Мускульная энергия человека
НА ПРОТЯЖЕНИИ многих тысячелетий единственным источником энергии, которым располагал человек, 0|,|но его собственное тело, его мышцы и мускулы. Хотя сегодня выдвигаются предположения о том, что в архаичных обществах Пыли гораздо большими возможности прямого воздействия человека на внешний мир силой воли и мысли (например, перемещения предметов с помощью телекинеза), эти экстравагантные гимн юзы пока не нашли должного подтверждения в исторической науке. Способность останавливать светила силой слова и передвигать верой горы остается чудом, не имеющим отношения к иГм. іденной жизни.
В каком-то смысле человек сам является источником энер — ■ нм, используемой для хозяйственных нужд, а точнее, наверное, непосредственным "преобразователем" энергии". Согласно первому началу термодинамики, энергия не создается и не исчезает. Когда энергия используется человеком для каких-то целей, то Меняются ее виды, например, из тепловой она преобразуется в механическую. В ходе такого преобразования часть энергии все — I па теряется, рассеивается. Человек, потребляя в виде пищи 2500- 1(100 ккал ежедневно, способен с помощью своих мускулов совершить механическую работу, эквивалентную 500-600 ккал. Таким образом, коэффициент полезного действия человека оказы — ипегся равным приблизительно 20%. Между прочим, больше, чем у лошади (ее КПД около 10%) и значительно больше, чем у бы — [2]
Эта сравнительная оценка дана французскими исследователями Ж. Дебейром, Ж. Делижем, Д. Эмери; она совпадает с расчетами американского автора Ф. Коттрелла, утверждавшего, что средняя эффективность человека, как существа, преобразующего энергию, составляет 20%. Значит, каждые 100 калорий потребленной пищи обеспечивают выход энергии его мускульных сил, эквивалентный 20 калориям2.
Конечным источником энергии, поступающей в организм человека, является солнце: растения, которые служат источником питания, поглощают и преобразуют солнечную энергию (получение человеком энергии солнца и космоса напрямую, в виде "пра- ны", убедительно не доказано).
В течение длительного времени в реальном топливно — энергетическом балансе человечества (его, конечно, никто не рассчитывал), энергия, получаемая от человека, играла заметную роль. Отношение к человеку только как к "преобразователю энергии" ставило вопрос о том, какое "топливо" (питание) для этого "двигателя" наиболее эффективно.
В XVIII-XIX веках для рабовладельцев Южной и Северной Америки он был вполне практическим, причем тогда существовал определенный выбор, чем именно кормить рабов. Как известно, во многих странах предпочтение отдавалось бобовым.
Выбирать наиболее эффективный источник питания приходилось не только рабам, но и свободным.
Вплоть до XVIII в. подавляющее большинство населения Земли питалось преимущественно растительной пищей; так в начале XVII в. в потреблении бедняков Генуи доля хлеба составляла свыше 80%3.
Из всех злаков наиболее эффективным источником питания для человека веками был рис, что объясняется качеством протеи — [3] [4] ми н богатым составом аминокислот в рисе, но не только этим. Рис давал хорошие урожаи даже иа плохих почвах (если было тктаточно влаги), мог выращиваться на одном и том же поле много лет подряд. Кроме того, вегетационный период ряда сорит риса значительно короче, чем у пшеницы. Со времен динарі ни Тан в Китае (618-907 годы н. э.) предварительное вырагцива — миг рассады риса (перед посадкой в почву) позволяло собрать на і мімом поле 2-3 урожая в год4.
В начале XVIII в. в ряде стран Западной Европы крестьяне і ці ли выращивать картофель, урожайность которого была выше, чгм у зерновых, а энергозатраты на производство — ниже. Картофель становился "вторым хлебом" (а иногда и первым). Именно ним обстоятельством, переходом к картофелю, ряд исследовате — т-И объясняет быстрый рост народонаселения в Великобритании (удвоение за 50 лет с 1750 по 1800 год) и Франции (рост на 50% ы ют же период)5.
По мнению Ф. Броделя, "человек со своими мышцами пред — I пшляет отнюдь не лучший двигатель, его мощность, измеренная в лошадиных силах (подъем 75 кг иа один метр за секунду), ни — •пмжна — между тремя и четырьмя сотыми лошадиных сил про — ІШІ 25-27 сотых лошадиной силы у упряжной лошади"6. Однако іругие исследователи дают оценки "мощности" человека, не со — іллсующиеся с этой — Ф. Бродель, возможно, занижает потенциал мускульно-мышечной системы человека; 0,03-0,04 лош. силы, по 11)1 расчетам, слишком мало.
Еще в 1923 г. С. Г. Струмилин исходил из того, что средняя мшцность" взрослого работника мужчины при нормальном пи — Ініїїіи (4000 калорий в сутки) не превышает 1/12 — 1/15 лош. си — [5]
лы. а в отдельных случаях она может доходить до 0,2 и даже 0,25 лош. силы, но таких работников очень мало[6].
По оценке французского исследователя Ж. Жемпеля, с которой солидаризуется В. А. Мельянцев, мужская рабочая сила имела среднюю энергетическую мощность, равную 0,06-0,07 эталонной лошадиной силы[7], этот показатель приблизительно совпадает с тем, что в свое время рассчитал С. Г. Струмилин.
Во всех случаях человек, если рассматривать его только как "преобразователя" энергии, в принципе может быть заменен иным "преобразователем". Раньше всего функцию "замещения" стали выполнять домашние животные. Альтернативность в выборе источников энергии ставит вопросы об их сравнительной эффективности; на практике предпочтение часто отдавалось рабам.
В научной литературе существует достаточно широкий разброс ‘ оценок, сопоставляющих энергетический потенциал человека и тягловых животных.
Ф. Бродель ссылается на автора XVIII в. Форэ де Белидора, утверждавшего, что для выполнения работы одной лошади требовалось семь человек. Эта оценка совпадает с данными Э. Ашера, приведенными в исследовании, опубликованном в 1941 г.[8] Ж. Жемпель и В. А.Мельянцев полагают, что разрыв в энергетической мощности собственных сил человека и лошади — более чем десятикратный[9].
Однако, если сравнивать не энергетическую мощность в расчете на единицу затрат пищи в калориях, а результаты труда,
■к-попек оказывается, как правило, эффективнее тягловых животных.
В конце 1940-х — начале 1950-х годов Оскар Льюис провел исследование, целью которого было сопоставить два способа производства кукурузы с точки зрения энергозатрат: мотыжный и плужный, в качестве тяглового животного использовались быки, •нсмеримент проводился в мексиканской деревне Тепоцтлан, где она этих способа реально применялись. Как оказалось, выращи-
…….. кукурузы вручную с помощью мотыги требует в 3 раза с
лишним больше рабочего времени, чем при применении плуга: в нервом случае требовалось в среднем 165 человеко-дней на гек — I ар, во втором — лишь 50 дней. Выяснилось, однако, что урожайность при обработке земли мотыгой вдвое выше, чем при обраної ке плугом. Человек — по критерию урожайности — оказался іффективиее".
В книге Фреда Коттрелла "Энергия и общество" проводится (равнение человека и тягловых животных (быков) по критерию іффективности преобразования энергии, получаемой с пищей, в механическую работу. Эта опенка вновь ведется на примере за — ірат энергии на производство кукурузы с помощью мотыги и плуга в той же мексиканской деревне Тепоцтлан. Автор приходит к выводу: эффективность этих двух способов "преобразования иіергии, накопленной растениями, в механическую работу", примерно одинакова’2. Этот вывод относится к частному случаю; как общее правило, эффективность человека (как источника энергии) гораздо выше, чем тягловых животных: на единицу пищи от человека можно получить большую отдачу.
Руки человека, вооруженные хотя бы мотыгой или лопатой, оказываются лучшим приспособлением для ведения земледельческих работ. [10] [11]
В 1806 г. французский автор П. Ж. Пуансо давал такой совет французским землевладельцам в книге "Друг земледельцев": "Следовало бы определенно пожелать, чтобы все земли вскапывались лопатой. Эта работа была бы наверняка намного выгоднее, нежели вспашка плугом… (при вспашке плугом) земля никогда не бывает так хорошо перекопана и измельчена, как после лопаты…"[12].
Ф. Бродель приводит данные, согласно которым при Людовике XIII рабочий день одного человека оплачивался из расчета не одной седьмой для работы лошади (как это было бы по соотношению исключительно "энергетических мощностей"), а одной второй. Ф. Бродель так комментирует это обстоятельство: "… такой тариф справедливо оценивал человеческий труд выше. Дело в том, что этот незначительный по мощности двигатель всегда был очень гибок"[13].
В качестве гребцов на галерах или бурлаков человек использовался почти исключительно как источник энергии, однако в подавляющем большинстве случаев — в том числе, и при выполнении земледельческих работ — энергетический потенциал человека соединялся с иными его возможностями: применением орудий, интеллекта, ловкостью и гибкостью.
Достоинством человека является и его большая выносливость. Как пишет Л. В.Милов, через каждые 4 дня работы на пахоте лошади был необходим день выгула. В отличие от лошади, русский крестьянин в XVIII веке с 22 апреля по 6 июня работал на поле без единого выходного, практически без отдыха и почти без сна[14].
Как хорошо известно, со временем значение человека как простого источника энергии падало, возрастала роль его интел — ‘и кга, способность выполнять разные виды работы, не сводящие — | и к простой затрате энергии. Переход к производящему хозяйст — му, к земледелию, предполагал использование различных орудий ц>уда, умножающих производительную силу человека, появление определенных навыков и знаний, умение принимать все более і ножные самостоятельные решения.
Уже первые системы земледелия позволяли получить урожай, энергетическая ценность которого была больше, чем энерге — шчсские затраты человека на его производство.
Первой системой земледелия, существовавшая в эпоху неон ига, была мотыжная, когда главным орудием производства бы — ШІ каменная мотыга на деревянной рукоятке. Вся энергетика сво — іинась к затратам физической силы человека. По оценке акад. і Г. Струмилина, каменной мотыгой на территории России можно было подготовить к севу не более 0,1 га на работника за сезон. Прокормиться урожаем с этой земли даже бессемейному работнику было совершенно невозможно16. Земледелие дополнялось икотой, собирательством, рыбной ловлей.
Железный топор позволил примерно с 700 г. до н. э. производить расчистку под посевы больших лесных массивов и расширить земледелие в Европе. Был осуществлен переход к подівшому земледелию, что сокращало затраты труда на единицу продукта более, чем в 2 раза; на территории европейской России, 1 нс переход к подсечному земледелию произошел не позже III в. и г, один работник мог обработать уже до 0,3 га земли17.
Более благодатные, чем в России почвы позволяли даже то — I да, когда человек в качестве источника энергии мог полагаться [15] [16]
только на свою мускульную силу, в течение года возделывать взрослому мужчине до 1 га земли и прокормить четырех человек[17].
В ранней аграрной экономике основные затраты энергии шли на производство продуктов питания, долгое время почти целиком — злаковых культур, хлеба; с этим же были связаны огромные трудозатраты на ирригацию. Но колоссальных затрат энергии требовало сооружение культовых построек: в Египте это были пирамиды, в Европе — различные "мегалиты": менгиры, кромлехи, дольмены.
В третьем тысячелетии до нашей эры в Шумере и Египте появился новый источник, многократно умножающий мускульную энергию отдельных людей и позволяющий решать принципиально новые задачи. Л. Мэмфорд назвал его "мегамашиной": "Это была невидимая структура, состоящая из людей, каждый из которых был поставлен на свое место, получил свою роль и особую задачу, что позволило достичь огромной эффективности труда и выполнить грандиозные проекты этой большой коллективной организации"[18].
Согласно Геродоту, пирамиду Хеопса строили 100 тыс. человек, заменявшиеся новыми каждые три месяца на протяжении 30 лег. В ходе этого гигантского строительства использовалась в качестве энергии только мускульная сила человека. Поднимались громадные тяжести: пирамида Хеопса построена примерно из 2,3 млн. каменных глыб общим весом 5,75 млн. т. Таким образом, средний вес глыбы составляет 2,5 тонны[19].
Гранитные балки перекрытия склепа пирамиды Хеопса весят около 500 тонн каждая, в пирамиде Хефрена есть монолиты тнім до 423 тонн[20]. При строительстве использовались лишь полозья, катки, продольные брусья, канаты и рычаги.
В ряде стран Западной Европы сохранились мегалиты, установленные людьми вручную — огромные камни, в том числе каменные плиты больших размеров, положенные на три или четыре каменных столба (дольмены). Ученые уточняют время их появ — II’иия Самый известный из мегалитических памятников — Сто — міхендж в Англии; в 1950-х годах применение весьма несовершенного тогда радиоуглеродного метода позволило отнести начало работ древних строителей Стоунхенджа не ранее, чем к 2600 і до н. э.[21] Однако исследования, проведенные в 1990-х годах, к ииинули датировку начала работ в IV тыс. до н. э., причем первая фаза строительства завершилась, согласно современным пред — 11 явлениям, не позднее 2910 г. до н. э.[22]
Каменные глыбы весом около 30 тонн каждая вручную стаскивалась в Стоунхендж с расстояния примерно в 18 миль, камни и 1-6 тонн доставлены с расстояния до 140 миль, а некоторые камни проделали путь более 200 миль[23].
В Китае еще в V-III в. до н. э. велись работы по строительству крупных каналов в разных частях страны. В 605 г. н. э. был начат Великий канал между реками Янцзы и Хуанхэ, законченный через 722 года — в 1322 г., длина канала составила 1794 км. Каналы и плотины создавались исключительно ручным трудом, на деятельность требовала до 30% затрат всего рабочего времени китайских крестьян[24].
Основным источником энергии в Древнем Риме — как и в Древнем Египте — оставалась мускульная сила человека: и рабов, и свободных.
Как пишет Светоний об императоре Веспасиане (правил в 69-79 годах н. э.), "механику, который обещался без больших затрат поднять на Капитолий огромные колонны, он тоже выдал за выдумку хорошую награду, но от услуг отказался, промолвив; "Уж позволь мне подкормить мой народец"[25].
Мускульная сила человека долго оставалась главным источником энергии на кораблях: до XII в. суда приводились в движение при помощи весел, сила ветра использовалась лишь в том случае, если он был попутным. Древнегреческое судно — трирема — имело парус и приблизительно 160 гребцов. Изредка строились и гигантские корабли. Так, во времена Архимеда и при его участии по указанию тирана Гиерона в Сиракузах был построен корабль длиной 125 м, вмещавший до 4200 тонн груза. Четыре тысячи гребцов двигали его весла[26] [27].
Морские перевозки в эпоху Римской империи были весьма значительны, огромной была армия гребцов. В первом веке н. э. Рим получал только из Египта и остальной Африки ежегодно около 400 тыс. тонн зерна, для перевозки которого требовалось приблизительно 6 тыс. судов среднего размера. Общий вес грузов, привозимых в римскую гавань Остия, достигал 800 тыс.
78
тонн .
Крупные гребные суда сохранились вплоть до Нового времени. В начале XVIII в. на галерах было приблизительно по 30 пар весел, за каждым из которых сидело по 5-6 гребцов[28]. В эти годы опытные команды гребцов на галерах Средиземноморья
«гнали до 26 взмахов веслом в минуту, что позволяло развить t корость около 6 узлов[29] [30] [31] [32].
Суда традиционно тянули и бечевой, по суше. Численность русских бурлаков еще в середине XIX в. составляла до 300 тыс. человек[33]. В начале 1830-х годов на каждую тысячу пудов груза, перевозимых по рекам и каналам, приходилось в среднем по 3,5 бурлака32.
Там, где состояние берегов делало невозможной обычную бурлацкую тягу бечевой, применялась тяга речных судов "пода — чими". Выглядело это таким образом. С судна на особой лодке шиозили вперед, вверх по течению, якорь с привязанным к нему канатом. Якорь бросали на дно, а бурлаки, стоя на палубе судна, ш. ібирали канат, подтягивая судно к якорю, причем делали это обычно лямками. Когда они приближались к якорю, им давали конец каната от второго якоря, завезенного вперед за это время, а первый извлекали. Этим способом судно продвигалось вперед, со і коростыо 5-10 км в сутки11.
Но со временем мускульная энергия человека стала дополни гься энергией домашних животных, водяных и ветряных мельниц, дров, а затем и угля, других минеральных источников.
Начиная с ХІ-ХІІ в. н. э. быстрее всего процессы развития альтернативных (по отношению к мускулам человека) источников энергии происходили в Европе.
В конце XI в. энерговооруженность работника в Англии и других регионах Северо-Западной Европы в среднем превышала его собственные мускульные возможности примерно в 8-10 раз, в XIII в. — в 15-20 раз, в 1730-1740-е годы — примерно в 25 раз[34].
По оценке Ф. Броделя, в конце XVIII в. энергетические возможности западноевропейского работника превышали его собственные мускульные силы в 20 раз, по расчетам В. А.Мельянцева — в 28 раз35.
Иными словами, в конце XVIII в. в топливно-энергетическом балансе Европы на мускульную энергию человека приходилось менее 3% потребленной энергии.
Промышленная революция привела к падению доли мускульной энергии человека в топливно-энергетическом балансе до почти незаметной величины. Оказалось, что чрезвычайно выгодно развивать добычу минерального топлива как особую отрасль.
При сжигании фунт хорошего угля дает 3500 калорий — примерно столько, сколько нужно шахтеру (в виде пищевых калорий) в течение целого дня. При ручной добыче угля в XVIII в. шахтер выдавал "на-гора" примерно 500 фунтов угля за смену. Если это количество угля использовалось в топках паровой машины с КПД всего 2%, то добытый одним шахтером уголь обеспечивал получение энергии, приблизительно вчетверо большей, чем могла дать лошадь в течение дня работы. Причем сам рабочий потреблял пищи в 5 раз меньше лошади! Сделавший эти оценки американский исследователь Ф. Коттрелл замечает: "Неудивительно, что железный конь стал замешать своего предшественника из плоти и кости"36.
И тем не менее, мускульная сила человека — несвободного человека — еще долго применялась там, где технически возможен был иной источник энергии. По свидетельству французского мемуариста С. Мерсье, в 1788 г. в больнице Бисетр воду из колодца поднимали силой двенадцати лошадей, "но из соображений разумной экономии, каковая дает еще большее преимущество, ста — 11
ми татем употреблять на этой работе сильных и крепких арестан — н ш"[35].
Арестанты — не обязательно "сильные и крепкие" — исполь — ишались примерно на такой же работе и в XX веке. А в XIX в. выло широко распространено рабство. ♦