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

Пирамиды и храмы

Необходимы немалые знания и опыт измерений, чтобы перенести параметры такой конструкции, как пирамида, с плана на местность. Египетские инженеры-архитекторы оставили убедительные свидетельства того, что они такими знаниями и опытом обладали. Средняя длина сторон великой пирамиды Хеопса в Гизе – 755 футов 9 дюймов в основании. Две стороны отличались от этой цифры не более чем на 1 дюйм, и два угла были построены с ошибкой в 3 или 4 минуты. Подобная степень точности едва ли могла быть получена с использованием канатов – обычных инструментов землемера. Известно, что применялись рейки, градуированные в кубитах, ладонях и пальцах (египетский кубит – чуть больше 20 дюймов, ладонь – 3–4 дюйма, палец – около ¾ дюйма). Предположительно для углов использовали большую деревянную «рейсшину» длиной 8 или 10 футов. Вероятно, для выравнивания основания пирамиды использовалось некое приспособление, позволявшее смотреть вдоль или параллельно поверхности спокойной воды. Как ее смогли так точно ориентировать – ведь ее ось практически совпадает с меридианом – неизвестно.

После определения линий основания строительные проблемы только начинаются. Конструкция должна была подниматься вверх под одинаковым углом 51 градус 51 минута, точно сохраняя ориентацию ступеней каждого ряда кладки, чтобы избежать скручивания и поддерживать горизонтальность. Все это требовало знаний и опыта строителей – впрочем, как и сегодня. Одна трудность, которую не все принимают во внимание, заключалась в том, что лежащая в основе земля не была ровной. Скалы поднимаются вверх – никто не знает, насколько высоко – внутрь тела пирамиды.

Великая пирамида Гизы (рис. 2.8) датируется XXVII веком до н. э. В ней 206 горизонтальных рядов каменной кладки, которые достигают высоты 481 фут. Это гигантская груда из 2¼ миллиона выглядящих грубо, но аккуратно выровненных и прилаженных известняковых блоков средним весом 1½ тонны. Изначально она была облицована тщательно подобранными и обработанными плитами из того же материала, причем вес некоторых из них доходил до 15 тонн. Египетские каменщики установили эти облицовочные камни на строительный раствор из гипса и песка. При этом они добились невероятно плотных, почти непроницаемых соединений шириной не более ¹/₅₀ дюйма. Эти камни были как-то заякорены к центру – как именно, точно неизвестно, в результате чего стороны пирамиды стали едиными плоскостями сверху донизу. Шли века, и эти сияющие белые облицовочные камни постепенно перекочевали в другие постройки в долине Нила – вплоть до Каира.

Внутри великая пирамида – как и другие – представляет собой главным образом плотную каменную кладку. Но есть наклонный проход, достаточно большой, чтобы человек мог заползти внутрь. Он начинается на северной стороне и ведет внутрь и вниз под углом 26½ градуса к горизонтали. От него отходит еще один проход, ведущий вверх, в высокую, но узкую галерею, по которой можно добраться почти до царской погребальной камеры, расположенной под вершиной пирамиды. Странно, но добраться можно именно почти, а не до нее. В этой камере (17 на 34 фута) должен был вечно храниться саркофаг фараона Хуфу, или Хеопса. Она выложена гранитом и покрыта опирающимися на ступенчатый выступ гранитными плитами. Над крышей последовательно расположены пять больших разгрузочных камер, очевидно предназначенных для частичного снятия нагрузки от огромного давящего сверху веса более чем 300 футов каменных блоков. Кроме того, они могли предохранить от разрушений при землетрясении. Внутри пирамиды также есть наклонные шахты, вероятно предназначенные для вентиляции, «камера царицы» и еще одна – глубоко под основанием.

Рис. 2.8. Великая пирамида

Многие ученые считают, что эта пирамида являлась в каком-то смысле астрономической или астрологической обсерваторией. Некоторые авторы полагают, что нижние части пирамиды использовались для наблюдения за звездами еще задолго до завершения строительства. Однако больше всего вопросов вызывает именно процесс строительства. Как египетские инженеры перемещали тяжелые материалы? Как они транспортировали тяжеленные каменные блоки, поднимали их и укладывали точно на место, не имея кранов, талей и даже тягловых животных? Вопрос, зачем они это делали, интересует инженеров значительно меньше.

Сейчас преобладает следующее мнение. Египетские инженеры доставляли камни вниз по Нилу и через него по высокой воде на длинных баржах, имевших прочную связь поверху от носа до кормы. Баржу швартовали максимально близко к каменоломне и стабилизировали с помощью песка, а бригады рабочих затаскивали камень на деревянных салазках по наклонной плоскости на баржу. Эта плоскость, так же как и дорога до нее (иногда длиной милю и больше), должна

была быть твердой и гладкой. 20-тонный камень невозможно протащить по сыпучему песку. Поверхность укрепляли каменными блоками, тонкими пластинами из каменоломни или смесью влажного песка, ила и глины в пропорциях, полученных из опыта. Количество людей в бригаде подсчитывалось надсмотрщиком исходя из веса камня. При любых условиях использование двадцати или пятидесяти тысяч людей в бригадах разной численности для выполнения подобных работ требовало организации и дисциплины.

Насчет способа подъема блоков и их установки на нужное место общего мнения нет. Подобная конструкция может быть воссоздана сегодня за два или три года с использованием электроприводных машин, кранов, дерриков и относительно небольшого количества людей. Однако, как это делали египтяне, неизвестно до сих пор, несмотря на наличие красочных иллюстраций в популярных журналах. Эти иллюстрации поддерживают постоянный интерес к египетским пирамидам со стороны тех, кто любит красивые картинки, но не дают точной информации о том, как пирамиды строились. Из древности до нас дошли сведения о самых разных приборах и процессах, но никакой достоверной информации о возведении пирамид как не было, так и нет. Чем больше Кларк и Энгельбах изучали египетские методы строительства, тем больше они убеждались, что, если какая-то деталь объясняется использованием более или менее сложного инструмента, тогда объяснение неверно.

Теория песчаных насыпей, одна из самых старых, предполагает, что после укладки каждого ряда камней его окружали слоем песка, который спускался под наклоном до земли. По этой наклонной насыпи втаскивали материалы для следующего слоя. Когда строительство пирамиды завершалось, она оказывалась практически полностью засыпанной песком, который потом, разумеется, следовало убрать. Учитывая угол естественного откоса песка (примерно два горизонтальных ряда к одному вертикальному), ширина основания песчаной горы, покрывающей пирамиду высотой 500 футов, окажется более 2000 футов, возможно, полмили. Француз Огюст Шуази полагает, что камень укладывали на прочные деревянные салазки с цилиндрической нижней поверхностью, как будто вырезанной из ствола дерева, и катили их с использованием гигантских рычагов, вероятно, с противовесом. Из надписей в гробницах и небольших моделей, дошедших до нас из древности, следует, что египтяне использовали такие салазки для подъема и перемещения грузов. Когда одну сторону поднимали, вниз ставились подпорки; рычаги перемещались к другой стороне, и операция повторялась. Таким образом каменные блоки могли подниматься, шаг за шагом, к вершине пирамиды.

Еще одна теория, вроде бы подтверждаемая имеющимися свидетельствами, заключается в том, что египтяне строили наклонную дорогу до уровня, который в данное время сооружался. Такая рампа могла быть или прямой, или полностью огибающей конструкцию. Если вести речь о прямой рампе, по мере роста пирамиды один слой накладывается поверх другого. И каждый раз, естественно, необходимо выравнивать и укреплять поверхность. С круговой рампой трудностей, на первый взгляд, меньше. Если возводить ее под умеренным наклоном, она может обогнуть пирамиду несколько раз, прежде чем достигнет вершины. Периодически возможны платформы, крутые подъемы и спуски, а также повороты, и удерживающая стена из камня или кирпича вдоль внешнего края. В 1914 году археологи нашли остатки рампы. Она была выложена высушенными на солнце кирпичами самых разных размеров: одни – привычных для нас размеров, другие могли поднять только два человека. Огромные гранитные перемычки, вроде тех, на которые опиралась крыша царской погребальной комнаты в пирамиде Хеопса, вероятно, устанавливались с использованием метода раскачивания. Каждый камень весом около 55 тонн мог опираться на две опоры, поставленные близко к центру. Потом его могли начинать раскачивать и приподнимать на дюйм или два, подставляя небольшие камни на каждую опору поочередно. Опытная бригада рабочих, переходя с одной стороны камня к другой, могла за день работы поднять его на высоту 20 футов.

Рис. 2.9. Великий храм Амона в Карнаке

Монументальные постройки Фив, Луксора и Карнака, что в 300 милях (или около того) вверх по Нилу от Каира и региона пирамид, являют собой итог двух тысячелетий труда египетских инженеров и архитекторов. Самая известная из построек – храм Амона-Ра в Карнаке (рис. 2.9). Некогда он был самой крупной колоннадой в мире. Его размеры – 338 на 1220 футов. На этой площади могли бы поместиться одновременно собор Святого Петра в Риме, Миланский собор и собор Парижской Богоматери. Большой зал храма, известный как Гипостиль, имел размеры 329 на 170 футов. Это настоящий лес колонн. В центральных проходах высота колонн 69 футов, по краям – 42 фута, диаметр – больше 10 футов. Они поддерживают короткие архитравы весом 60–70 тонн каждый. На них опирается плоская крыша на двух уровнях, оставляя место для верхнего ряда окон, вероятно первого в истории. Здесь за много веков до рождения Христа были впервые созданы строительные принципы для соборов, которые активно воздвигались в Средневековье для поклонения Всевышнему.

Мрака, который верхний ряд окон Карнакского храма не мог разогнать, было достаточно, чтобы с помощью всевозможных заклинаний вызвать суеверный страх перед Амоном-Ра – к чему, собственно, и стремились жрецы. Только инженеры не сумели создать больший благоговейный трепет с помощью полутемного, изобилующего пустотами пространства. Небольшая прочность камня на растяжение не позволяла установить более или менее длинные поперечные балки. Колонны были поставлены так густо, что занимали не меньше места, чем огороженные пространства, которые они должны были оставлять. Храм Амона-Ра едва мог считаться большим строительным успехом. Строительный метод Карнака – сооружение вокруг колонн и вдоль стен опорных конструкций из кирпича и песка, рамп и террас, на которые можно было затащить каменные блоки и установить их в нужное положение. Временные сооружения поэтапно разрушались – по мере того, как шло украшение храма резьбой и росписью. Между тем фундаменты в Карнаке были не так тщательно спроектированы и построены, как в других местах. Наводнения размыли их настолько, что некоторые колонны просели и части крыши обрушились.

Для того чтобы поставить вертикально обелиск весом несколько сотен тонн, необходимы глубокие инженерные знания, точные расчеты и специальное оборудование – даже в наши дни. Длина, вес, гибкость и относительная слабость при воздействии изгибающей нагрузки таких гигантских каменных блоков делают задачу, мягко говоря, неоднозначной. Судя по количеству подобных памятников в Египте, очевидно, что древние инженеры эту задачу решили, хотя нам до сих пор в точности неизвестно, как именно. Возможно, так, как описал в своем исследовании Энгельбах. Колонна из камня, усиленная деревянными деталями напряжения при изгибе, возникающего из-за ее собственной длины и веса, перемещалась по длинной рампе, переворачивалась через изогнутый край на ее вершине и опускалась на заранее приготовленный фундамент. Из этого положения – вероятно, уже на три четверти вертикальную – ее подтягивали к вертикали. По сути, тот же метод, хотя со сложными механизмами, использовали с почти сорока египетскими обелисками, которые были вывезены из Египта и поставлены в других местах.

Из них самый крупный за пределами Египта и второй по величине в мире был перевезен в Рим во времена Калигулы и поставлен в цирке Нерона. У нас нет информации относительно способа производства грузовых работ. Известно только, что он был перевезен через Средиземное море с почти 1000 тонн чечевицы в качестве балласта на самом крупном судне своего времени. По крайней мере, так утверждал Плиний. В 1586 году он был переправлен на площадь перед собором Святого Петра. Процедура была описана Доменико Фонтана. Мы осветим ее подробно в главе 6.

Заслуживают хотя бы мимолетного упоминания еще три обелиска. Один, датированный XIII веком до н. э., был перевезен в 1830–1836 годах из Луксора в Париж и установлен на площади Согласия. Другой знаменитый обелиск – Игла Клеопатры (хотя его добыли за пятнадцать столетий до появления на свет этой царицы) – совершил путешествие из Гелиополиса в Александрию в римские времена, а в 1877 году – в Лондон. К этому времени инженеры имели стальные тросы, гидравлические домкраты и железные оболочки, чтобы облегчить перегрузку. Третий обелиск сегодня стоит в Центральном парке Нью-Йорка. Он был доставлен в 1879–1881 годах из Александрии и выгружен с судна в Нью-Йорке через отверстие в корпусе. Последние две мили путешествия он совершил на специальном наземном транспорте со скоростью 97 футов в день. Всего на наземную перевозку ушло 112 дней. Установка потребовала еще две недели. По утверждению Джона Т. Джонстона, общие расходы составили чуть больше 100 000 долларов.

Египетские каменщики использовали свои простейшие инструменты с изобретательностью и мастерством. В их лучших творениях, таких как храмы Карнака и облицовка Великой пирамиды, камни прилегали друг к другу вплотную, причем швы были почти неразличимы, даже когда их укладывали насухую. Чтобы обеспечить точное и твердое основание, использовали раствор из гипса с добавлением небольшого количества песка. Но такая точность была привычной только в наружном слое, где поверхности обрабатывались инструментами и выравнивали после укладки камня. Внутренние работы выполняли более грубо и в раствор добавляли больше песка. Стены часто строили без соединительных камней с двух сторон, удерживающих их вместе, и иногда пространство между ними заполняли бутовой кладкой. Образец египетской каменной кладки можно увидеть в музее Метрополитен в Нью-Йорке. Гробница некого Пернеба, занимавшего высокую должность в Мемфисе около 2650 года до н. э., была разобрана и восстановлена в 1916 году. Также выставлены инструменты египетских каменщиков более позднего периода – бронзовые стамески, мастерок штукатура, клинья и свинцовые отвесы.

Несмотря на замечательные достижения, особенно при перегрузке тяжелых материалов, нельзя сказать, что египтяне совершили выдающиеся открытия в технике строительства из камня. Представляется, что они всегда воспроизводили то, что было сделано ранее из дерева, земли и кирпича. Их пирамиды – увеличенные мастабы, или прямоугольные надстройки над подземной гробницей. Их храмы так и не отступили от стандартной формы столб – перемычка. Истинные арки, сделанные из земляных кирпичей в форме клина, были известны в Египте, как и в неолитических поселениях, но египтяне никогда не выносили их на поверхность земли и никогда не адаптировали эту форму к сооружениям из камня. Этот важный прорыв в инженерии произошел намного позже – при этрусках.

Несмотря ни на что, архитекторы и инженеры Древнего Египта были исключительными людьми. Они среди первых – если не считать царей – добились исторической идентичности. Они были по достоинству оценены в свое время и почитаемы следующими поколениями. Имхотеп, дизайнер и строитель первой великой пирамиды, в Саккаре, был известен также как врач и автор пословиц. Его карьера являлась сплавом предрассудков и реальности, что было характерно для жизни древних египтян, занятых тяжелым ежедневным трудом и мыслями о жизни в ином мире. Говорят, что его планы «спускались к нему с небес, к северу от Мемфиса». Он всегда давал советы как божественный оракул. Два тысячелетия спустя Имхотеп сам вошел во внушающую страх компанию египетских богов.

Последователи этого первого великого строителя сооружений из камня были не так известны, и им меньше поклонялись, однако они, без сомнений, были видными людьми своего времени. Один из них, Сенмут, являлся «великим отцом-наставником царской дочери», «смотрителем всех полей Амона, Сенмутом-триумфатором» и «главным помощником царя». Возможно, именно в этом качестве он обеспечил наличие своего портрета за каждой дверью в храме царицы Хатшепсут. О себе он написал: «Я был величайшим из великих на всей земле». Инени, «глава всех работ в Карнаке», занимал более раннее место в череде замечательных инженеров, однако здесь он заслужил последнее место, благодаря собственной оценке себя. «Не хватит слов, – писал он, – чтобы описать мое величие… Я никогда не совершал дурного». Помимо этого, он был «начальником начальников» и «никогда не богохульствовал, когда речь шла о священных вещах».

Ирригация

Как и в Месопотамии, природа Египта далеко не всегда обеспечивала постоянное и адекватное снабжение водой. Кроме того, долина Нила была слишком узкой для жизни обширного населения, и в те времена – впрочем, как и сейчас тоже – не могла поддерживать население без дополнительной ирригации прилегающих земель. Ирригационные системы по большей части использовались на протяжении нескольких тысячелетий.

Один из самых примечательных мелиорационных проектов в истории был разработан и полностью выполнен фиванской династией в 2000–1788 годах до н. э. Эта династия объединила Египет после того, как старый режим строителей пирамид рухнул, превратив империю в воюющие между собой феодальные государства. Фиванские цари развили активную торговлю с другими частями Средиземноморья и расширили свое влияние до самой Палестины. Для блага своего народа они решили превратить Файюмскую пустыню, что к западу от Нижнего Нила, в плодородный и населенный оазис. Они велели построить дамбы через ущелья, ведущие в оазис, чтобы запрудить воды сезона дождей и использовать их против засухи. Одна из этих дамб в ущелье шириной 250 футов имела основание шириной 143 фута – в четыре раза больше высоты. Она состояла из трех слоев: нижний – из необработанных камней, уложенных в глину, средний – из известняковых блоков неправильной формы, а верхний – из шлифованных блоков, уложенных ступенями, так чтобы сдерживалось падение воды, переливающейся через край, и конструкция не размывалась. У египтян также был канал, названный Бахр-Юсуф, или канал Иосифа, соединявший Нил с озером Мер-Ур (греческое название – Меридово озеро). Существовала развитая система запруд, ворот для контроля наводнений, каналов и мостов. В те времена было построено много зданий, в том числе царские дворцы. Город провинции, божеством которого был Себек – крокодиловый бог, стал важным центром Египта. Согласно Уильяму Уилкоксу, главному проектировщику современной Асуанской плотины, влияние запруд, дамб и ворот Меридова озера, построенных правителями Верхнего Египта, снизило течение Нила в Нижнем Египте, что вызвало семь лет голода при Иосифе. Захват этих гидротехнических сооружений царем Нижнего Египта положил конец трудностям. Аналогичные манипуляции с местными дамбами и запрудами способствовали исходу Моисея и древних евреев из Египта.

Согласно традиции, еще одним творением египетской инженерной мысли был канал, соединивший Нил с Суэцким заливом, иными словами, соединивший Средиземное море с Красным. Его строительство могло начаться около 1870 года до н. э., однако, если верить ряду авторов, проект был заброшен. Другие считают, что его построили и использовали во время правления царицы Хатшепсут, которая умерла в 1468 году до н. э., а впоследствии он был занесен илом.

Рис. 2.10. Одно из судов царицы Хатшепсут, совершающее путешествие в Пунт

Существует изображение торговой экспедиции, имевшей место в ее время, по Красному морю в Пунт (рис. 2.10), что на территории современной Эфиопии. Во время непродолжительного периода независимости Египта между нашествиями ассирийцев и персов фараон Нехо, родившийся в 608 году до н. э., решил возродить известный проект. В этой попытке он пожертвовал жизнями 120 000 рабочих – по крайней мере, так утверждает Геродот. Вероятно, их унесла болезнь. В XIX веке строительство железной дороги и французского канала в Панаме стоило более 66 000 жизней. Фараон прекратил работы либо потому, что стоимость стала слишком велика, либо из опасения, что Египет может быть затоплен из Красного моря. Наполеоновский инженер Лепер в 1803 году сообщил, что Красное море расположено на 29 футов выше, чем Средиземное. Но когда пятьюдесятью годами позже проводились измерения для строительства Суэцкого канала, была обнаружена ошибка Лепера. Два моря расположены на одном уровне.