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

Городское строительство

Большие и малые города, как и в Средние века, имели особые черты и жили изолированно, не взаимодействуя друг с другом. Но их содержание и развитие входили в сферу национальных интересов. 16 июня 1510 года Людовик XII, хотя в первую очередь имел в виду Париж, приказал всем жителям городов Франции выложить тротуар перед своим домом и поддерживать его в хорошем состоянии. В королевских предписаниях стали появляться спецификации с указанием размеров каменных блоков и методов их укладки. Франциск I издал точные правила в 1540 году и пригрозил суровыми наказаниями тем, кто не выполнит работу.

Франциск I и его инженер Ле Рой понимали, что молы и пристани, приливные бассейны, шлюзовые ворота и контроль заиливания – все это необходимо, но недостаточно, чтобы Ле-Гавр стал крупным национальным портом. Там должны жить люди и иметь свой бизнес, причем для них должны быть созданы привлекательные условия, иначе они туда не придут. 8 октября 1517 года король объявил, что освободит от королевских налогов на десять лет всех тех, кто живет в этом регионе. Кроме того, он даст бесплатную соль рыбакам для рыбы и их личного употребления. Когда люди в Ле-Гавр все же не пошли, он тремя годами позже объявил, что дарует эти привилегии безвозвратно и на неограниченный срок. Король и Ле Рой понимали, что новый город должен также снабжаться водой. За 3000 ливров Ле Рой по отдельному контракту взялся организовать доставку воды в город по глиняным трубам из источника, расположенного на расстоянии 3 миль. А потом носильщики будут доставлять ее из фонтанов в жилища граждан. Ле-Гавр рос. Франциск I в 1541 году нанял итальянского инженера для планировки нового жилого района и через два года – еще одного.

В те времена делалось лишь немного попыток содержать улицы города чистыми и освещенными. Это не интересовало жителей. Намного больше интереса вызывала проблема организации водоснабжения. Людям свойственно думать в первую очередь о себе, а уж потом о нуждах соседей. Система водоснабжения в германском Аугсбурге вызывала любопытство и зависть гостей города еще в 1548 году. В трубопроводе Ле Роя в Ле-Гавре вода текла под воздействием силы тяжести, как в римских акведуках, но жители Аугсбурга получали воду из реки. Неизвестно, как в 1548 году воду поднимали из реки. Можно предположить, что под водой были установлены подливные колеса, вращающие архимедовы винты, или спиральные насосы, которые поднимали воду на высоту. В 1705 году путешественник Де Блейнвилль упоминал мельницы на реке и работающие день и ночь насосы, поднимающие воду по свинцовым трубам в башни. Они функционировали настолько эффективно, что все общественные фонтаны были заполнены, и, кроме того, тысяча домов получала «сто двадцать больших мер». Что представляла собой эта «мера» – неизвестно.

Рис. 6.6. Система водоснабжения в Толедо

Через двадцать лет после того, как заработала система водоснабжения в Аугсбурге, в испанском Толедо появилась система водоснабжения, озадачившая инженеров. Причем они не так жаждали узнать принцип ее действия, как дивились тому, что она работает вообще (рис. 6.6). После изгнания мавров в 1502 году древний акведук разрушился, и жителям пришлось возить воду на ослах из реки Тахо, протекавшей в полумиле – или около того – от города. Но подниматься на 300 футов к алькасару было тяжело, и часовщик Джанелло Турриано (1501–1575) придумал диковинный механизм. Подливное колесо в реке Тахо поднимало воду и приводило в движение зубчатые колеса, тяги и качающиеся рычаги аппарата. Идея заключалась в том, чтобы поднять на рычаге каждый Т-образный черпак последовательно и передать воду следующему. Так вода поступала последовательно через серию черпаков и рычагов до алькасара. Сколько воды терялось по дороге, никто не знает. Хитроумный прибор Джанелло Турриано работал недолго – если вообще работал. Бедняки Толедо очень скоро опять вернулись к доставке воды на ослах.

Рис. 6.7. Часть водопроводной станции Лондонского моста

Подобных сомнений относительно эффективности и механики городского водоснабжения нет, когда речь заходит о лондонской системе, которую Питер Морис построил при королеве Елизавете. Где он родился, в Нидерландах или в Германии, в точности неизвестно, да и не имеет значения. Морис имел большой опыт в поднятии воды из расположенных в низинах источников на высоту. Он знал, как использовать силу приливов, которые толкали воду через узкие арки Лондонского моста (рис. 6.7). Его подливные колеса генерировали энергию мощностью более 100 лошадиных сил и приводили в движение поршневые насосы, перекачивавшие более 4 миллионов галлонов воды ежедневно через 12-дюймовый трубопровод на высоту 128 футов. Как и в Аугсбурге, вода под действием силы тяжести стекала из резервуаров по свинцовым трубам к жилищам людей. Система водоснабжения Мориса поражала воображение горожан, но воды все равно оказалось недостаточно, чтобы остановить великий пожар 1666 года, так же как современное водоснабжение доказало свою неадекватность в Чикаго, Сан-Франциско, Бостоне и других городах. За свою службу городу Морис и его наследники получили 500-летний арендный договор с годовой платой всего 10 шиллингов, право использовать пять арок Лондонского моста и необходимую землю. Его наследники пользовались всеми привилегиями и выполняли все обязательства, пока в 1822 году система не была ликвидирована актом парламента. Сколько состояний было сделано на этой аренде или утрачено в процессе выполнения работ, является интересной исторической информацией для обеих сторон в споре об использовании частной собственности в общественных работах.

Хью Мидделтон (1560–1631), богатый ювелир и инженер-самоучка, друг сэра Уолтера Рэли, в 1608–1613 годах потратил свое состояние на постройку акведука, чтобы поставлять более 13 миллионов галлонов чистой воды в Лондон. Король Иаков не слишком заинтересовался проектом, но выделил ссуду, покрывшую более половины расходов на строительство, – почти 2,5 миллиона долларов. Вода поставлялась из источников в районе Вэра, Хартфордшир, по 60 водопропускным трубам и 160 мостам в канал шириной 18 футов и глубиной 5 футов, стекала по сельской местности на протяжении примерно 40 миль со средним уклоном не более 3 дюймов на милю. Джон Стоу, внимательно наблюдавший за строительством, писал, что глубина рва (в некоторых местах) достигала 30 футов, если не больше, а в других местах воду необходимо было поднять над долиной в желобе между парой холмов, и этот желоб все время опирался на деревянные арки. Некоторые из них были зарыты в землю очень глубоко и поднимались над ней на высоту более 23 футов.

Водохранилище Мидделтона размещалось в районе Ислингтона, и оттуда вода стекала по 58 трубам из ильма или свинца в город. Дома, сдаваемые за 15 или 20 фунтов в год, имели трубы меньшего диаметра, по которым вода поступала непосредственно в помещение. Многоквартирные дома, как правило, имели общий насос. В какой-то момент Джон Стоу, вероятно, был прав, заявляя, что Лондон снабжается водой лучше, чем любой другой город в мире. Тем не менее многие лондонцы были вынуждены пользоваться колодцами, часто загрязненными утечками из сточных ям и прочими отходами. Система Мидделтона, расширенная и усовершенствованная, является частью лондонской системы водоснабжения и сегодня. Одно время она включала 400 миль деревянных труб. Джон Смитон, британский механик и инженер-строитель, в 1776 году снабдил ее паровым двигателем, а в 1787 году паровая машина Уатта обеспечила более высокое давление. Вскоре после 1810 года деревянные трубы были повсеместно заменены чугунными.

Рис. 6.8. Насосы Линтлаера на парижском Пон-Неф, 1608 г.

Париж зависел от древних акведуков из далеких источников для снабжения общественных фонтанов на близлежащих площадях, аббатств и приоратов питьевой водой. По большей части воду брали из Сены. Генрих IV, вдохновленный примером Лондона, в 1608 году нанял фламандского инженера, чтобы эффективнее использовать реку. Жан Линтлаер установил 16-футовые водяные колеса под Новым мостом – Пон-Неф (рис. 6.8), чтобы снабжать водой Лувр и Тюильри. Эти насосы, получившие название «самаритян», использовались до 1813 года, когда Наполеон приказал их убрать, потому что на реке стали устанавливать паровые насосы. В 1624 году Мария Медичи, мать Людовика XIII, желая получить более приятную, если не более безопасную, питьевую воду, приказала построить акведук Аркёй. По нему доставлялась вода из источников Рунгис, что в 8 милях к югу. Вода поступала в Люксембургский дворец и сады королевы, и некоторая часть отводилась для 14 общественных фонтанов.

Рис. 6.9. Машина Суалема в Марли, подающая воду в Версаль, 1682 г.

Достижением гидравлической инженерии во Франции были водопроводные сооружения Марли (рис. 6.9), построенные для Людовика XIV в 1682 году фламандским инженером Реннекеном Суалемом (1645–1708). Они должны были обеспечить поставку воды для садов Версаля. Было потрачено более 80 миллионов французских ливров – больше 4 миллионов фунтов стерлингов – на машины, которые могли поднимать не больше воды, чем один крупный английский пожарный насос 1744 года, стоимость которого не превышала 10 000 фунтов. В Марли было построено 225 насосов тремя ступенями вдоль ¾-мильного склона от реки. Еще 25 насосов работали на Сене. 14 подливных колес обеспечивали энергию. Они были соединены с насосами на склоне цепями или соединенными между собой тягами, которые оглушительно лязгали и дребезжали. На протяжении первого участка длиной ³/₈ мили было в общей сложности 500 клапанов, которые внесли свой вклад в общую утечку. Стоимость технического обслуживания и ремонта, вероятно, была заоблачной. По английским оценкам, в 1749 году она составляла 25 000 фунтов в год. Эффективность оставалась низкой. Утверждают, что 95 процентов тратилось на движение тяг и цепей. Но машина действительно поднимала воду на 533 фута из Сены в резервуар в Версале. Она работала до 1804 года.

Сооружения Марли важны для инженерии, несмотря на сложность механизмов и низкую эффективность. Суалем использовал чугунные трубы – насколько известно, это было впервые в истории. Чугун доселе применялся исключительно для пушек. Процесс изготовления железных труб был сравнительно хорошо отработан, но оставался дорогостоящим. Людовик XIV, однако, не жалел средств для красот Версаля. По-видимому, он не сомневался, что Франция может себе позволить чугунные трубы для королевских садов. Мария-Антуанетта впоследствии прославилась подобным отношением к простому люду, заявив, что, если у народа нет хлеба, пусть ест пирожные. В Америке использование чугунных труб началось только после 1817 года. К тому времени производство стало настолько экономичным, что они стали повсеместно быстро заменять деревянные.

Вода и огонь

У людей было много разных идей относительно использования воды, идей зачастую непрактичных, но тем не менее хитроумных и даже пророческих. Еще до 1578 года Жак Бессон думал о тушении огня с помощью струи воды, выбрасываемой сжатым воздухом. В 1617 году Якоб де Страда придумал горизонтальное водяное колесо, прообраз современной турбины. В какой-то период после 1620 года голландский ученый Корнелиус Якобсон Дреббель (1572–1634) придумал лодку, которая плыла под водой по Темзе от Весминстера до Гринвича. До 1629 года Джованни Бранка (умер в 1629 г.) придумал паровую турбину. Он предположил, что его устройство может использоваться для приведения в действие пестов и ступок, подъема воды, пиления древесины и т. д. (рис. 6.10). Это было фантастическое изобретение, но тем не менее важное. По всему миру начались эксперименты с паром. Лишь немногие из придуманных машин были в действительности построены, и причин тому несколько. Во-первых, не было необходимых инструментов. А во-вторых, люди еще не чувствовали острой потребности в подобных машинах. Именно простые потребности людей, выполняющих повседневные задания, открыли путь к пониманию силы огня и его большей полезности при соединении с водой. В целом потребности современной жизни – главная причина всех инженерных открытий.

Рис. 6.10. Концепция паровой турбины Бранки

Представляя собранные им знания в Pirotechnia в 1540 году, Бирингуччо подчеркивал большую ценность воды для металлургического производства. Он писал, что из всех неудобств в первую очередь следует избегать нехватки воды. Это материал первостепенной важности для металлургического производства, потому что колеса и другие хитроумные приспособления приводятся в действие ее энергией и весом. Она может легко поднимать большие и мощные мехи, которые дают свежие силы и энергию огню, она заставляет самые тяжелые молоты бить, мельницы поворачиваться, тем самым всячески помогая людям. Было бы практически невозможно, не имея воды, добиться поставленной цели, потому что, дабы повернуть колесо, требуется мускульная сила ста человек или даже больше.

Обобщив опыт работы металлургов и шахтеров, Бирингуччо сделал выводы относительно производительности труда и продолжительности рабочего времени. По его мнению, рабочие смены должны продолжаться шесть или восемь часов, после чего к работе должны приступать новые, хорошо отдохнувшие люди. Это предложение совершенно не соответствовало римской привычке использования рабского труда, да и средневековому обращению со свободными рабочими тоже. Оно и сегодня далеко не всегда и не везде действует. Понятно, что современники не обратили внимания на его рекомендации. Кроме того, Бирингуччо отметил, что горное дело даже больше, чем война со всеми ее неприятностями, является бизнесом для людей, которые хотят богатства. В этом стремлении горное дело даже выше торговли, поскольку торговля зачастую связана с обманом и другими утомительными вещами, неприемлемыми для честного человека. Судя по подробным описаниям Бирингуччо, процессы плавки и производства стали в то время уже были хорошо развиты. Средневековый кузнец являлся высококвалифицированным ремесленником, имеющим в своем распоряжении молот и наковальню, мехи и огонь и способным творить с их помощью настоящие чудеса. Однако большое внимание Бирингуччо уделял и сопутствующим проблемам. Он отмечал, что несчастные рабочие днем не имеют ни минуты покоя и могут отдохнуть только вечером, утомленные длинным и напряженным рабочим днем, который начинается для них с первым криком петуха. Иногда они засыпают даже без ужина.

В шахтах Европы после римских времен были введены заметные усовершенствования. Стали углублять стволы шахт, пробивать шурфы, в галереях появились крепи. Улучшились инструменты. К 1520 году под землей появились первые железнодорожные тележки с четырьмя колесами на рельсах (см. рис. 9.16). Таким образом, увеличился выход продукции, и снизилась нагрузка на людей. Грузоподъемные механизмы теперь нередко приводили в действие лошади. Появились подъемники для людей, вентиляционные шахты и нечто подобное вентиляторам. К 1627 году, хотя сила пороха была известна двумя веками ранее, его стали использовать в шахтах, помимо древнего метода добычи – раскалывания камня с использованием огня и воды. Однако насосы, хотя они, безусловно, были лучше, чем римские tympanum и cochlea, все же не могли справиться с бурными подземными потоками, которые периодически врывались в шахты и галереи, сметая все на своем пути.

Водяные насосы появились задолго до 1600 года. Витрувий подробно описал насос Ктесибия, и труды Витрувия, опубликованные в 1486 году, были среди самых ранних печатных работ на эту тему. В работе De re metallica, опубликованной в 1556 году, Агрикола описал несколько насосов: всасывающие, цепные и т. д. Одна сложная установка в Хемнице поднимала воду на 660 футов в три этапа с помощью насосов шарового и цепного типа. Ее приводили в действие 96 лошадей, работавшие четыре часа и отдыхавшие двенадцать. На каждом насосе работало по восемь лошадей. Другой проект, проиллюстрированный в издании 1589 года Spiritalia Герона, имел четыре всасывающих насоса, которые приводили в действие коленчатые рычаги, установленные под прямым углом друг к другу. Их вращала одна лошадь. Эти ранние изображения показывают кривошипно-шатунные механизмы, преобразующие возвратно-поступательное движение во вращательное. Двумя столетиями позже на них были выданы патенты в Англии. Но только насосы были медленными и слабыми и не отвечали требованиям даже своего времени. Их пользователи не могли подсчитать отношение затраченной энергии к полученной работе. Они только знали, что даже с большой группой тяжелых фламандских лошадей, работающих день и ночь (рис. 6.11), насосы не могут выполнить необходимую в шахте работу.

Рис. 6.11. Насос мощностью четыре лошадиные силы для осушения шахты

Ктесибий и Герон, два инженера эллинских времен, всегда будут почитаться за свои исследования в области свойств пара. Утверждают, что Ктесибий изобрел поршень и цилиндр еще до 200 года до н. э., и Витрувий приписывает ему насос, в котором они использовались. Уцелели некоторые труды Герона. Они были переведены с греческого в XVI веке, сначала на латынь – это сделал Федерико Коммандино в 1575 году, а потом на итальянский – это сделал в 1589 году Бернадино Бальди. Герон описал разные приспособления, и среди них механизмы, которые сегодня называют паровыми двигателями. Один из них признается ранней реактивной паровой турбиной. Трудно сказать, какое влияние оказала публикация идей Герона на практическое мышление. Но в 1601 году Джованни Баттиста делла Порта (1535–1615) отметил, что вакуум образуется при конденсации паров и его можно использовать для втягивания воды. Это была фундаментальная идея первой паровой машины, построенной столетием позже. В 1615 году Саломон де Каус (1576–1635) описал приспособление для нагрева воды в полой сфере и подъема пара в трубе. Он довольно подробно описал устройство для подъема воды с помощью конденсации пара, но так и не сделал его. Шотландец Дэвид Рамси (умер около 1653 г.) получил в 1630 году патент на устройство «для подъема воды из расположенных в низинах резервуаров с помощью огня», но мы не располагаем информацией относительно того, что он имел в виду. Епископ Джон Уилкинс (1614–1672) опубликовал в 1648 году труд под названием Mathematical Magick, первую книгу по механике, напечатанную на «вульгарном языке» – английском. В ней он писал о «вогнутых сосудах», содержащих воду, от которых воздух исходит «с мощной и продолжительной силой», когда они нагреваются. Уилкинс утверждал, что они могут использоваться «для движения крыльев (лопастей) в трубе и т. д.».

В 1659 году в типографии Томаса Лича была напечатана книга The Elements of Water Drawing. Автор – Р. Д’Акр. На ее титульном листе было указано: «Для совершенствования работ при добыче полезных ископаемых, для удовлетворения самых необходимых потребностей, связанных с огнем, для подъема воды для больших и малых городов, для орошения и осушения земель». Это самая ранняя работа, написанная по этому вопросу английским автором, и это был первый англичанин, подробно описавший тепловой двигатель. Возможно, на самом деле этот труд принадлежал Роберту Торнтону (1618–1679), который жил рядом с угольными шахтами Уорвикшира, где тогда были проблемы с водой. Автор отметил, что «два с половиной фута и несколько дюймов трубки с ртутью уравновешивают 32 фута воды… между землей и атмосферой».

Он писал: «Лучший нагрев – агрессивным воздухом закрытой печи. Самое быстрое охлаждение – водой. Для ускорения взаимодействия этих противоположностей одна может находиться внутри цилиндра или зоны воздуха, другая снаружи. Охлаждающая вода не должна впускаться, потому что она нарушит подъем воды. Нагретый воздух из печи может впускаться (поворотом крана) в емкость (тигель), и тогда жар действует очень быстро. Материалы и сфера, находящиеся вверху в резервуаре или цистерне с водой, после того как жар (возвращением крана в исходное положение) отведен, быстро охлаждаются, разреженный воздух конденсируется, поднимается, и, при наличии медного всасывающего патрубка или клапана на дне, она не может вылиться снова. Затем после поворота крана вода, расположенная в самом верху, вытекает вперед при посредстве всасывающего клапана в трубе, который теперь открывает опускающаяся вода. Таким же образом ведет себя разогретый воздух. Поверните кран, и вода поднимется, как раньше».

Более известен, чем Д’Акр или Торнтон, и, так же как и он, заслуживает внимания за свой вклад в создание паровой машины его современник Эдуард Сомерсет, маркиз Ворче-стерский (1601–1667). В своей известной книге «Столетие изобретений», опубликованной в 1663 году, автор обсуждает сто различных идей. В 1663 году он получил от парламента монополию на 99 лет на «машину, управляющую водой». Свою работу автор считал «самой важной в мире». Сэмюэль Сорбьер, историк французского короля, судя по всему, поддерживал претензии маркиза Ворчестерского, потому что он писал в своем труде A Voyage to England: «Один человек с помощью этой машины поднял четыре больших ведра воды, очень быстро, на высоту 40 футов через трубу длиной 8 дюймов». Но это действо, в общем-то, было вполне по силам одному человеку, а Сорбьер ничего не писал о паре. Оставшиеся свидетельства являются косвенными и гипотетическими и потому не доказывают, что Эдуард Сомерсет является тем, кто изобрел паровой двигатель. На стене замка Раглан в Монмутшире, где маркиз провел несколько лет, есть отметины, которые часто считали остатками парового насоса. Однако, учитывая тот факт, что они являются структурной частью каменной стены XIV века, весьма затруднительно считать их оставленными паровой машиной Эдуарда Сомерсета. Более того, замок не был заселен после пожара 1646 года во время гражданской войны.

Рис. 6.12. Паровой насос Севери

Изобретатель XVII века Сэмюэль Морленд (1625–1695), занимавший небольшую должность при дворе Карла, проводил эксперименты в области гидравлики и наглядно доказал взаимосвязь между давлением и температурой. Дени Папен (1647–1712), французский ученый, изобрел то, что сегодня называют скороваркой. Он оказался достаточно умен, чтобы поместить на нее предохранительный клапан, сделав это первым в истории. Утверждают, что Папен вплотную приблизился к идее центробежного парового насоса и предложил пневматический кессон. Он первым выдвинул предположение, что вакуум образовывается под поршнем конденсацией пара. Никто из этих людей, от Делла Порта до Папена, однако, не заслуживает такого почета за изобретение парового двигателя, как Томас Севери (1650–1715), поскольку они не довели свои идеи до практического использования. Севери не только получил в 1698 году патент на использование устройства для осушения шахт (рис. 6.12), снабжения городов водой и приведения в действие мельниц, но также подробно описал свое изобретение в книге «Друг шахтера или устройство для подъема воды огнем».

Машина Севери не имела подвижных частей. Она состояла из паровой камеры, клапаны которой были расположены на поверхности, и трубы, ведущей к воде в шахте внизу. Вода нагревалась в камере котла, и ее пар заполнял камеру, вытесняя оставшуюся воду или воздух. Затем клапаны закрывались, и холодная вода распылялась по камере. Это охлаждало и конденсировало пар внутри, чтобы сформировать вакуум. Когда клапаны открывались, вакуум всасывал воду из шахты. Затем процесс повторялся. Вода поднималась по трубе в сосуд и вытеснялась из него посредством использования пара. Несмотря на большие потери тепла при конденсации пара, цикл можно было повторять пять раз в минуту. Современный насос-пульсометр без подвижных частей, запатентованный в 1872 году, – это, по сути, усовершенствованная машина Севери.

Паровой насос Севери 1702 года, требовавший больших затрат времени и топлива и имевший строго ограниченную мощность, тем не менее сделал свое дело. Эффективность энергии, заключенной в весе и движении воды, которая использовалась веками, теперь могла многократно увеличиться. Люди были готовы поджечь воду и изготовить пар.