Энергия и цивилизация

Обычные ручные инструменты, где применяются рычаги первого класса – монтировка, ножницы и (двойной рычаг) клещи. Чаще всего используемые рычаги второго класса – это ручные тележки (Needham 1965; Lewis 1994). 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 (Hommel 1937). 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.

Рисунок 4.2.

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 (Bulliet 1975, 2016).

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 в этой главе 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.