной мельнице. Текст его повествует о Сеистане (в современном восточном Иране) как о земле ветров и песка, где ветер приводит в движение мельницы и поднимает воду из ручьев для полива садов. Мало изменившиеся потомки тех первых мельниц – со сплетенными из тростника лопастями позади узкого отверстия в высоких стенах из грязи, ускоряющих ветряной поток – можно было видеть в регионе вплоть до XX столетия. Оба вида машин очень быстро распространились по средневековому миру, но водяные мельницы использовались много больше.

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

Вертикальные колеса вытеснили горизонтальные машины из-за более высокой эффективности. Они приводили в движение жернова с помощью ортогональной зубчатой передачи, в западной литературе они стали известны как витрувианские мельницы по имени римского архитектора, давшего первое подробное описание hydraletae в 27 году до н. э. Но существует мнение, что водяные мельницы появились в 1-й половине III столетия до н. э., вероятнее всего, в Александрии Птолемеев, и что к I веку н. э. они использовались повсеместно. В любом случае, по причине их широкого распространения и долгого использования мы имеем большое количество литературы, посвященной их истории, устройству, конструкции и особенностям использования.

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

Вертикальные водяные мельницы классифицируют в соответствии с точкой соприкосновения воды и колеса. Нижнебойные колеса вращались благодаря кинетической энергии движущейся воды. Они работали хорошо при медленном постоянном потоке, но размещение на быстром течении было особенно желательно по причине того, что максимум теоретической мощности нижнебойного колеса пропорционален кубу скорости воды: удваивание скорости увеличивает мощность в восемь раз. Когда для мельниц начали сооружать пруды, нижнебойные колеса использовали только с небольшим перепадом воды: от 1,5 до 3 метров. Радиальные лопасти позже снабдили спинками, чтобы вода не выплескивалась по ходу движения.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Мощность нижнебойных колес

Новое сообщение ZHAN » 02 дек 2022, 20:57

Кинетическая энергия текущей воды (в джоулях) равняется 0,5pv2, то есть половина от произведения ее плотности (р = 1000 кг/м3) на квадрат ее скорости (v в м/с). Количество единиц объема воды, толкающих лопатки колеса, в единицу времени равняется скорости потока, и отсюда теоретическая мощность потока равняется его энергии, умноженной на скорость. Вода, текущая со скоростью 1,5 м/с и вращающая крылья с поперечным сечением около 0,15 м2 (грубо, 50 на 50 см), может в идеале выдать только лишь 400 Вт мощности. Но неэффективные нижнебойные колеса Средневековья могли на самом деле перевести не более пятой части этого значения, или около 80 Вт, в полезное вращательное движение.
Изображение
Гравюра, на которой изображено большое нижнебойное колесо на французской королевской бумажной фабрике (сверху) и верхнебойное колесо, приводящее в движение машины для промывки руды во французской кузнице (снизу). Воспроизведено из Encyclopedie (Дидро и д'Аламбер, 1769–1772)

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

Среднебойные колеса приводились в движение комбинацией напора воды и гравитации в потоках, перепад в которых был 2–5 м. Хорошо сделанный желоб, предотвращавший преждевременный сброс воды, существенно повышал конечную эффективность. Конструкция с низко расположенным желобом, где вода выливалась ниже центра колеса, имела эффективность не выше, чем у хорошего нижнебойного колеса. Высоко расположенный желоб, где вода лилась на лопасти выше центра колеса, позволял достигнуть эффективности верхнебойных колес. Традиционные верхнебойные колеса, приводимые в движение в основном потенциальной гравитационной энергией, работали с перепадом воды более 3 м, и их диаметр обычно равнялся примерно трем четвертям перепада. Воду вели по желобам или трубам в подобные ведрам отделения со скоростью от менее 100 литров/секунду до более 1000 л/с, и колесо вращалось со скоростью 4-12 оборотов в минуту. Поскольку большая часть вращательной мощности генерировалась весом опускающейся воды, верхнебойные колеса можно было размещать на медленном течении.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Мощность верхнебойных колес

Новое сообщение ZHAN » 03 дек 2022, 14:04

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

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

Его дальнейшая пропаганда более эффективных верхнебойных колес несколько замедлила распространение паровых двигателей, а эксперименты Смитона (с помощью которых он рассчитал, что мощность колеса пропорциональна кубу скорости течения) определили планку эффективности для верхнебойных колес в 52–76 % (среднее 66 %) по сравнению с 32 % для лучших нижнебойных. Современный теоретический анализ эффективности водяных мельниц дал очень похожие результаты: 71 % для верхнебойных колес, 30 % для нижнебойных и около 50 % для устройств Понселе.

Качественно сконструированное и находящееся в хорошем состоянии верхнебойное колесо XX века имело потенциал эффективности в 90 % и могло превратить до 85 % кинетической энергии в полезную работу, но реально достижимый уровень составлял 60–70 %; лучшие немецкие цельнометаллические колеса, разработанные и изготовленные в 1930-х годах, достигали эффективности в 76 %.

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

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

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

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

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

В любом случае, более крупные водяные мельницы оставались редкостью долгое время. Даже в первые десятилетия XVIII века средняя мощность европейских водяных мельниц составляла 4 кВт. Только несколько превосходили 7 кВт, а результатом плохого качества механических соединений (высокое трение) были большие потери энергии. Даже сильнее всего восхищавшие современников машины того времени – 14 больших мельниц (диаметр колес 12 м), поставленных на Сене у Марли между 1680 и 1688 годами – не справлялись с задачей качать воду для 1400 фонтанов и водопадов в Версале. Потенциальная энергия комплекса была почти 750 кВт, но неэффективная передача вращательного движения (для чего использовалось множество возвратно-поступательных валов) снижала выход полезной энергии до всего лишь 52 кВт, чего не хватало на все фонтаны.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Водяные мельницы Барбегаля

Новое сообщение ZHAN » 04 дек 2022, 20:55

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

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

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

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

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

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

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

Но эра гигантских водяных колес оказалась короткой.

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

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

Например, каждый из трех крупнейших текстильных центров на реке Мерримак в Массачусетсе и южном Нью-Гемпшире – Лоуэлл, Лоуренс и Манчестер – располагал водяными машинами общей мощностью около 7,2 МВт. Весь бассейн реки давал около 60 МВт номинальной мощности, в среднем по 66 кВт на единицу производственного оборудования. Даже в середине 1850-х годов пар был все еще почти в три раза дороже воды, когда использовался в качестве первичного движителя в Новой Англии. Однако эпоха водяных турбин, непосредственно приводивших в движение разные механизмы с помощью передач и ремней, закончилась внезапно. К 1880-м годам появились крупномасштабная добыча угля и более эффективные двигатели, и пар стал дешевле воды практически на всей территории США. К концу XIX века большая часть турбин была перенацелена с прямой генерации движения на генерацию электричества.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Мощность ветра

Новое сообщение ZHAN » 05 дек 2022, 20:01

История обуздания ветра с помощью стационарных источников мощности (в противоположность более долгой истории его превращения в движение с помощью парусов) и эволюция ветряных мельниц до сложных и мощных машин начала индустриальной эры хорошо описана и в общих, и в специализированных национальных обзорах. Значимый вклад в первую категорию внесли Freese (1957), Needham (1965), Reynolds (1970), Minchinton (1980) и Denny (2007). Интересные исследования по отдельным странам написали: Skilton (1947) и Wails (1975) по британским мельницам, Boonenburg (1952), Stockhuyzen (1963) и Husslage (1965) по наиболее часто упоминаемым голландским, и Wolff (1900), Torrey (1976), Baker (2006) и Righter (2008) по американским, которые сыграли ключевую, но до сих пор недооцененную роль в освоении Запада.

Ветряные мельницы стали наиболее мощными первичными движителями доиндустриальной эпохи на равнинах, где почти полное отсутствие потоков с перепадом высот исключало возможность создания маленьких водяных мельниц (в Нидерландах, Дании и части Англии) и в пустынных регионах Азии и Европы, где сильны сезонные ветра.

Вклад ветряных мельниц в интенсификацию мировой экономики был не таким значительным, как в случае с водяными, большей частью потому, что в конечном итоге их широко использовали лишь в некоторых частях атлантической Европы. Первые записи о европейских ветряных мельницах относятся к последним десятилетиям XII века. Согласно исследованиям, ветряные мельницы распространились поначалу из Персии на территорию Византии, где они превратились в вертикальные машины, с которыми и столкнулись крестоносцы из Европы. В отличие от восточных машин, чьи лопасти вращались в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, эти мельницы монтировались вертикально на горизонтальной оси, и ведущий вал можно было поворачивать под ветер. За исключением иберийских восьмиугольных парусных мельниц, где использовались треугольные отрезы ткани (заимствованные из восточного Средиземноморья), все остальные машины в Европе тогда относились к классу столбовых мельниц. Их деревянный корпус, передачи и жернова вращались на массивном центральном столбе, который поддерживали четыре мощные диагональные балки.
Изображение
Столбовая ветряная мельница. Главный деревянный, почти всегда дубовый столб, на котором держится вся структура, зафиксирован четырьмя балками, прикрепленными к массивному фундаменту. Вращение мельницы передается на жернов передачей типа «фонарь-и-корона», и доступ внутрь возможен только по лестнице. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Поскольку они не могли самостоятельно поворачиваться, когда менялось направление ветра, их приходилось разворачивать вручную. Подобные мельницы были нестабильны при сильных ветрах и уязвимы перед лицом штормов, а сравнительно малая высота ограничивала их эффективность.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Энергия и мощность ветра

Новое сообщение ZHAN » 06 дек 2022, 20:49

Средняя скорость ветра увеличивается с высотой, а значит, его мощность тоже растет. Например, на высоте в 20 метров над землей мощность будет примерно на 22 % выше, чем на высоте в 5 м. Кинетическая энергия 1 м3 воздуха (в джоулях) равняется 0,5pv2, где р – плотность воздуха (около 0,12 кг/м3 у поверхности), a v – средняя скорость ветра (в м/с). Мощность ветра (в ваттах) является продуктом энергии ветра, площади лопастей, расположенной перпендикулярно направлению ветра (А, в м2), и скорости ветра в кубе: 0,5pAV3.

Поскольку мощность ветра увеличивается в кубе средней скорости, удвоение скорости повышает доступную мощность в восемь раз. Первые (сравнительно тяжелые и неудачно устроенные) ветряные мельницы нуждались в ветрах, дующих со скоростью минимум 25 км/ч (7 м/с), чтобы начать работать. При более низких скоростях они просто медленно поворачивались, но уже при скорости ветра более 10 м/с площадь лопастей нужно было сокращать (и полностью сворачивать ткань при скорости выше 12 м/с), что обеспечивало только узкий ветровой коридор и малое количество часов (5–7 в день) ежедневной полезной работы.

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

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

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

В Нидерландах мельницы выполняли все эти задачи, но наиболее важный вклад они внесли в осушение низменностей и в превращение польдеров в поля. Первые мельницы, предназначенные для этой цели, появились в Голландии в начале XV века, но широко распространились только в шестнадцатом. Пустостолбовые wipmolen вращали большие деревянные колеса с черпаками, а мобильные (передвижные?) tjasker меньшего размера приводили в движение архимедовы винты, но только эффективные башенные мельницы смогли обеспечить мощность, необходимую для крупномасштабного осушения польдеров.

В музее Зансе-Сханс в Северной Голландии представлены 600 ветряных мельниц, несколько были построены после 1574 года. Самые высокие голландские мельницы (33 м) находились в Схидаме (пять из оригинальных тридцати все еще стоят), где они мололи зерно, необходимое для производства голландского джина.

Старые американские мельницы наподобие тех, что на побережье Массачусетса, часто использовались для добычи соли, но их количество оставалось небольшим. Новые американские мельницы появились сразу после середины XIX века, когда началась экспансия на запад через Великие Равнины. Здесь нельзя было использовать маленькие водяные мельницы из-за нехватки небольших водных потоков и скудости осадков, а воду приходилось качать из колодцев. По сравнению с мощными тяжелыми и дорогими голландскими мельницами (они имели несколько больших и широких лопастей) американские были меньше, проще, удобнее, но при этом оставались эффективными машинами, которые могли обслуживать железнодорожные станции и фермы.
Изображение
Ветряная мельница Халладэя. В последнее десятилетие XIX века ветряные мельницы такого типа были самыми популярными в США. Они широко использовались на железнодорожных станциях, где качали необходимую для паровозов воду. Воспроизведено из Wolff (1900)

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

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

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

Как и в случае с водяными мельницами, вклад ветряных, используемых в качестве источников стационарной мощности, достиг пика в XIX веке. В Великобритании их количество составляло 10 тысяч в 1800 году, в конце XIX века 12 тысяч работали в Нидерландах и 18 тысяч в Германии, и к 1900 году около 30 тысяч мельниц (с общей мощность в 100 МВт) имелось в странах побережья Северного моря. В США несколько миллионов мельниц было построено между 1860 и 1900 годами, во время расширения страны на запад; их число начало уменьшаться только в 1920-х годах. В 1889 году было 77 производителей, самые успешные из них Халладэй, Адамс и Бухэнан. Большое число водооткачивающих мельниц американского типа использовалось в XX веке в Австралии, Южной Африке и Аргентине.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Растительное топливо

Новое сообщение ZHAN » 07 дек 2022, 22:09

Практически все традиционные общества могли получать свет и тепло, только сжигая растительное топливо. Древесная фитомасса, полученный из нее древесный уголь, пожнивные остатки и высушенный навоз обеспечивали всю энергию, необходимую для обогрева дома, приготовления пищи, для освещения и маломасштабного кустарного производства. Позже, на больших протоиндустриальных предприятиях все эти виды топлива использовались для обжига сравнительно больших объемов кирпича и керамической посуды, изготовления стекла, плавки металлов. Заметные исключения обнаружены в древнем Китае, где уголь применяли на севере при изготовлении железа; в Сычуани жгли природный газ, чтобы выпаривать рассол и получать соль, а также в средневековой Англии.

Добыча растительного топлива могла быть легкой: простая прогулка в ближайший лес, чтобы собрать ветки и сухостой, или поход за сухой травой или соломой после жатвы, чтобы сложить добытое под навесом. Но куда чаще она подразумевала долгий путь, совершаемый обычно женщинами и детьми; трудоемкую валку деревьев, утомительное выжигание угля и транспортировку этого топлива на длинные расстояния в телегах, запряженных волами, или с помощью верблюжьих караванов там, где города находились в центре обезлесенных равнин или в пустынях. Изобилие или недостаток топлива влияли на конструкцию домов, на одежду и на привычки в приготовлении пищи. А добыча топлива стала одной из главных причин уничтожения лесных массивов.

В странах Западной Европы зависимость от растительного топлива уменынилась только после 1850 года. Лучшие реконструкции в области первичного поступления энергии показывают, что во Франции уголь начал давать более половины энергии топлива в середине 1870-х, а в США уголь и нефть (и природный газ в небольших объемах) превзошли вклад биологического топлива к 1884 году. Остальной мир продолжал полагаться на растительное топливо и в XX веке: в наиболее плотно населенных странах Азии оно было главнейшим до 60-х или 70-х годов, а в Африке к югу от Сахары является единственным крупнейшим источником первичной энергии и сейчас.

Благодаря этому обстоятельству мы смогли изучить методы и последствия неэффективного сжигания традиционного топлива и его широкое воздействие на здоровье. Исследования, проведенные в последние десятилетия, помогли нам подробнее узнать историю потребления древесного топлива. Многие современные варианты приложимы к доиндустриальным временам, поскольку базовые потребности с тех пор не изменились. Для большинства людей в традиционных обществах энергетические потребности всегда сводятся к тому, чтобы приготовить пищу два-три раза в день, в холодном климате обогреть как минимум одну комнату и в некоторых регионах приготовить корм для животных и насушить пищи впрок.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Дерево и древесный уголь

Новое сообщение ZHAN » 08 дек 2022, 18:41

Дерево использовалось во всех доступных формах: упавшие, сломанные или отрубленные ветки, прутья, кора и корни. Но хорошая древесина стволов стала доступной только после того, как вошли в обиход качественные режущие инструменты – струги, топоры, позже пилы.

Применение древесины на удивление однообразно. Существуют тысячи видов древесных растений, и хотя физические различия значительны – плотность некоторых подвидов дуба может в два раза превышать плотность тополя, – химический состав почти одинаков. Дерево на две пятых состоит из целлюлозы, на одну треть из гемицеллюлозы, остальное – лигнин; в терминах элементов на углерод приходится 45–56 %, на кислород – 40–42 % общей массы. Содержание энергии в дереве растет вместе с долей лигнина и смол (соответственно 26,5 МДж/кг и до 35 МДж/кг по сравнению с 17,5 МДж/кг для целлюлозы), но разница в случае широко распространенных видов очень мала. Средние значения обычно 17,5-20 МДж/кг для твердых пород и, из-за того, что в мягких породах больше смолы, для них 19–21 МДж/кг.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Содержание энергии в растительном топливе

Новое сообщение ZHAN » 09 дек 2022, 19:11

Изображение

Плотность энергии для дерева относится к совершенно сухому материалу, но дерево, сжигаемое в традиционных обществах, всегда имеет то или иное содержание влаги. Только что срубленная древесина твердой породы (лиственные деревья) содержит обычно 30 % воды, в мягком дереве (хвойные) – значительно более 40 %. Такая древесина горит неэффективно, поскольку значительная часть тепла расходуется на испарение влаги, а не нагревание котелка или помещения. Дерево, содержащее более 67 % влаги, не загорается. Именно по этой причине опавшие ветки или сухостой всегда лучше свежей древесины, и поэтому дерево обычно сушат перед сжиганием. Нарубленные поленья складывают под крышей и держат там как минимум несколько месяцев, но даже в сухом климате в них остается около 15 % влаги.

Древесный уголь, наоборот, содержит только следы жидкости, и его всегда предпочитали те, кто имел возможность заплатить.

Это топливо высокого качества практически бездымно, и содержание энергии в нем, почти такое же как в хорошем битуминозном угле, примерно на 50 % выше, чем в высушенной древесине. Другое преимущество древесного угля состоит в его чистоте. Поскольку это практически голый углерод, он содержит очень мало серы или фосфора. Потому он лучше, чем другое растительное топливо, подходит не только для применения в помещении, но и в печах по обжигу кирпича, керамических плиток или извести и в плавке руды. Дополнительным преимуществом для металлургии является высокая пористость древесного угля (удельная плотность всего 0,13-0,2 г/см3), которая облегчает возгонку удаляемых газов в топках. Но традиционные способы производства этого прекрасного топлива были очень затратными.

При частичном сгорании сваленной в груды древесины внутри примитивных печей в ямах или в виде курганов выделялось достаточное количество тепла для карбонизации. Вследствие этого не возникало нужды в дополнительном топливе, но и качество, и количество конечного продукта было трудно контролировать. Типичный выход древесного угля в такой печи составлял всего 15–25 % от заложенного высушеного дерева. Это означает, что около 60 % исходной энергии терялось в процессе изготовления угля, и в терминах объема требовалось до 24 кубометров дерева (и не менее 9-10), чтобы произвести 1 тонну древесного угля. Но выгода заключалась в качестве топлива: его сжигание могло дать температуру 900 °C, и при необходимом притоке воздуха, который создавали меха, ее можно было поднять до 2000 °C, а это более чем достаточно для плавки даже железной руды.

Ради заготовки дерева в качестве топлива (а также на строительные или кораблестроительные нужды) масштабно уничтожались леса, что приводило к полному разорению в ранее богатых деревом регионах. Массачусетс начала XVIII века был на 85 % покрыт лесами, но к 1870 году только в 30 % штата оставались деревья. 6 марта Генри Дэвид Торо (1817–1862) записал в своем дневнике:
«…деревьев у нас уже очень мало, а их продолжают вырубать. Нынешней зимой по всей округе стучат топоры, при этих звуках прямо сердце кровью обливается. По крайней мере мы, гуляющие, восприняли это таким образом. В Уайт-Понд всю кромку леса вырубили подчистую, а на юге оголили Фэйр-Хэвен-Понд, утесы практически обрили налысо. То же самое творится и на ферме Кобурна, в Бек-Стоу и т. д., и т. д.»
До пяти раз больше биомассы использовалось в широтах с продолжительными зимами, и там, где массово производили кирпичи, стекло, керамическую плитку, плавили металл и выпаривали соль. В Германии до 2 тонн дерева (почти все сгорало, чтобы получить калий, а не тепло) требовалось для изготовления 1 кг стекла, выпаривание рассола в больших железных сосудах требовало до 40 кг дерева на 1 кг соли.
Изображение
Производство древесного угля начиналось с выравнивания участка земли и установки центрального шеста; нарубленные стволы устанавливались и укладывались вокруг него, и все покрывалось глиной перед тем, как груда поджигалась. Воспроизведено из «Encydopedie»(Diderot and d'Alembert 1769–1772)

He найдено записей о типичном потреблении растительного топлива во времена античности, и только небольшое количество надежных цифр мы имеем для Средневековья. Я оценил, что средние годовые потребности энергии в Римской империи в районе 200 года составляли 650 кг на душу населения, то есть, грубо, 10 ГДж, или около 1,8 кг/сут. Наилучшая доступная реконструкция спроса на древесину в средневековом Лондоне (около 1300 года) показывает среднегодовую величину в 1,75 тонны дерева или, грубо, 30 ГДж на душу населения. Оценки для Западной Европы и Северной Америки непосредственно перед переходом на уголь демонстрируют даже более высокие средние потребности.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Потребление дерева в Римской империи

Новое сообщение ZHAN » 10 дек 2022, 15:03

Мои консервативные оценки касаются всех главных категорий потребления дерева. Хлеб и тушеные блюда были основой римского питания, и городским пекарням и лавкам требовался по меньшей мере 1 кг дерева в день на душу населения. Минимум 500 кг дерева в год уходило на обогрев, без которого не могла обойтись примерно треть населения государства, обитавшая в умеренном климате. Нельзя забывать и среднее годовое потребление на душу населения 2 кг металлов: на килограмм уходило около 60 кг дерева. Это добавляет до 650 кг на душу населения (грубо, 10 ГДж, около 1,8 кг/сут.), но поскольку эффективность сжигания топлива в римские времена была везде одинаково низкой (<15 %), то полезной энергии получалось только порядка 1,5 ГДж/г., эквивалент почти 50 л (одной канистры) бензина.

Для сравнения, при создании реконструкции потребительской корзины времен Рима была принята величина в почти 1 кг дерева в день на душу населения для того, что было названо «приличной альтернативой», и всего 0,4 кг/сут. на человека при минимальном бюджете, но в расчетах не учли топливо, использованное в металлургии и ремесленном производстве. Другой исследователь определил среднее потребление дерева на душу населения в ранней Римской империи в 4,6–9,2 ГДж/г., половину от общего использования энергии, где другая половина поделена, грубо, в соотношении 2 к 1 между энергией пищи и фуража. Его самые высокие оценки достигали 16,8 ГДж на человека, мои оценки для пищи, фуража и дерева были 18–19 ГДж/душу.

Общества XIX века в Северной Европе, Новой Англии, на Среднем Западе или в Канаде, которые использовали для приготовления пищи и обогрева домов только дерево, потребляли в год от 3 до 6 тонн топлива на душу населения. Таким же был уровень домашнего потребления топлива в Германии в XVIII веке. Среднее значение по Австрии в 1830 году приближалось к 5 т на человека, и таким же было среднее значение для США в середине XIX века. Хотя последняя цифра также включает растущее производственное (большей частью древесный уголь для металлургии) и транспортное использование дерева, домашнее потребление было все еще ведущей статьей в 1850 годы.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Пожнивные остатки и навоз

Новое сообщение ZHAN » 11 дек 2022, 17:54

Пожнивные остатки были незаменимым источником топлива на лишенных леса плотно населенных равнинах и в пустынных регионах, где деревьев в принципе мало. Солома и стебли зерновых чаще всего составляли основную массу, другие виды остатков имели значение в некоторых регионах. В них входили солома от бобовых, клубневых, стебли и корни хлопка, стебли джута, листья сахарного тростника и ветви фруктовых деревьев. Некоторые виды пожнивных остатков приходилось сушить перед сжиганием. Зрелая солома содержит только 7-15 % воды, а содержание энергии в ней сравнимо с таковым в твердом дереве.

Но плотность энергии очевидно намного ниже, и поэтому набрать достаточно соломы, чтобы топить всю зиму, куда сложнее, чем сделать запас нарубленных дров.

Низкая плотность энергии пожнивных остатков также означала, что открытые очаги и простые печи нужно было снабжать топливом почти постоянно. А поскольку остатки использовали не только для получения энергии, то их обычно было не так много. Остатки бобовых служили удобрением и прекрасным фуражом с высоким содержанием протеина. Солома зерновых шла на корм для жвачных и на подстилки животным; многие общества (включая Англию и Японию) использовали ее, чтобы крыть крыши, она также годилась в качестве материала для изготовления простых инструментов и домашних украшений.

Поэтому каждый кусочек сгораемой фитомассы собирался для использования в хозяйстве. На Ближнем Востоке часто сжигали колючие кусты, а финиковые косточки использовали для изготовления древесного угля. На равнинах Северного Китая женщины и дети с граблями, серпами, корзинами и мешками собирали опавшие ветки, листья и сухую траву. Во внутренних районах Азии, как и на Индийском субконтиненте, в районах Ближнего Востока, Африки и обеих Америк высушенный навоз был наиболее важным источником тепла для приготовления пищи. Теплотворность этого материала сравнима с той, какой обладали пожнивные остатки или трава.

Мало ценится значительный вклад того же навоза в экспансию США на запад. Навоз бизонов и крупного рогатого скота пригодился в первых путешествиях через континент и при последующей колонизации Великих Равнин в XIX веке. Путешественники на Орегонской и Мормонской тропах собирали «бизонье дерево», а первые поселенцы складывали его запасы либо под стенами домов, либо кучами в форме иглу. Это топливо, известное также как «коровье дерево» или «дуб Небраски», горело ровно и почти без дыма и запаха, но требовало постоянной подпитки. В Южной Америке навоз лам был самым важным топливом на высокогорном плато в Андах, центральном районе империи инков, занимавшей юг Перу, восток Боливии, север Чили и Аргентины. Навоз крупного рогатого скота и других животных использовался в Сахеле, районе саванн в Африке, точно так же как в деревнях Египта. Навоз крупного рогатого скота собирали в наибольших количествах равно в пустынной и муссонной Азии, тибетцы всегда полагались на навоз яков. Только овечий навоз обычно не сжигали, поскольку при сгорании он испускает едкий дым.

В Индии, где навоз все так же используют во многих сельских местностях, его собирают регулярно, как за коровами, так и за буйволами (и занимаются этим большей частью дети и женщины из касты harijan, неприкасаемых), как для собственных нужд, так и на продажу. Навоз собирали (и собирают) как уже в засохшем виде, так и в виде свежей биомассы, во втором случае его смешивали с соломой или мякиной, формовали в блоки и сушили их, прилепляя к стенам домов или складывая в груды. Недавний обзор сельского использования энергии в Южной Азии показал, что 75 % хозяйств в Индии, 50 % в Непале и 47 % в Бангладеш все еще готовят пищу на навозе.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Хозяйственные нужды

Новое сообщение ZHAN » 12 дек 2022, 20:16

Древнекитайская пословица перечисляет в правильном порядке вещи, без которых людям не прожить и дня: дрова, рис, масло, соль, алкоголь, уксус и чай.

В традиционных сельскохозяйственных обществах, где зерно обеспечивало большую часть пищевой энергии, его необходимо было готовить (обрабатывать паром, варить или запекать), чтобы сделать твердые семена пригодными в пищу. Но перед использованием зерна (запасенного в корзинах, сундуках или ларях), его почти всегда и везде требовалось первым делом измельчить. Сначала люди додумались делать это непосредственно для того, чтобы есть; прессовать разные виды семян, фруктов и орехов, чтобы получить масло или сок, начали позже. Клубни обрабатывали, чтобы удалить их несъедобные части или обеспечить долговременное хранение. И во всех этих задачах человеческая энергия только очень постепенно сменялась энергией животных.

Как уже отмечалось, первое использование неодушевленной энергии в обмолоте зерна – горизонтальные водяные колеса, приводившие в движение небольшие жернова – отмечено около двух тысячелетий назад.

Приготовление пищи требовало сравнительно небольшой тепловой энергии при распространенном в Восточной Азии поджаривании с перемешиванием и варке на пару. Наоборот, значительное количество топлива тратилось при выпекании хлеба, который был основной пищей остального Старого Света, и при жарке продуктов, широко распространенной на Среднем Востоке, в Европе и Африке. В некоторых обществах топливо также требовалось, чтобы приготовить корм для домашних животных, в первую очередь для свиней. Сезонное отопление было необходимо в средних широтах, но (за исключением регионов к югу от Сахары) дома доиндустриальной эпохи обычно обогревались лишь короткие периоды времени и до сравнительно невысоких температур.

В некоторых регионах, где не хватало топлива, не существовало зимнего обогрева, несмотря на месяцы холодной погоды: например, на лишенных леса равнинах Китая к югу от Янцзы времен династий Мин и Цин. Но в северной части Цзяннаня (провинции к югу от Янцзы) в январе и феврале средняя температура колебалась в пределах 2–4 °C, а минимальная могла быть ниже -10 °C. Холод, традиционно царивший в английских домах даже после появления угольных печей, вошел в поговорку.

Таким образом, энергетические потребности обществ Восточной Азии и Среднего Востока на хозяйственные нужды были очень низкими. Абсолютная же потребность в топливе некоторых обществ северной Европы и колоний Северной Америки была по-настоящему высокой, но из-за низкой эффективности сжигания удавалось получать сравнительно малую долю полезного тепла. Вследствие этого даже в Америке XIX века, где с дровами не было проблем, среднее домашнее хозяйство потребляло только часть потоков полезной энергии, которые стали доступными его наследникам в XX веке.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Приготовление пищи

Новое сообщение ZHAN » 13 дек 2022, 18:46

В свете того, что зерновые составляли основу питания всех высоких культур, помол зерна был определенно самой важной пищеперерабатывающей задачей в истории. Цельное зерно не особенно пригодно в пищу; его трудно переваривать, и из него нельзя испечь хлеб. В результате помола получается мука различной тонкости, которую можно использовать для приготовления легко перевариваемой пищи, в первую очередь хлеба и лапши.

Эволюционная последовательность помола началась с камней с выемками, пестиков и ступок. Продолговатые овальные ступки, с которыми приходилось работать, стоя на коленях, были широко распространены и в древних обществах Ближнего Востока, и в доклассической Европе.

Ручные мельницы с воронками и каменным основанием стали первой базовой инновацией. Греческая мельница в форме песочных часов имела конусообразную воронку и такой же формы дробилку.

Продуктивность обработки зерна только с помощью человеческих мускулов была очень низкой. Утомительный труд с каменными жерновами или ступками позволял выдать не более чем 2–3 кг муки грубого помола в час. Два римских раба, прилежно моловших муку с помощью вращательной ручной мельницы (mola manualis, использовалась с III столетия до н. э.), могли произвести менее 7 кг муки в час.

Более эффективными были помпейские мельницы (mola asinalis, использовались в основном в городах), изготовленные из грубой вулканической породы. На нижнюю цилиндрическую часть (meta) устанавливалась чаша (catillus) в форме песочных часов, мельницу вращал запряженный осел, который ходил по кругу.

Но там, где не хватало места, использовали рабов, и те же рабы приводили в движение машины для замеса теста в больших пекарнях: главная пища империи создавалась ценой неимоверных страданий.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Луций Апулей о римских мельничных рабах

Новое сообщение ZHAN » 14 дек 2022, 21:26

(«Метаморфозы» IX, 126 3.4)
«Великие боги, что за жалкий люд окружал меня! Кожа у всех была испещрена синяками, драные лохмотья скорее бросали тень на исполосованные спины, чем прикрывали их, у некоторых короткая одежонка до паха едва доходила, туники у всех такие, что тело через тряпье сквозит, лбы клейменые, полголовы обрито, на ногах цепи, лица землистые, веки разъедены дымом и горячим паром, все подслеповаты, к тому же на всех мучная пыль, как грязно-белый пепел, словно на кулачных бойцах, что выходят на схватку не иначе как посыпавшись мелким песком».
Мельница, приводимая в движение ослом (потребление энергии около 300 Вт), производила муки от менее 10 кг/ч до 25 кг/ч; жернова, которым передавалась энергия воды (1,5 кВт), мололи со скоростью между 80 и 100 кг/ч. Мука использовалась для приготовления хлеба, который давал около половины всей энергии пищи при типичном питании (доля хлеба порой превышала 70 %). Таким образом, единственная мельница за десятичасовую смену производила достаточно муки, чтобы накормить 2500–3000 человек, население приличного средневекового города.

При использовании горизонтальных водяных колес жернова вращала непосредственно вода, но все вертикальные колеса и ветряные мельницы требовали эффективной трансмиссии из дерева, способной передать вращательное движение. И никакая мельница не смогла бы произвести хорошую муку без точно пригнанных и поддерживаемых в хорошем состоянии жерновов, верхнего и нижнего. К XVIII веку каменные жернова обычно были 1–1,5 м в диаметре, до 30 см толщиной, весили около 1 т и вращались 120–150 раз в минуту. Зерно поступало через приемник в отверстие в верхнем (подвижном) жернове, затем сжималось и раздавливалось между плоскими поверхностями.

Подобные массивные камни должны были иметь очень точный баланс. Если они терлись друг о друга, то могли сами себя повредить и даже высечь искру. Если находились слишком далеко, то получалась очень грубая, некачественная мука. Требовался зазор в толщину листа толстой коричневой бумаги около отверстия и в толщину папиросной бумаги у края. Мука и отходы направлялись к внешнему краю камня по канавкам, которые делал умелый ремесленник с помощью острых инструментов. Обновлять канавки приходилось регулярно, через интервалы времени, определяемые качеством камня и скоростью работы, обычно каждые две-три недели. Блоки гранита, или твердого песчаника, или куски пористого кварца, скрепленные вместе и удерживаемые железными обручами, чаще всего брали для изготовления жерновов, но даже лучшие камни не справлялись с работой за один проход. После первого помола высевки удалялись, а мука заново пускалась в дело, и процесс мог повторяться несколько раз. Финальной стадией было просеивание через сито, после которого убирали все отходы и сортировали муку по категориям.

Веками помол с помощью воды или ветра все так же представлял собой тяжелый труд. Приходилось разгружать зерно и высыпать его в приемники; намолотую муку требовалось собирать, просеивать и паковать в мешки. Сита, работающие с помощью воды, появились в XVI веке, а полностью автоматическая мельница была сконструирована только в 1785 году американским инженером Оливером Эвансом, который предложил использовать бесконечные ремни с ведрами, чтобы поднимать зерно, и архимедовы винты для того, чтобы транспортировать его по горизонтали и распределять намолотую муку по поверхности для охлаждения. Изобретение Эванса не имело немедленного коммерческого успеха, но опубликованная им книга о мельничном деле стала классической.

История приготовления пищи показывает очень небольшой прогресс до начала индустриальной эры. Открытые очаги и камины использовались для жарки (в огне или на шампурах, решетках или вертелах), для варки и тушения. Жаровни применяли для кипячения воды и жарки мяса, а простые каменные или глиняные печи – для выпекания хлеба. Плоский хлеб прилепляли на стенки глиняных печей (до сих пор это единственный способ испечь правильный индийский наан), а дрожжевой хлеб помещали на плоской поверхности. Нехватка топлива привела к изобретению способов готовки с низкими затратами энергии. Китайцы использовали с этой целью горшки на трех полых ногах (И) уже в 1500 году до н. э. Неглубокие сковороды с покатыми стенками – индийские и тайские kuali, китайские kuo, лучше всего известные на Западе под кантонским названием wok – ускоряли жарку, тушение и обработку паром.

Происхождение кухонных печей остается неопределенным, но их широкое распространение очевидно потребовало освоения труб. Даже в богатейших частях Европы они редко встречались до начала XV века, поскольку люди продолжали полагаться на дымные, неэффективные очаги. Многие китайские глиняные или кирпичные печи все еще не имели труб в первые десятилетия XX века. Железные печи, в которых огонь был полностью замкнут, начали замещать открытые очаги в области приготовления пищи и отопления только в XVIII веке. Знаменитая печь Бенджамина Франклина, придуманная в 1740 году, была не самодостаточным устройством, а печью внутри очага, способной греть с чуть большей эффективностью. В 1798 году Бенджамин Томпсон (граф Румфорд, 1753–1814) придумал кирпичное устройство с цилиндрической топкой и отверстиями в верхней поверхности, чтобы ставить горшки; печь эта изначально использовалась для больших кухонь.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Тепло и свет

Новое сообщение ZHAN » 15 дек 2022, 20:46

Примитивность и неэффективность традиционных методов отопления и освещения особенно примечательны, если сравнивать с часто впечатляющими механическими достижениями древних цивилизаций. Контраст еще больше на фоне широкого набора технических инноваций в Европе после Ренессанса. Открытые очаги и камины обеспечивали довольно слабое отопление почти на всем протяжении ранней современной эры (1500–1800). Свечение огня, мерцающее слабое пламя (часто дымивших) масляных ламп и (обычно дорогих) свечей обеспечивали все освещение в течение тысячелетий доиндустриальной эволюции.

В области отопления самый важный переход от затратных, нерегулируемых открытых очагов к более совершенным устройствам был очень медленным. Даже помещение огня в трехсторонний камин принесло лишь крайне малый выигрыш в эффективности. Хорошо сложенные камины могли гореть без присмотра целую ночь, но их эффективность оставалась низкой. Лучшие цифры достигали 10 %, но как правило величина колебалась лишь около 5 %. Обычно подобное устройство нагревало воздух рядом с собой, но теплый воздух уходил через трубу наружу, что приводило к общим потерям тепла в комнате. Перекрыть же тягу было нельзя, поскольку при сгорании топлива выделялся опасный, а в больших количествах даже летальный угарный газ.

Эффективность традиционных кирпичных или глиняных печей менялась не только в зависимости от конструкции (часто обусловленной предпочтениями в приготовлении пищи), но также в зависимости от главного топлива. Современные исследования, посвященные азиатским сельским печам, чья форма не менялась столетиями, позволили зафиксировать максимальную практическую эффективность. Массивные кирпичные печи с длинными трубами и плотной кладкой, которые топили дровами, имели эффективность около 20 %. В менее крупных, продуваемых печах с короткими трубами, которые топили соломой или травой, типичная величина была близка к 15 %, а иногда составляла всего 10 %. Но все традиционные отопительные устройства оставались очень неэкономными. По меньшей мере три обогревательных системы использовали дерево и пожнивные останки изобретательно эффективным образом, обеспечивая большую степень комфорта.

К их числу относились римский hypocaust, корейский ondol и китайский kang. Первые два направляли горячие продукты горения через поднятый пол комнаты перед тем, как отправить их в трубу. Hypocaust был греческим изобретением, его старейшие образцы находят в Греции и некогда населенной греками побережной части Южной Италии, и датируют III веком до н. э.. Римляне поначалу использовали его в теплых комнатах (caldaria) публичных бань-терм, а позже для того, чтобы обогревать каменные дома в более холодных провинциях империи. Испытания сохранившегося hypocaust показали, что 1 кг каменного угля в час достаточно, чтобы поддержать температуру в 22 °C в комнате 5x4x3 м при наружной температуре 0°. Третье из упомянутых обогревательных устройств до сих пор встречается в Северном Китае. Kang, большая кирпичная платформа (минимум 2x2 м и 75 см высотой) обогревается остаточным теплом от прилегающей печи; она используется в качестве кровати по ночам и как место отдыха днем.

Был проведен детальный инженерный анализ подобного традиционного теплообменника, затем последовали предложения по повышению его эффективности. Kang отдавал тепло медленно, распределяя его по сравнительно большой площади, жаровни же, широко распространенные в большинстве обществ Старого Света, наоборот, предоставляли точечный источник тепла и производили немало угарного газа.

Японцы, успешно эксплуатировавшие китайские и корейские изобретения, не смогли адаптировать ondol или kang для своих хлипких деревянных домиков. Жители Японии пользовались жаровнями с каменным углем (hibachi) и грелками для ног (kotatsu). Такие небольшие контейнеры с каменным углем, поставленные на пол и покрытые плотной тканью, использовались даже в XX веке. Они существуют и сегодня в форме электрических kotatsu, маленьких обогревателей, встроенных в низкие столики.

А Палата общин Великобритании отапливалась с помощью больших сосудов с каменным углем до 1791 г.

Растительное топливо также служило важнейшим источником освещения во всех доиндустриальных обществах. Огонь, факелы из смолистого дерева и горящие лучины были простейшими, но наименее эффективными и очень неудобными вариантами освещения. Первые масляные лампы с горящим жиром появились в Европе в верхнем палеолите, около 40 тысяч лет назад, свечи начали использовать на Среднем Востоке после 800 года до н. э. И те и другие обеспечивали неэффективное, слабое и дымное освещение, но они по меньшей мере были безопасными и высокомобильными. Для горения использовались различные животные и растительные жиры: пчелиный воск, оливковое, рапсовое, льняное и касторовое масло, ворвань, говяжье сало; на фитили шел папирус, пенька, тряпки. До конца XVIII века искусственное освещение существовало только в форме свечей, и для яркой иллюминации требовалось огромное количество этих крохотных источников света.

Свечи превращают только около 0,01 % химической энергии в свет, самая яркая точка в их пламени дает среднюю интенсивность излучения (объем энергии, падающей на единицу поверхности) всего лишь на 20 % выше, чем у чистого неба.

С изобретением спичек в Китае в конце VI века растопка очагов и разжигание ламп стали намного более легким делом. Первые спички представляли собой тонкие сосновые палочки, пропитанные серой; они добрались до Европы только в начале XVI века. Современные безопасные спички с красным фосфором на головке были придуманы в 1844 году и вскоре заняли большую часть рынка.

В 1794-м Ами Арганд предложил лампы, светимость которых можно увеличивать с помощью фиксатора фитиля, с центральной подачей воздуха и трубой для лучшей тяги.

Вскоре после этого появился первый осветительный газ, полученный из угля. Однако большую часть XIX века за пределами крупных городов десятки миллионов домов по всему миру продолжали полагаться в области освещения либо на растительное топливо, либо на животные жиры, в первую очередь на китовую ворвань.

Плохо оплачиваемая, утомительная и опасная охота на морских млекопитающих, описанная в романе Германа Мелвилла «Моби Дик» (1851), достигла пика перед 1850 годом. Американский китобойный флот, на тот момент крупнейший, состоял из 700 судов в 1846 году. В первую половину десятилетия около 160 тысяч бочек китового жира прибывало каждый год в порты Новой Англии. Последующее уменьшение численности китов и конкуренция со стороны угольного газа и керосина привели к быстрому упадку этого промысла.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Транспорт и строительство

Новое сообщение ZHAN » 16 дек 2022, 20:04

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.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Наземный транспорт

Новое сообщение ZHAN » 17 дек 2022, 16:34

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. 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.

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; 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.

Энергетические затраты человека при беге сравнительно высокие, но люди обладают уникальной способностью почти полностью отделять эти затраты от скорости. Исследователи 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, 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. 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, 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 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.

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), 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.

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. Обнаружено, 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.

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. 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. Сцена изображает 166 человек, которые тащат колоссальную статую на салазках, при этом работник поливает дорогу впереди жидкостью из кувшина. 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.
Изображение
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)

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.

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, который весит 340 тонн и является крупнейшим камнем, поднятым в Европе в мегалитическую эпоху, мы тоже не знаем.

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.. 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. 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. В Западной Европе римские достижения в дорожном строительстве были превзойдены только в XIX веке, а в восточных регионах континента – лишь в двадцатом.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Энергетические затраты при строительстве римских дорог

Новое сообщение ZHAN » 18 дек 2022, 21:34

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. 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. 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. 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. 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 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.
Изображение
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. 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. Этот дизайн сохранили практически все велосипеды XX века. Эволюция современного велосипеда в целом завершилась с изобретением надувных шин и заднеприводного тормоза в 1889 году.

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.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Гребные и парусные суда

Новое сообщение ZHAN » 19 дек 2022, 20:52

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. 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. 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.

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.
Изображение
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. 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. 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.

Каналы были особенно важными катализаторами экономического развития в центре китайского государства (нижнее течение Хуанхэ и Северо-Китайская равнина) со времен династии Хань. 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.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Перевозки по каналам в древности

Новое сообщение ZHAN » 20 дек 2022, 19:05

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. 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.

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. Но сила, получаемая от парусного крыла, должна комбинироваться с балансирующей силой киля, иначе корабль будет дрейфовать по направлению воздушного потока.

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. 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.

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.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Паруса и хождение под парусом против ветра

Новое сообщение ZHAN » 21 дек 2022, 19:22

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.
Изображение
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)

Изображение
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 [Летающее Облако] 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. 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.

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. 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, 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, 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.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71867
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Пред.След.

Вернуться в История наук и ремесел

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1

cron