Механическая сила
Цивилизация требует не только тепловой энергии, о которой шла речь в главе 5; чтобы шагнуть за пределы возможностей мускульной силы, нужно научиться использовать механическую.
Одним из ключевых изобретений римлян было вертикальное водяное колесо с зубчатой передачей: нижняя часть большого колеса с лопастями погружалась в реку, и колесо силой течения вертелось. В античную эпоху эта сила воды использовалась для вращения жерновов, перемалывающих зерно в муку, а ключевым механизмом, без которого такая технология была бы невозможна, стала ортогональная зубчатая передача (изобретенная около 270 г. до н. э.), трансформирующая направление движения из вращения в вертикальной плоскости, совершаемого колесом, в горизонтальное вращение жернова. Проще всего этого можно добиться применением большого коронного колеса (с зубцами, торчащими перпендикулярно плоской поверхности диска) на валу колеса водяного в сочетании с так называемой цевочной шестерней (барабаном из стержней), соединенной с жерновом. Меняя соотношение размеров коронного колеса и цевочного колеса, можно подобрать нужную скорость вращения для жернова при любой скорости течения реки. Водяные мельницы такой конструкции — первейшее известное применение шестерен для передачи усилия и, таким образом, являют собой раннее предвестие механизации.
Хотя его можно смонтировать практически на любом речном берегу и даже приспособить к борту мельничного судна, поставленного на якорь на стрежне реки, нижнебойное колесо удручающе непроизводительно и в своей простейшей конструкции перестает работать при изменении уровня реки. К счастью, не требуется особенной технической компетентности, чтобы построить гораздо более эффективное водяное колесо. Верхнебойные колеса, которые вошли в широкий обиход в Темные века — как считается, период застоя и темноты, наступивший в Европе после падения Рима, при всем внешнем сходстве с примитивными нижнебойными используют совершенно иной принцип.
Нижний край верхнебойного колеса не погружают в воду, напротив, поднимают над лотком, а вода поступает на макушку колеса по специальному желобу. У верхнебойного колеса момент силы возникает не от напора течения, а от удара падающей струи. Такая конструкция много производительнее и может утилизировать до двух третей энергии падающего водного потока. Устройте на желобе задвижку-шлюз, чтобы управлять толкающим колесо потоком, и, если реку перегородить дамбой, создав мельничную запруду, вы получите резервуар энергии, расходуемой по мере надобности (до этого приема человечество додумалось лишь к VI в., полтысячелетия спустя после появления первых вертикальных водяных колес. Однако в постапокалиптическом мире можно сразу же перейти к такой технологии).
Оседлать ветер — задача значительно более хитрая, чем запрячь водный поток, и соответствующие технологии возникают в истории человечества значительно позже (хотя суда с парусом, использующие силу ветра как двигатель, восходят к 3000 г. до н. э.). Вода гораздо более плотная среда, чем воздух, и даже слабое течение несет немалую энергию: этот ресурс легко использовать даже с помощью несовершенных машин и малопроизводительных деревянных деталей. Поток воды можно регулировать посредством шлюза, но управлять силой ветра никто не может, так что, если он станет дуть слишком резко, крылья мельницы или даже ее механизм могут сломаться. Поэтому ветряным мельницам нужен специальный тормоз и система настройки крыльев, по подобию с управлением корабельными парусами. Но при всем этом самая главная трудность — постоянно меняющееся направление ветра, под которое мельницу нужно быстро переориентировать.
Примитивную ветряную мельницу можно водрузить на столб и вручную разворачивать всю конструкцию под ветер, но у крупных и мощных мельниц крылья должны крепиться на верхней башенке, которая автоматически поворачивается за ветром вокруг центрального вала. Механизм для этого применялся простой до гениальности: небольшая крыльчатка, установленная позади главных крыльев и под прямым углом к ним, соединялась зубчатой передачей с зубчатым кольцом, лежащим по верхнему краю башенки: если ветер менялся и попадал на лопасти крыльчатки, она начинала крутиться и поворачивала башню, пока та не оказывалась вновь точно против ветра[32].
Для всего этого требуется гораздо более высокий уровень технической сложности, чем для самой большой водяной мельницы. Но, научившись использовать силу ветра, вы больше не ограничены только водными потоками и можете размещать производство хоть на плоских равнинах (как в Нидерландах), хоть в землях, скудных водой (типа Испании), хоть там, где вода часто оказывается подо льдом (например, в Скандинавии).
Обуздание природной силы воды и ветра в сочетании с все более эффективным использованием тягловых животных (к этой теме мы вернемся в главе 9) оказало глубочайшее воздействие на человеческое общество, и в годы перезагрузки нужно будет как можно скорее дойти до этого уровня. Средневековая Европа стала первой в истории человечества цивилизацией, основавшей производство не на человеческой мускульной силе — труде батраков и рабов, — а на эксплуатации силы стихий. Эта механическая революция, происходившая между XI и XIII столетиями, пошла много дальше мельниц, растиравших зерно в муку. Вращение водяного колеса и ветряка стало универсальным источником энергии для удивительно широкого круга процессов и операций: отжима масла из оливок, льняного семени и рапса, сверления отверстий, полировки стекла, прядения шелка и хлопка, раскатывания стальных полос металлическими катками. Простое механическое устройство, кривошип, преобразовало вращение в возвратно-поступательное движение, используемое в пилораме, шахтной вентиляции и помпе, откачивающей из шахт воду (особенно успешно применявшейся голландцами). Но, пожалуй, шире всего использовался кулачковый механизм, в котором вращение колеса поднимает и отпускает падающий молот: удобное решение для дробления руды, ковки железа, измельчения известняка на известковое удобрение или строительный раствор, взбивания грязной овечьей шерсти (для очистки и прессовки) и толчения закваски для пива, пульпы для бумаги, коры для дубления и листьев вайды для получения синей краски.
Кулачковый механизм использовался для подъема падающего молота на протяжении семи веков, пока промышленная революция не заменила его паровой машиной, но он дожил и до наших дней: под капотом легковушек и грузовиков он в нужном порядке открывает и закрывает клапаны двигателя (см. главу 9).
Таким образом, средневековые водяные и ветряные колеса вкупе с соответствующими механизмами, преобразующими начальное вращение в необходимый вид движений, представляют собой первые автоматы. Средневековье, может, и не являвшееся промышленным, несомненно было трудолюбивым. И если нашу цивилизацию погубит глобальная катастрофа, можно надеяться, что средневековые технологии, возрожденные и примененные, позволят быстро достичь начального уровня производительности труда.
Любая цивилизация должна уметь использовать и тепловую, и механическую энергию. Но как преобразовать одно в другое? Преобразовать механическую энергию в тепло — невелика хитрость: вспомните, как мы в прохладный день трем ладони; а вся функция механических смазок и подшипников состоит в том, чтобы свести к минимуму трение и избежать ухода полезной энергии в нагрев. Вместе с тем весьма полезно было бы умение создать обратный переход. Тепловую энергию можно получить в любом количестве сжиганием того или иного объема топлива, а возможность конвертировать тепло в механическую энергию позволит не зависеть от изменчивых стихий ветра и воды и, кроме того, даст двигатели для механических средств передвижения. Первым в истории устройством, совершившим такое превращение тепла в полезное движение, стала паровая машина.
Главный принцип паровой машины восходит к старой как мир загадке, хорошо известной еще Галилею в конце XVI в.: почему вакуумный насос не может поднять воду в трубе выше 10 м. Объясняется это тем, что сам воздух оказывает давление, эта сила сжимает все, что есть на поверхности земли, включая столб воды. Но отсюда следует, что и сама атмосфера может делать работу для нас. Нужно только лишь создать вакуум внутри цилиндра с гладкими стенками и свободно движущимся поршнем, и внешний воздух втолкнет поршень. Этот процесс можно использовать в машине для совершения работы. Остается вопрос: как снова и снова создавать в цилиндре вакуум? Ответ: силой пара.
Впустите в цилиндр пар из парового котла, и пусть он там остынет: конденсируясь в воду, он перестанет давить на поршень и уравновешивать атмосферное давление. Под действием внешнего воздуха поршень уйдет обратно в цилиндр, совершив нужную вам работу, а цикл можно повторить, открыв клапан и дав поршню вернуться, а затем впрыснув новую порцию пара. Таков общий принцип действия первых «огневых машин» XVIII столетия. Заметно повысить их эффективность можно, добавив отдельный охладитель, чтобы не нужно было постоянно охлаждать и нагревать цилиндр. Если же вы сможете сконструировать особенно прочные цилиндры и котлы — из подручных материалов либо после освоения металлургии, тогда возможностей будет еще больше. Вместо того чтобы полагаться на всасывающий эффект от остывающего в цилиндре пара, увеличьте давление пара и используйте мощь горячего газа — знакомую по шипению эспрессо-машинки, — чтобы сначала двинуть поршень в одну сторону, а затем в другую, обратно.
Главный процесс, осуществляемый паровой машиной (как и любым поршневым тепловым двигателем, например автомобильным мотором, который мы обсудим в главе 9), — возвратно-поступательный ход поршня. Его удобно использовать на откачке воды из шахт, но для большинства других применений это колебание нужно превращать в равномерное вращение. Кулачковый механизм, как в ветряных мельницах, осуществит превращение и нужным образом задаст ход машины или колес транспортного средства.
Вам может показаться, что паровая машина воплощает именно тот переходный этап в развитии техники, который нужно перескочить, перейдя сразу к двигателю внутреннего сгорания и паровой турбине, которые мы подробно разберем ниже. Однако паровая машина в сравнении с более совершенными технологиями обладает двумя важными преимуществами, так что, скорее всего, вам придется задержаться и на этой ступени. Во-первых, она относится к двигателям внешнего сгорания и не нуждается в рафинированном бензине, керосине или соляре: без особых хлопот в топку можно пустить практически любой горючий материал, например отходы лесопилки или компост. Во-вторых, для сборки простой паровой машины понадобятся не такие сложные станки и материалы и гораздо меньшая точность и строгость расчетов, чем для сложных механизмов. К механической энергии мы скоро вернемся, а теперь давайте посмотрим, как можно восстановить одно из важнейших удобств нынешнего мира — электричество.
