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

Эллинистический мир

Своим началом и характером этот период обязан Александру Великому больше, чем кому-либо другому. Ученик Аристотеля, энтузиаст греческой культуры, Александр брал с собой греческие методы, институты и порядки повсюду, куда шла его армия, чтобы покорить народы, завоеванные персами. Два века после его смерти в 323 году до н. э. преемники делили империю и сражались за ее части, мелкие государства и провинции, однако культурное единство осталось. Александр сделал свою империю греческим миром с центром в Александрии, его городе в Египте. Когда римляне, в свою очередь, начали завоевание Восточного Средиземноморья и Малой Азии до границ с Индией, греческая цивилизация оказала на них отчетливое влияние.

На берегах Евфрата, в Вавилоне, на берегах Черного моря, в Египте, даже на побережье Западного Средиземноморья, где люди жили сообществами, были те, кто говорил по-гречески, обсуждал греческую философию и строил новые города в греческом стиле. Настрой этому процветающему веку культурного единства задавали городские обеспеченные слои общества. Эти активные, практичные, светские, иногда утонченные до грани декадентства люди много путешествовали и демонстрировали самые широкие интересы. Они строили все более роскошные жилища, просторные стадионы, лучшие дороги, акведуки для стабильного водоснабжения городов и дренажные системы, новые полезные общественные здания.

Эллинистическому миру нужны были сотни архитекторов, строителей, инженеров. Их покровители и народ ожидали, что они будут не только продолжать великие традиции классической Греции, но и создавать много нового. Мастера, делавшие и то и другое, быстро добивались широкой известности. Одним из них был Пифей. Он использовал общепринятые пропорции для диаметра колонн, расстояния между ними и их высоты при строительстве мавзолея в Галикарнасе в 352 году до н. э., совместив с ними три традиционные формы: высокий пьедестал колонны, греческий храм и египетскую пирамиду. Результатом стало строение, поражающее воображение своей необычностью и одновременно отвечающее общепринятым вкусам. Пифей также был первым из многих архитекторов-инженеров эллинистического периода, который обучал своих учеников в школах и писал трактаты для строителей будущего. В большинстве его работ содержались математические пропорции разных архитектурных ордеров. Ни один из его трактатов не сохранился до наших дней. Нам о нем известно из трудов римлянина Витрувия.

Другими выдающимися инженерами того времени были Динократ и Сострат. Александр не пошел на поводу Динократа, предложившего сделать из горы Афон гигантскую «статую в виде мужа», заявив, что достойнее для великого правителя сделать себе памятник иным образом, например построить на подходящем месте город. Он поручил архитектору разработать план большого города в дельте Нила – более живучий памятник и определенно более нужный. Утверждают, что Динократ дал городу две главные дороги, каждая – с колоннадами, храмами и величественными зданиями. Был также длинный мол и насыпная дорога с материка на остров, за которым находилась безопасная якорная стоянка для средиземноморских судов.

Создал или нет Динократ план гавани и была ли она построена, неизвестно. Но двумя поколениями позже Сострат построил из мрамора знаменитый Фаросский маяк, одно из семи чудес света (рис. 3.3). Согласно традиции, его построили из трех секций: нижняя квадратная, средняя восьмиугольная и верхняя круглая. Многие считают, что вокруг маяка существовала наклонная дорога, и на монете того времени виден вход в маяк, расположенный у основания. В римские времена, если верить историку Иосифу, свет маяка был виден в море за 300 стадий (35 английских миль). Если считать это утверждение правдоподобным, с учетом высоты наблюдателя над уровнем моря маяк должен был иметь высоту около 480 футов – почти такую же, как самая высокая египетская пирамида, и только на 70 футов ниже, чем памятник Вашингтону. Если так, вероятнее всего, более высоких маяков в мире не было никогда.

Рис. 3.3. Фаросский маяк

Чтобы не нарушить гармонию с Фаросом, Александрия, величайший из всех эллинистических городов, должна была иметь самые современные коммунальные сооружения. Правда, мы почти ничего не знаем о таких вещах, как, к примеру, ее водоснабжение. Но двадцать или тридцать других эллинистических сообществ имели системы водоснабжения с использованием тоннелей. Что такое дюкер, вероятнее всего, не понимали не только микенцы, но и жители Самоса, пробившие тоннель в горе. Самая замечательная из эллинистических напорных систем была найдена в Пергаме – в Малой Азии. Около 200 года до н. э. вода перемещалось на 35 миль по трем 7-дюймовым гончарным трубам, уложенным рядом. Она сливалась в резервуар на холме, расположенный в 2 милях от города и на 100 футов выше. Оттуда одна 10-дюймовая труба, возможно из бронзы или дерева, усиленная на стыках большими перфорированными камнями, через которые протекала вода, шла вниз через несколько долин – самая глубокая из них располагалась на 600 футов ниже резервуара – и на встречающиеся по пути хребты, и, в конце концов, попадала в городские фонтаны. Последние 2 мили вода находилась под давлением, которое в самой низкой точке достигало 300 фунтов на квадратный дюйм, то есть в несколько раз больше, чем обычное давление в американском городе. Такое давление слишком велико для гончарных изделий или даже для свинцовой трубы. Представляется сомнительным, что в это время уже появились бронзовые трубы, и считается, что, благодаря существенной прочности на разрыв, в дюкерах Пергама использовали дерево.

Эллинистический период был и концом и началом. Греки стали использовать значительно более продвинутые техники строительства из камня, доведя постройки до архитектурного совершенства и инженерной законченности. Римляне продолжали строить в греческой манере, хотя и отошли от нее, когда начали создавать арки и своды, тем самым открыв дорогу для мусульман и людей из средневековой Западной Европы, последовавших за ними. Но эллинистические греки не остановились на архитектурном совершенстве. Их исследования и открытия в разных областях науки, которые не интересовали римлян, имели огромное влияние на будущее инженерного искусства.

Евклид, живший около 300 года до н. э., внес существенный вклад в математические знания своего времени. Он описал планиметрию – геометрию плоскостей, которая используется до сих пор. На его трудах основывались учебники, используемые в школах начала XX века. Что же касается собственно инженерии, другие ученые Александрии систематически обозначили некоторые основные принципы механики. Являясь в первую очередь представителями спекулятивной философии, они ставили вопросы и отвечали на них, но не решали никаких проблем, связанных с реальным строительством. Никто из них не был инженером-практиком, за исключением Архимеда (287–212 гг. до н. э.) из Сиракуз. Этот ученый прибыл в Александрию из Сицилии, но вернулся домой раньше, чем разработал известные принципы измерений и механической силы. Вклад Архимеда в прикладную математику, удельный вес, давление жидкостей и принципы действия рычагов является фундаментальным для сегодняшней инженерии. Ему приписывают открытие составного шкива и винта, хотя они могли некоторое время использоваться до того, как он сделал их известными. Его хвастливое заявление о том, что он сможет перевернуть весь мир при наличии рычага и точки опоры, является весьма уважаемой в истории легендой, вне зависимости от того, произносил Архимед когда-либо эти слова или нет. Хитроумные механизмы Архимеда, рычаги, краны и катапульты для защиты Сиракуз в 211 году до н. э. с суши и моря восхитили римского военачальника Марцелла. Должно быть, его гнев и разочарование были велики, когда, ворвавшись наконец в город, он узнал, что великий ученый и инженер был убит.

В эллинистический период были и другие, не менее важные изобретения в области приложения сил. Ктесибий Александрийский, возможно современник Архимеда, не оставил описания своих работ, и о них известно только из трудов его преемника Герона, который сам, вероятно, был изобретателем некоторых приспособлений. Другие приборы, возможно, являются детищами еще более туманной фигуры этого времени – Филона Византийского. Герон описывает гидравлические часы, гидравлический орган, пожарную машину, силовой насос, пневматическое оружие, паровую турбину и самое зрелищное – автоматический театр, где куклы поворачивались и танцевали, приводимые в движение паром или горячим воздухом.

Все это были не более чем механические игрушки, но концепции и принципы, использованные при их конструировании, оказались очень важными.

Турбина, приписываемая Герону, – это полый металлический шар, который мог свободно поворачиваться вокруг горизонтальной оси над котлом и жаровней (рис. 3.4). Две трубы, согнутые в противоположных направлениях, выступали из шара с противоположных сторон. Пар из котла проходил через неподвижные трубы, которые служили осью для шара, и выходил через наклонные трубы, поворачивая шар. Поскольку это движение было вызвано реакцией несбалансированных сил, а не расширением пара у подвижной поверхности, аппарат Герона, строго говоря, был реактивной турбиной, но представляется, что никакой полезной работы он не выполнял. Герон также пытался изобрести измеритель для потока воды и туманно объяснял, как определить количество воды, вытекающей из источника, умножив глубину на ширину потока, одновременно как-то наблюдая за скоростью с использованием солнечных часов. Ему был знаком принцип винта, и он описал инструмент, прилаженный к гребному колесу для обозначения скорости судна. Он написал многочисленные книги о стереометрии, об измерениях площадей и объемов, о пневматике, механике и землемерной съемке.

Рис. 3.4. Эолипил, или Геронова турбина

Нелегко определить влияние этих книг и приспособлений на работу инженеров-практиков того времени. В точности неизвестно, использовал ли римский инженер и автор Витрувий труды Герона. Не исключено даже, что Герон жил позже, чем Витрувий. Однако некоторые идеи Герона определенно использовались. Диоптра для измерения земли, которую он описал, водный винт, традиционно приписываемый Архимеду, составной шкив, одометр для измерения расстояний и, возможно, погружной насос стали стандартными инструментами римских инженеров.

Глава 4
Имперская цивилизация

Если не считать недолговечную империю Александра Великого, греческая цивилизация никогда не имела централизованного политического контроля. По большей части греческая политическая организация состояла из независимых городов-государств. В классические времена гениями политической администрации являлись римляне; именно они покорили большую часть цивилизованного мира и установили политический контроль над ним на века. В 500–300 годах до н. э., в период, когда греческая инженерная мысль достигла первых высот, жители города Рима покоряли итальянский полуостров. Укрепив свою политическую власть в Италии, они приступили к покорению других территорий. За следующие полтора века они завоевали средиземноморский мир и создали империю.

Политические, экономические и социальные нужды империи, в первую очередь ее городов, создали проблемы, которые должны были решить инженеры. Результатом стало поощрение развития инженерной мысли и крупные инженерные прорывы в строительстве, водоснабжении, строительстве мостов, дорог, гаваней и горном деле. Римские инженеры в первую очередь были инженерами классической древности. Любопытный факт: не было ни одного римского ученого первого порядка. В первые три века после включения греков в империю греческая наука продолжала процветать. Некоторые знаменитые греческие ученые работали именно в этот период. Один из них, Гален (130–201), даже несколько лет трудился в городе Риме. Таким образом, в империи существовало интересное разделение между греками и римлянами. Первые дали миру выдающихся ученых и компетентных инженеров, а вторые – только инженеров. Разница в культурных возможностях и традициях в Средневековье была весьма велика.

Самой важной для истории Запада в период, рассматриваемый в этой главе, была жизнь Иисуса из Назарета. Эволюция христианства от учений Иисуса повлияла на инженерию неким образом, ставшим очевидным только в последние века империи. Как это было с месопотамцами, египтянами и греками, главным источником энергии для римских инженеров стал рабский труд. Между тем в IV и V веках н. э. римские рабовладельцы-христиане все чаще освобождали своих рабов, причем по самым разным причинам, зачастую экономическим, но также потому, что новое христианское отношение рассматривало всех людей как равных перед Богом. Уменьшение использования рабского труда стало одной из важнейших причин, приведших к распаду империи. Постепенное раскрепощение повлекло за собой истощение практически единственного источника энергии. Только за несколько десятилетий до падения Рима инженеры начали ограниченно использовать энергию воды, чтобы заменить рабский труд.

Инженеры

Какими бы ни были причины, Рим возвысился до господства над миром от Шотландии до Персии. И каковы бы ни были источники, римские инженеры способствовали увеличению могущества и славы Рима. Когда люди переходят от сельской жизни к городской, они находят в себе интерес и способности к изобретению и конструированию вещей, иными словами, в них пробуждается тяга к инженерии. Или они начинают искать тех, у кого она есть. Потребность в инженерах становится настоятельной, когда люди начинают собираться в группы. Так усиливается понимание индивидуального заинтересованного отношения к общественному благосостоянию, и это вовсе не обязательно чувство морального долга перед согражданами. Возникает понимание того, что один человек тесно связан с остальными.

Как шумеры, вавилоняне, египтяне, минойцы и греки, римляне откликнулись на стимул городской жизни. Они существенно усовершенствовали постройки, связь и коммунальные услуги в республике. На самом деле рвение к общественным работам осталось и после того, как республиканские правительственные институты стали только прикрытием императорского режима.

В отличие от предыдущих периодов время Рима было временем немногих открытий и изобретений. Римляне мало увлекались теорией, зато проявляли склонность к учению и адаптации идей и практик других. В IV веке до н. э., покорив и поглотив соседей с севера, они переняли знания этрусков о подземных дренажных каналах, строительстве с использованием арок и каменных блоков. Они также переняли греческие архитектурные формы, материалы, инструменты и методы, даже использовали самих греческих инженеров, покорив их, живших в Южной Италии и на Сицилии. В середине III века до н. э. практически все, что древние римляне знали об инженерии, пришло к ним из цивилизаций Восточного Средиземноморья. Согласно археологическим свидетельствам, считается общепринятым, что этруски, хотя их записи еще не расшифрованы, прибыли на северо-западное побережье Итальянского полуострова из Малой Азии и что они были тесно связаны с Египтом.

Инженеры Рима были скорее организаторами, чем творцами. Они являлись практиками и, как заявлял Фронтин, экспертами в применении идей, расширении и увеличении их общественной полезности. При этом мы не утверждаем, что римляне думали только о функциональных целях своих работ и не ценили красоту. Их работы были мощными и впечатляющими, но также сбалансированными и пропорциональными. Они не подавляли своей мощью, а являлись приятными глазу. Слово «величие» всегда было связано с Римом с тех пор, как Эдгар Алан По написал свое стихотворение «К Елене». Хотя теперь ставшее избитым, оно все еще как нельзя лучше применимо и к архитектуре Вечного города, и к его инженерам.

Один историк объявил, что в городах Римской империи использовали системы осушения и водоснабжения. В них был обогрев домов, мощеные улицы, мясные и рыбные рынки, публичные бани и другие муниципальные удобства, которые способны конкурировать с современным оборудованием. Подобные обобщения могут стать причиной опасных заблуждений. Они связаны с другими факторами и условиями, которые могут не представляться читателю одновременно. Было бы ошибкой думать, что все римляне свободно пользовались возможностями своих городов. Тем не менее это утверждение ясно указывает на степень и эффективность римлян, активно применявших свои знания к проблемам повседневной жизни. В этом они были, согласно нашей концепции термина, исключительно способными инженерами. Их общественные бани – отличный тому пример.

Профессия римского архитектора, талантливого техника или инженера являлась в высшей степени уважаемой. Цензор Аппий Клавдий Красс прославился в римской истории своим акведуком, начатым в 313 году до н. э., и дорогой, построенной в следующем году. Юлий Цезарь всячески превозносил опыт инженеров, построивших мост через Рейн. Витрувий написал для своего патрона Августа трактат по архитектуре и инженерии, которым строители пользовались даже во времена Средневековья. Агриппа, министр Августа, был известным инженером. Император Клавдий активно интересовался общественными работами. Историк Тацит восхищался гением инженеров Нерона Севера и Целера. Император Адриан (76—138), сам хороший инженер, содержал целый штат экспертов, один из которых, Аполлодор из Дамаска, в рекордное время построил мост через Дунай, превзойдя достижения людей Цезаря и дав пример Карлу Великому.

Настолько острым был интерес к инженерии и понимание ее значения и в военной области, и в гражданской, что было организовано обучение. Это вовсе не означает, что в Римской империи появились технологические институты, вроде тех, что мы имеем сегодня, или даже тех, что существовали в Средние века. Это означает, что такие императоры, как Траян, Александр Север, Константин, Юлиан и Юстиниан, искали и финансировали обучение молодых людей и система ученичества, направляемая государством, дополняла и улучшала традиционные методы передачи технических знаний от отца к сыну. Марциал, римский поэт, мастер эпиграмм, придворный императора Домициана, возможно, совершенно ненамеренно привлек широкое внимание к этому интересу к инженерии. Он, определенно, сделал сомнительный комплимент профессии, написав: «Коль окажется мальчик тупоумен, пусть глашатаем будет или зодчим». Несмотря на очевидный сарказм поэта, инженер занимал выдающееся положение в Риме, вне зависимости от того, был ли он местным уроженцем или иностранцем, патрицием или плебеем, хозяином, свободным человеком или рабом. Современному читателю здесь следует проявить осторожность и не считать, что римские рабы были ниже, поскольку являлись рабами. Римские рабы, захваченные на войне или купленные на невольничьем рынке, часто были в интеллектуальном отношении намного выше своих хозяев, и, что намного важнее, они признавались таковыми.

Римские инженеры основывали свою профессию на экономических принципах. Они использовали четкие спецификации и подробные контракты и принимали в расчет самые разнообразные материалы и типы конструкций, лучше всего подходящие для конкретных условий и проектов. Их общественные здания, акведуки, мосты и дороги демонстрируют экономичность и эффективность, так же как правовая система Рима является образцом упорядоченности и аналитической силы. Как писал Витрувий, инженеры понимали «удобное размещение запасов и площадки строительства». Они знали, как вести дела бережливо и контролировать расходы.

Строительство

Римляне создали собственные практики на основании техник каменной кладки, полученных ими от этрусков и греков. Они тоже строили из обтесанных камней одинаковой толщины, уложенных вплотную друг к другу без раствора и зачастую удерживаемых на месте металлическими скобами. Такие кладки из тесаного камня они называли opus quadratum. Эти opus quadratum из мягкого туфа, более твердой лавы и пеперина, или очень твердого травертина, укладывали одинаковыми рядами камней размером, как правило, 2 на 2 на 4 римских фута. Такой тип конструкции использовался для мостов через реку Тибр и большинства акведуков. Если было необходимо и желательно, римские строители применяли и более тяжелые камни. Некоторые из них, использованные при строительстве Колизея, имеют длину 15 футов и вес 5 или 6 тонн. Однако, как греки и в отличие от египтян, они предпочитали небольшие камни. Они считали потерей времени и энергии тащить огромные камни из каменоломен или поднимать их на место, если с тем же успехом можно использовать более мелкие камни.

Возможно, римские инженеры знали больше о каменной кладке при сжатии, чем принято считать. От них не осталось записей, свидетельствующих об их знании статики, или равновесия сил. Витрувий самым тщательным образом исследовал греческие методы и обнаружил, что греки обладали некоторыми знаниями по этим вопросам, по крайней мере эмпирическими. Он заметил, что греки использовали в своих стенах через определенные интервалы «тычки» – камни, укладываемые поперек основного направления кладки. Римляне поначалу этого не делали. Когда же они начали строить арки и своды, то стали более осторожными и внимательными. Согласно Витрувию, «в зданиях, строящихся со столбами, когда своды делаются клинчатыми со швами, пересекающимися в центре, крайние столбы следует делать большей ширины, для того чтобы они были в силах противостоять распору сводов, которые под тяжестью лежащих на них кладки, оседая к центру, распирают устои. Поэтому, если угловые столбы будут значительной величины, они, сдерживая своды, придадут постройкам прочность».

Со временем римляне отошли от сплошной каменной кладки и начали использовать «неправильную» кладку. Они называли ее opus incertum. Было бы ошибкой переводить это выражение дословно, как неопределенная или сомнительная работа. Однако факт остается фактом: римские строители проявляли меньше тщательности, чем следовало, несмотря на предостережения Витрувия. Камни в opus incertum были обтесаны, однако они имели разные размеры, так что горизонтальные стыки не были непрерывными, а оказывались «ломаными». Камни беспорядочно укладывали в раствор из извести и песка. Таким образом, как правило, сооружались высокие инсулы, дома для сдачи внаем, которые нередко обрушивались. Ни один другой звук, за исключением разве что рева пожара, не мог быть страшнее для бедняков, населявших их верхние этажи. Сатирик Ювенал, писавший около 100 года, горько жаловался на домовладельца, который «прикрыл зияние трещин давнишних, нам предлагает спокойно спать в нависших руинах». Opus reticulatum, или сеть, которая на два столетия или около того сменила incertum, став популярной, выполнялась из маленьких обтесанных камней, у которых ложе и стыки были наклонены под углом 45 градусов. Очевидно, это было сделано, чтобы усладить взгляд римлян, поскольку никаких конструктивных преимуществ не было. На самом деле на сетчатую кладку уходило больше времени, и сам Витрувий предупреждал, что она обладает меньшей прочностью. Императоры Траян и Адриан тем не менее предпочитали ее для складов, бань, вилл и других конструкций.

Римляне строили не только из камня, но и из кирпича. В процессе этих работ они совершили открытие, которое вместе с арками и сводами заняло место среди величайших достижений инженерного искусства. Римляне использовали все типы кирпичей: квадратные, треугольные, изогнутые – из последних они возводили колонны. Им особенно нравилось облицовывать стены треугольным кирпичом, вдавливая прямые углы кирпичей в мягкую прослойку между верстами кладки. Пропорциональное соотношение мелких камней и раствора в этой прослойке сначала строго не выдерживалось. Влажную смесь извести и песка выкладывали слоями, и в нее вручную вдавливали мелкие камни и осколки керамики. Неясно, использовали они или нет для этой работы деревянные формы, что, безусловно, делали при возведении арок и сводов.

Рис. 4.1. Фрагмент действовавшего акведука Эйфель – Кёльн

Такой раствор легко рассыпался при высыхании. Но довольно скоро римляне пришли к надежному и долговечному цементу. Они добавили в известковый раствор почти такую же часть вулканического пепла из окрестностей Везувия. Этот пуццолан затвердевал даже под водой. Аналогичный материал они обнаружили впоследствии на Сицилии и в Каманье. В Германии и Нидерландах они нашли древнюю вулканическую грязь – трасс, служившую той же цели. Римлянам не были известны точные химические свойства или пропорциональное соотношение кремнезема, алюминия и оксида железа в пуццолане. Они только знали, что он очень прочен. В Смитсоновском институте в Вашингтоне есть часть римского трубопровода, уложенного около 80 года н. э. в районе Кёльна (рис. 4.1). Откопанный восемнадцатью веками позже, он не растрескался и не крошился при сверлении и вел себя как камень. На самом деле он и стал камнем. С использованием такого цемента римляне строили своды и купола Пантеона, бань Диоклетиана и Каракаллы, базилики Константина.