Текст книги "История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия"

Каналы и тоннели

Ранние китайские инженеры строили каналы для перевозок внутрь страны. При жизни Конфуция в V веке до н. э. началось строительство Великого канала, который венецианский путешественник Марко Поло видел почти достроенным в 1290 году. Он протянулся на 860 миль от Ханчжоу на реке Янцзы на север к Тяньцзиню. Для того чтобы поднимать лодки с одного уровня на другой, китайцы веками использовали одно и то же приспособление – наклонную плоскость, оборудованную катками и лебедками, приводимыми в движение мускульной силой человека. У римлян баржи, предназначенные для перевозки по системе каналов, мулы перетаскивали через Понтийские болота. Но римляне довольствовались путешествиями по рекам и морю, потому что имели свободный выход к воде, как греки, и не испытывали острой необходимости в перетаскивании тяжестей внутрь территории. Римляне построили несколько небольших каналов в Англии, Нидерландах и Северной Италии. Однако все они, вероятнее всего, были предназначены для ирригации и осушения, а не для перевозок.

Император Карл Великий, очевидно, был первым монархом в Западной Европе, пожелавшим построить канал для судоходства. Он вынашивал идею соединить Дунай с Рейном. Работы начались осенью 793 года, и император лично со всей свитой явился, чтобы увидеть это начало собственными глазами. Канал должен был стать таким же важным в его имперском плане торгового и военного контроля, как и мост через Рейн. Идея была грандиозной, а попытка ее претворения в жизнь оказалась неудачной. У Карла Великого и его строителей было слишком мало инженерных знаний. Весьма сомнительно, что они обладали информацией о соответствующих уровнях воды в двух речных системах. Они не смогли справиться со сложной местностью. Некоторое время вели земляные работы, но довольно быстро их свернули из-за болотистой почвы, постоянных дождей и зыбучих песков. Строители были уверены, что им мешают злые силы, возможно, даже сам дьявол. Иначе как объяснить, почему за ночь пески поглощали весь грунт, вынутый за день. Да и окрестные монахи были против строительства и постоянно заявляли об этом. По ночам строителей преследовал ужасный шум, крики и смех. Трудно сказать, был Карл Великий испуган или раздражен, однако проект он свернул. Сегодняшний канал между Рейном и Дунаем начали строить уже в начале Второй мировой войны.

После неудачной попытки Карла Великого прошло много лет, прежде чем начались другие работы по строительству каналов, заслуживающие внимания. Только в самом конце XII века стали предприниматься некоторые шаги в этом направлении. А тем временем основные усилия инженеров

были направлены на реставрацию римских каналов для ирригации, осушения и водоснабжения. Затем в Южной Франции и Северной Италии практически одновременно начались работы. В 1171 году граф Тулузский даровал епископу Кавайона право повернуть воды реки Дюранс для мукомольных мельниц. Епископ, в свою очередь, позволил жителям региона использовать отработанную воду на своих полях. Это привело к сооружению множества боковых каналов от главного. Так появилась ирригационная система для общины.

В Италии инженеры задумали канал Навильо-Гранде, чтобы он нес воды и лодки из Тичино через 30-мильную равнину в Милан. Строительство началось в 1179 году и завершилось в 1258 году. Таким образом, альпийские реки Сен-Готарда и Симплона, которые текли из озера Маджоре, были повернуты, чтобы сделать город Милан процветающим. По этому каналу в 1438 году перевезли бело-розовый мрамор для внутренней отделки Миланского собора. Чтобы построить эффективный канал, требовалось нечто большее, чем простое восстановление римских сооружений. Необходимы были дамбы и другие приспособления для регулирования потока и поддержания одинаковой глубины, так же как относительно постоянного уровня на длинных участках. Какими были эти приспособления, мы не знаем. Итальянские слова sostegno, или поддержка, и conca, или палата, описывающие эти приспособления, предполагают какие-то барьеры или ворота. В любом случае в это время началось создание современного шлюза (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Ранний камерный шлюз

Средневековые инженеры строили тоннели в крепостях и замках, но нет никаких свидетельств проведения таких работ на строительстве каналов до самого начала XVII века. Иными словами, они продолжали придерживаться римского метода использования огня и воды для выемки скальных пород и кирки и лопаты в других местах. Роджер Бэкон (1214–1294), английский философ и естествоиспытатель, любивший размышлять о будущем науки, в 1248 году писал о порохе: «Возьмите 7 частей селитры, 5 частей древесины ореха (древесного угля), 5 частей серы… и с этой смесью вы можете получить яркую вспышку и громовой шум, если знаете прием. Вы можете сами провести эксперимент и узнать, пишу ли я для вас чепуху или чистую правду». Заметим, что писал он как имея соответствующие свидетельства, так и без оных. А Альберт Магнус, известный немецкий теолог, философ и естествоиспытатель, доминиканец, преподававший в Париже, по-видимому, знал тайную формулу в 1250 году. Появление пушки датируется XIV веком. Однако нет свидетельств того, что порох использовался при прокладке тоннелей или других земляных работах до XVII века.

Дамбы, гавани, пристани

Драги в гавани Бостона июльским утром 1945 года всасывали тонны глины и гравия с морского дна, чтобы заполнить промежуток между двумя островами и расширить городской аэропорт. Их черпаки, приводимые в действие электричеством, отправляли в 30-дюймовую трубу массы грунта, который под давлением перемещался на расстояние мили до берега. Средневековые инженеры были бы впечатлены сочетанием гидравлической инженерии с электрическими двигателями.

Некоторые гавани, такие как Остия, порт Рима, были заброшены из-за заиливания, и у инженеров не было способов их очистить. Также следует отметить, что большинство судов имели такую маленькую осадку, что их было довольно легко вытащить на берег. В Средиземном море, учитывая отсутствие приливов, не было острой необходимости в глубоководных гаванях и пристанях. Но бездеятельность не была всеобщей. Доступ к морю становился нужным. Жители английского Бристоля, после того как лондонцы отвернули реку в сторону для постройки моста, выкопали траншею, чтобы дать реке Фрум (Фром) более широкий канал от места ее слияния с рекой Эйвон. Они начали трудиться над созданием этого глубоководного бассейна в 1239 году и закончили в 1247 году. Городу это стоило 5000 фунтов, огромные деньги для того времени. Из этой большой усовершенствованной гавани отправлялись в плавание многие английские исследователи, купцы, колонизаторы и пираты.

Строительство адекватных доков началось, когда в этом появилась нужда. Древние суда были легкими и имели небольшую осадку. Для ремонта их без особого труда вытаскивали на берег и кренговали. С ростом тоннажа – а рост был очень быстрым в XV веке – появилась острая необходимость в сухих доках. Крупный английский военный корабль в 1434 году имел водоизмещение 400 тонн, а в 1474 году – 900 тонн («Мэри и Джон», Бристоль). Ранний метод, использованный в 1434 году в Саутгемптоне, что на южном побережье Англии, где высота приливов превышает 13 футов, заключался в следующем: судно подводили близко к берегу по высокой воде, а во время отлива окружали его стеной из древесины, веток и глины. В результате образовывался бассейн, который можно было поддерживать сухим, пока производился ремонт. К 1496 году в Портсмуте был построен постоянный сухой док из древесины и камня. И только после появления тремя столетиями позже паровых двигателей воду из доков стали откачивать. Раннее упоминание о мокрых доках для поддержания постоянного уровня воды в гаванях со значительной высотой приливов, пока идет погрузка или выгрузка, мы находим в дневнике Сэмюэла Пипса от 28 апреля 1667 года. К этому времени уже получил существенное развитие шлюз – неотъемлемая черта такого дока.

Нидерланды на континенте отодвигали от себя море, миля за милей, начиная с X века. Они использовали дамбы против 20-футовых приливов, ветряные и водяные мельницы для осушения болот и каналы для дренажных работ в низинах. Нищие крестьяне, богатые бюргеры, цистерцианские монахи – все они работали на себя, но имели общую цель – получение плодородных земель. Катастрофы, которые несли с собой штормы и наводнения, лишь укрепляли дух жителей и подталкивали их к новым свершениям. Они строили все более честолюбивые планы расширения и охраны своих земель. В этой борьбе со стихией был достигнут инженерный успех, принесший благо людям во всем мире. Никто точно не знает, где впервые появился шлюз – в Нидерландах, Италии или, может быть, в Китае. Кто бы ни совершил это открытие, оно было с большим успехом использовано в Нидерландах.

Фламандский город Брюгге, порт Северной Европы, был важен для континентальной торговли того времени, так же как Венеция на Адриатике. Но у Брюгге был доступ к Северному морю только по каналу, открытому всем штормам. Для его защиты была построена дамба на севере, в районе Дамме, но канал невозможно было закрыть полностью. Кто-то предложил построить две пары ворот в плотине, своего рода шлюз, так чтобы первые ворота можно было закрыть за судном до того, как вторые откроются и море хлынет внутрь или наружу, в зависимости от направления движения. Эта камера, очевидно, была сделана из дерева. Ее проект неизвестен, да и никто толком не знает, как навешивались ворота, как они открывались и закрывались.

Судя по записям 1234 года, был ecluse a sas, камерный шлюз. Устройство ремонтировали в 1353 году, потом в 1371 году и ближе к концу века заменили каменным. Если фламандские инженеры не были первыми строителями шлюзов, они определенно являлись прославленными строителями гидротехнических сооружений, и в их советах нуждались во всей средневековой Европе.

Одна средневековая муниципальная программа была выполнена Филиппом II Августом, королем Франции, в 1180–1223 годах. Двадцатилетнему Филиппу не понравились клубы пыли от повозок на дороге, мешавшие ему любоваться видом Сены из окна его дворца. Он вызвал мэра и велел вымостить улицы Парижа. Это было сделано в 1185 году с использованием крупных каменных плит, некоторые из которых можно до сих пор увидеть в саду музея Клюни. И здесь совершенно неуместно сравнение с римскими мостовыми. Плиты не были предназначены для выравнивания дороги или обеспечения тишины в близлежащих домах. Но они фиксировали уровень дороги, и на них было запрещено сбрасывать мусор. Жителям было велено собирать мусор перед своими домами и вывозить за пределы города.

Средневековые сообщества имели системы водоснабжения. Римские акведуки использовали на протяжении всего Средневековья, при этом только немногие подверглись модернизации. Были созданы резервуары и установлены водяные насосы. Олдрик, епископ Мана в 832–857 годах, имел акведук и сводчатый резервуар для снабжения водой двух городских фонтанов. Ламбер, аббат Сен-Бертена в 1095–1123 годах, имел «водный подъемник», связанный с мельничными колесами аббатства. Цистерцианские монахи были весьма опытны в гидравлической инженерии. Честерский женский монастырь в Англии в 1285 году снабжался водой из свинцовой трубы длиной 3 мили. В Кентерберийском соборе много лет действовала система доставки воды. Красивый готический акведук в Кутансе (рис. 5.10) был построен в 1277 году. Все это верно, но все же обычно города и деревни снабжались водой без всяких систем. Жители ведрами носили воду из ближайшего источника. Так было в древности – аналогичное положение в некоторых местах сохраняется и сейчас. Да и вода нередко загрязнялась.

Рис. 5.10. Готический акведук XIII в. в Кутансе, Нормандия

Помои, вылитые на улицу, довольно быстро находили путь в реку или колодец, и никакие меры для очистки не принимались. Уборные, канализационные коллекторы и выгребные ямы в средневековых городах строились и периодически очищались, но они располагались вблизи источников воды. Их содержимое практически наверняка во время наводнений смешивалось с речной водой и попадало в резервуары, а оттуда в дом жителей. Римляне Витрувий и Плиний Старший указывали на связь между загрязненной питьевой водой и болезнями. Жан Питар, королевский хирург Людовика IX Французского, и преемники короля предвосхитили в 1310 году санитарные инженерные мероприятия, ставшие общепринятыми пятью веками позже. Питар вырыл колодец у себя в погребе, очевидно поместив его ниже уровня реки. Независимо от уровня воды в реке он и его соседи пили прозрачную и относительно чистую воду, профильтрованную через песок. Возможно, ему повезло, и он наткнулся на отдельный подводный поток. В любом случае этот колодец активно использовался в течение следующих трехсот лет. Правда, данных о смертности среди употреблявших эту воду нет. Городская санитария дожидалась XIX века.

Между тем предприимчивые средневековые горожане составляли весьма разумные планы жилых окрестностей и новых городов. В средневековых сообществах имелись опытные мастера, которых мы сегодня назвали бы городскими инженерами. В Дуэ существовал совет, состоявший из двух каменщиков и двух плотников. Согласно записям Амьена за 1292 год, такие же чиновники были на службе в городских управлениях. Позже появились caticheurs – инспекторы по строительству и материалам. И были дорожные строители. Существование этих чиновников указывает на стремление горожан поддержать свое сообщество. Новые города – окрестности за пределами городских стен – демонстрируют весьма неплохое городское планирование. Они задумывались как образцовые населенные пункты со всеми удобствами, в которых люди будут с радостью селиться. Конрад, герцог Церинген, основал Фрайбург-им-Брайсгау в 1120 году на пустыре, примыкающем к его замку. Каждый поселенец получал надел 50 на 100 футов, за который платил герцогу ежегодную ренту в 1 су. Расположение главной дороги через Шварцвальд от Рейна до Дуная было удачным для торговли, и город процветал. Вскоре появились и другие энтузиасты. Примеры – аббат Сугерий и его коммуна Вокрессон во Франции, Генрих I и его Ньюкасл-он-Тайн в Англии.

Новый город – ville neuve – важен в истории, потому что оказывал разрушительное влияние на феодальную систему лорд – вассал. Он способствовали переходу к капиталистической системе и индустриальному обществу. Он известен гражданскими свободами, личными и экономическими, которые его вдохновитель был рад предложить в ожидании доходной отдачи для себя, если люди станут там селиться. Эти гарантии были аналогичны правам, привилегиям и иммунитетам древних торговых центров и римских городов, которые феодальные лорды не смогли ликвидировать. И новый город также важен своей инженерией. Разумеется, планы и методы строительства варьировались в зависимости от местности. Но в целом существовала тенденция прокладывать улицы по прямоугольникам, если возможно, и делать их шире или уже, в зависимости от ожидаемой интенсивности движения и их сравнительной важности, как подходов к центру города. Торговые площади размещались в увязке с жилыми массивами. Позади домов предусматривались служебные проходы. Церкви и общественные здания располагались так, чтобы к ним был максимально удобный доступ. То же можно сказать о площадях – инженеры планировали их с учетом удобства и эффективности. Не забывали они и об общем архитектурном впечатлении. Гипподам бы одобрил их деятельность.

Городом, ставшим самым ярким примером гражданской сознательности и триумфом муниципальной инженерии в эпоху позднего Средневековья, стал не древний торговый центр, переживший феодализм, и не новый город, выросший, чтобы его уничтожить. Основатели Венеции бежали от гуннов и лангобардов на острова и лагуны в головной части Адриатического моря. К 568 году они закрепились под защитой болот и песчаных отмелей и стали, по сути своей, республиканской нацией. Хотя Венецианский совет постепенно перешел под контроль аристократии, венецианский дож так и не стал наследным монархом. Венецианцы процветали. Они сумели столкнуть византийского императора с Карлом Великим, оставшись независимыми от обоих. К 1000 году они справились с далматинскими пиратами и стали господствовать на морском пути к Святой земле. И далее, уже после подъема западных наций – Испании, Франции и Англии – город Венеция, могущество которому давала торговля с Востоком, был силой, с которой не могли не считаться европейские государства.

Венецианцы засыпали обширные болота и укрепили берега lidi – низких островов, расположенных между эстуарием и морем. Их мосты, часто каменные, соединяли острова. Знаменитый мост Риальто, спроектированный в 1178 году Николо Баратьери, правда, из дерева, был расширен в 1255 году и снабжен подъемником. Их первые деревянные жилища, построенные на платформах, как хижины доисторических озерных людей, в XV веке уступили место мраморным дворцам на вбитых вплотную сваях, которые не разрушались водой. Сваи были необходимы, поскольку почва из ила, тины, глины и песка была мягкой до глубины свыше 100 футов, после чего шел слой твердой глины толщиной 10 футов. Любые конструкции, имеющие хотя бы какой-то вес, следовало приспосабливать к столь особой почве. Проблема заключалась в том, что вес должен был распределяться равномерно, чтобы постройка стояла ровно и прочно. К тому же весь регион был сейсмоопасным. Здесь были нередки землетрясения и высокая вулканическая активность. Остров Маламокко, расположенный в нескольких милях к югу, затонул в Страстную пятницу 1102 года, когда из-под земли вырвалось пламя и на берег хлынуло море. Жителям едва хватило времени бежать.

Строительство базилики Сан-Марко в Венеции началось в 830 году на древнем римском фундаменте. После пожара 976 года базилика была восстановлена в XI веке в византийском стиле в форме греческого креста. В храме было более 500 мраморных колонн, центральный купол диаметром 42 фута располагался на четырех опорах, каждая 21 на 28 футов. Стены были сложены из кирпича и облицованы мрамором. Особенность храма, которая привлекает туристов не меньше, чем бронзовые кони и голуби, – волнистый пол. Его появление вызвано недостаточным выравниванием конструкции: в некоторых местах неровности достигают 10 дюймов. А сваи забиты на глубину всего 7 футов.

Неустрашимый или ничего не знающий о состоянии подпочвы Николо Баратьери в 1180 году построил кампанилу собора Святого Марка в Венеции высотой почти 200 футов, при этом фундамент был установлен на глубине менее 17 футов. Он шел почти вертикально с небольшим расширением внизу, а вверху был менее чем на 4 фута шире, чем кирпичная шахта. Пожары, землетрясения и молнии повреждали кампанилу, которая часто перестраивалась. В 1517 году она была поднята на высоту 300 футов. Но в отличие от Пизанской башни, которая постепенно проседала, пока не отклонилась от вертикали на 16½ градуса, венецианская кампанила стояла ровно. Ее тщательно осмотрели в 1885 году и нашли, что все в порядке. Она стала памятником инженерному искусству Николо Баратьери и его преемников. А 14 июля 1902 года около 10 часов утра она рухнула. Некий оператор успел сфотографировать момент падения. В постройке открылись две широкие вертикальные трещины. По мнению некоторых, обрушение было вызвано старостью и «усталостью» каменной кладки, и состояние фундамента тут ни при чем. Тем не менее в 1903 году, когда началось восстановление кампаниям, фундамент укрепили.

Рис. 5.11. Венецианская кампанила

К 1328 году в Венеции появились чиновники, ответственные за все каналы, порты, набережные, работы по контролю над реками и предотвращению заиливания лагуны. В нужный момент были изменены естественные русла рек и ручьев, чтобы они впадали прямо в море; вода, приводящая в движение мельничные колеса, была направлена в специальные каналы, чтобы сделать водяные колеса эффективнее. На континентальных берегах построили дамбы, дабы пресная вода не смешивалась с морской. Венецианцы считали, что такая смесь вызывает малярию. До X века единственной водой, которую они использовали, была дождевая. Они собирали ее в глубокие pozzi – колодцы, после фильтрации через много слоев песка, который периодически промывали для очистки. Со временем республика построила канал от реки Брента до Моранцани, ближайшего города на материке. Здесь воду закачивали насосами на лодки и отправляли в город – в pozzi. Общий объем воды от дождя и с канала, предназначенный для личного пользования горожанами, не превышал 3 галлонов в день на человека, при численности населения в 1563 году 183 000 человек.

Довольно часто в Венеции, как и в других средневековых городах, содержимое канализационных коллекторов выплескивалось на улицы и попадало в каналы. Но власти старались соблюдать санитарию с помощью законов и штрафов. Похороны строго регулировались, нездоровые производства выводились за пределы жилых кварталов, открывались больницы для прокаженных и жертв других страшных болезней. Узкие опасные переулки освещались за общественный счет, некоторые улицы были вымощены. Таким образом, горожане превратили Венецию в исключительное место для жизни. Тем временем Европа переходила от Средневековья к эпохе Возрождения, а история инженерного искусства продолжала уверенно двигаться по восходящей линии на протяжении обоих периодов.