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

Озера, реки и гавани

В римские времена существовали некоторые проекты, которые мы сегодня назовем мелиорацией, регулированием речного стока, мерами против наводнений. Дамба Кар-Дайк шириной 60 футов и длиной 40 миль сделала возможным осушение плодородной территории вокруг Уоша, Англия. Сложное хитросплетение дренажных каналов под Римом, причем некоторые из них достаточно большие, как канализационные трубы в Париже в более поздние времена, сохраняло городские фундаменты прочными, хотя они стояли на болотистой почве. Юлий Цезарь потребовал, чтобы Понтийские болота и озеро Фучино были осушены и засеяны, чтобы увеличить снабжение города продовольствием. Эти болота до недавнего прошлого являли собой большую угрозу для здоровья жителей. Многие авторитеты уверены, что малярия добавила слабости римскому народу и в конечном счете способствовала его падению. Понтийские болота должны были осушить по требованию Цезаря, но причины этого требования нам неизвестны. На протяжении веков делались соответствующие попытки по приказу императоров, пап и других властей, но, только когда за дело взялся Бенито Муссолини, проект был наконец завершен. Его стоимость составила 35 миллионов долларов.

Мелиорация земель велась в бассейне озера Фучино по указанию императора Клавдия и через 100 лет после смерти Цезаря. Озеро располагается высоко в Апеннинах, в 50 милях к востоку от Рима. Из-за отсутствия адекватного водостока уровень воды в нем поднимался и опускался с дождями, часто разрушая крестьянские хозяйства на берегу. Инженеры Клавдия решили пробить тоннель в горе и отвести избыток воды в реку, расположенную в 3,5 мили к западу. Тоннель был пробит в скале на 1000 футов ниже вершины и тянулся на средней глубине 300 футов, пока не достиг реки. Общее снижение составило 28 футов на 3½ мили. Площадь поперечного сечения тоннеля – около 100 квадратных футов. Было построено приблизительно 40 шахт, самая глубокая – 400 футов. Многие из них были выложены древесиной, камнем или кирпичом. Кроме того, целая сеть наклонных галерей вела с поверхности к шахтам и тоннелю. Общая длина галерей и шахт по меньшей мере вдвое превышала длину главного тоннеля. Трудности с освещением и вентиляцией, вероятно, были весьма существенными. Две трети расстояния приходились на твердый камень, а оставшаяся треть – на грунт, который даже сегодня считался бы проблемным. Строители пробивались сквозь скалу, используя зубило и расщепляя камень, обливая нагретые поверхности холодной водой – древняя практика горных работ, кое-где сохранившаяся до нашего времени. Они поднимали осколки через шахты в медных ведрах, окованных железом, с помощью канатов и воротов, приводимых в движение мускульной силой. Согласно историку Светонию, работа потребовала усилий 30 000 человек на протяжении 11 лет. Ее стоимость была оценена в 1876 году и составила 70 миллионов долларов. Это был самый длинный искусственный подземный путь в мире до открытия в 1876 году тоннеля Мон-Сени.

Имя талантливого инженера, разработавшего проект Фучино, осталось неизвестным. Его первоначальные планы были отчасти нарушены подрядчиком, который носил красивое имя Нарцисс и был фаворитом императора Клавдия. Судя по всему, с ходом работ его одолела жадность. Тоннель не был четко выверен ни по направлению, ни по уклону, шахты располагались неравномерно, а поперечное сечение во многих местах было меньше, чем предполагалось. В результате тоннель работал не так, как должен был. Последующие императоры ремонтировали его в течение века или двух, они даже усовершенствовали его, но потом он все же вышел из употребления. Новый тоннель был проложен в 1875 году. Недостатки прошлого были исправлены, и уровень воды в озере Фучино понизился больше, чем по римскому плану.

Река Тибр представляла собой большую проблему для римских инженеров-гидравликов. Имеются в виду меры против наводнений. В I веке до н. э. они предприняли шаги для решения проблемы, которые работают и сегодня. Они ограничили реку стенами, поставленными с интервалами с каждой стороны. Таким образом, в период низкой воды река течет в узком русле, когда вода прибывает, она оказывается в более широком канале, а во время разлива – в самом широком. Считалось, что усиливающееся течение при низкой воде будет очищать канал и его не придется драгировать. План работал в верховьях реки, но в низовьях усиливал заиливание и уничтожил естественную гавань в Остии.

Римляне по своей природе не были мореплавателями, как их враги финикийцы и карфагеняне или как англичане елизаветинских времен, но они установили бесспорное морское господство на Средиземном море, которое было не менее важно для империи, чем военные дороги. Они понимали значение морского господства и необходимость порта для Рима. Клавдий, как и Траян бывший великим строителем, в 42 году велел создать искусственную гавань (рис. 4.10) в миле или около того к северу от устья Тибра. Там был создан резервуар площадью около 3000 футов, наполовину выкопанный на берегу, наполовину образованный молами или волноломами, выступающими в море. Вероятно, выполнились дноуглубительные работы в мелких местах, однако нет свидетельств существования у римлян драг. Молы или волноломы строили из трещиноватого камня или каменной наброски, сброшенной за борт в воду глубиной 15 или 18 футов. Клавдий соорудил на входе в гавань впечатляющий маяк. Одно из самых крупных судов того времени, которое использовалось для доставки обелиска и почти 1000 тонн чечевицы из Египта, стало на якорь у прохода в одном из волноломов. Его наполняли бетоном, смешанным с камнями, пока оно не затонуло. Стены из тесаного камня были поставлены на фундамент. Маяк, смоделированный по образу и подобию Фаросского, возвышался почти на 200 футов. Его свет – от горящей смолы – был виден за много миль в море.

Жилые дома Остии указывают на плотность населения в этом порту. В складах и на причалах кипела жизнь. В следующем веке император Траян добавил новые постройки, создал внутренний бассейн и соединил гавань с Тибром каналом. Все это свидетельствует об интересе римлян к морю. Но несмотря на их силу на море и ее важность для империи, римляне не стали мировой морской империей. Да и римские инженеры не внесли большого вклада в инженерное искусство, связанное с морем.

Рис. 4.10. Гавани Клавдия и Траяна

Среднее римское судно, которое входило в эти гавани, имело почти такие же размеры, как «Мейфлауэр»: ширину 26 футов, длину 90 футов, грузоподъемность 180 тонн. Между тем римские суда, которые везли из Египта в Италию пшеницу, были намного больше. Сохранились записи об одном судне грузоподъемностью 250 тонн и длиной 95 футов. Судно, которое доставило обелиск и впоследствии было затоплено в Остии, став частью волнолома, вероятно, было в несколько раз больше зернового судна, если верить описанию Плиния. Как и ранние средиземноморские торговые суда, римские суда были главным образом парусниками. Но римляне на своих судах ввели одну важную инновацию. В дополнение к грот-мачте они добавили еще одну мачту в носовой части. Эта передняя мачта, аналогичная бушприту, была наклонена над водой и несла прямой парус. Он увеличивал скорость и остойчивость судна, но не позволял плыть против ветра. Крупные римские торговые суда могли существенно продвигаться вперед, только если ветер дул позади траверза.

Измерения

Римляне не пользовались инструментами и оборудованием, которых можно было бы ожидать, учитывая их творения. Витрувий считал, что инженер должен иметь глубокие знания науки и ремесел, однако он увещевал своих коллег, а не описывал состояние их образования. Они не использовали, хотя могли бы, математику Евклида, Архимеда и др. Не исключено, что математические знания многих из них не шли дальше арифметики и даже умножение было для них сложным. Они не применяли тригонометрию, а основывали свои измерения на прямоугольной системе решеток. Несомненно, римские инженеры имели некоторые эмпирические знания геометрической перспективы, потому что многие рельефы в бронзе и мраморе, которые они сохраняли как административные документы, показывают горизонтальные проекции, виды спереди и сбоку и косые проекции, или виды с высоты птичьего полета их зданий.

У нас почти нет свидетельств того, что они использовали в более или менее значительной степени конические сечения, параболы, гиперболы или другие кривые, к примеру спираль Архимеда, свойства которых уже изучались. Римляне неизменно выбирали полукруги для арок, но никогда не строили параболические или эллиптические арки, хотя применяли эллипс для горизонтальных конструкций. Гигантский каменный Колосс, открытый императором Титом в 80 году, имел эллиптический план. Были и более ранние амфитеатры, эллиптические в плане, построенные из дерева. План римского амфитеатра в Поле, возможно, построенный в первые годы нашей эры, тоже эллипс. Проверка современными инструментами показывает среднее отклонение от истинного эллипса не более 6 дюймов. Подобная точность удивительна. Поражает то, что римские инженеры могли выполнять такие работы, ничего не зная о свойствах по крайней мере одного конического сечения. Возможно, они знали, что в эллипсе сумма расстояний от любой точки на кривой до двух фокусов постоянна. Не исключено, что они также строили эллипс, как многие делают сегодня, определив его фокусы, а затем проведя маркером вдоль ненатянутого шнура, концы которого прикреплены к фокусам.

У римлян, по-видимому, не было систематической теории касательно напряжений, нагрузок и распределения весов. До 1500 года, иными словами, до эпохи Ренессанса, не существовало науки статики, или равновесия сил. Римские инженеры не делали количественных тестов для определения сопротивления материалов под нагрузкой на сжатие, изгиб, разрыв и сдвиг. Они не понимали, что прочность балки зависит от ее формы, так же как от площади поперечного сечения. Они не знали, что изменением формы поперечного сечения можно уменьшить вес балки, не снижая ее прочности. Можно предположить, что римские инженеры были бы удивлены, выяснив свойства наших двутавров и железнодорожных рельсов. Они строили свои гигантские акведуки и мосты прочно и надежно, проявляя осторожность и здравый смысл. При этом оставались в пределах соответствующих границ безопасности – или своего невежества, можно и так сказать. Некоторые их конструкции простояли двадцать веков при полном отсутствии технического обслуживания.

В то же самое время, однако, римляне намеренно возводили до опасных высот жилые дома, которые часто рушились. Над роскошными апартаментами на нижнем этаже эти дома были заселены в основном бедняками. Возможно, это объясняет их шаткость и непрочность. Сатирик Ювенал высмеивал жадность домовладельцев. Возможно, эти дома строили с целью получения быстрой выгоды, потому что нередко их сносили раньше, чем они успевали разрушиться сами. Как утверждал Витрувий, Рим рос очень быстро, расчетливо балансируя между ценой и здравым смыслом. Стоимость труда не принималась в расчет, как в любом современном инженерном проекте. Рабов следовало где-то держать и кормить, но, пока римские генералы выигрывали сражения, недостатка в людской силе не было. Римские государственные деятели не испытывали угрызений совести, порабощая военнопленных.

Для землемерных работ римские инженеры могли использовать два греческих инструмента. Они назывались грома и диоптра. Грома была проще для проведения прямых линий и прямых углов. Как и крест ранних американцев, этот инструмент состоял из двух спиц, закрепленных под прямым углом друг к другу. С каждого конца свисали свинцовые отвесы. Спицы горизонтально лежали на подставке. Глядя вдоль любой пары отвесов с противоположного конца спицы, можно было определить точку, расположенную на удалении 100 футов или около того, с ошибкой не более 6 дюймов на 100 футов.

Рис. 4.11. Римская грома

Конечно, если ветер не раскачивал отвесы. Описания этого инструмента были настолько расплывчатыми, что его не удавалось представить до 1912 года, когда в руинах Помпеи была раскопана контора землемера, где обнаружились неповрежденными металлические части громы. Диоптра (рис. 4.12), предок теодолита, имевшая примитивный уровень, закрепленный на ней, была точнее. Герон утверждал, что с ее помощью можно измерять расстояние между звездами и определять затмения солнца и луны. Но как именно это делать, он не уточнил. Витрувий понимал ограниченность инструмента. Его металлический брусок, установленный на подставке, мог свободно поворачиваться по горизонтальной или вертикальной дуге. Визиры на обоих концах бруска позволяли определить точку и провести к ней прямую линию.

Рис. 4.12. Диоптра Герона

Для фундаментов мостов и длинных акведуков римляне предпочитали другой нивелир – хоробат. Вероятно, в их руках он был точнее, чем предполагает его простейшая конструкция. Ведь это была всего-навсего 20-футовая линейка, установленная на двух одинаковых опорах под прямым углом к ним. На поверхности линейки проделан желоб для воды. Наблюдая за прикрепленными к балке отвесами или наклоном воды в желобе, можно определить горизонтальное положение прибора. При коротких расстояниях римляне использовали инструмент libella – отсюда слово level – уровень. Инструмент напоминал прописную букву А с отвесом, подвешенным к вершине, который совпадал с вертикальной

отметкой на перекладине при достижении уровня. Римляне умели также определять подъем или уклон от установленного возвышения. Линейные измерения небольших расстояний выполнялись градуированными шестами высушенного дерева с металлическими наконечниками. Для больших расстояний использовались канаты и веревки, покрытые водонепроницаемым составом, чтобы не допустить усадки. И еще было вращающееся устройство, которое сегодня называется одометр или мерное колесо.

Точность, которой достигали лучшие римские землемеры с помощью этих простых инструментов, не может не удивлять, потому что у них не было телескопических визиров, верньеров, спиртовых уровней и другого оборудования, без которого не могут обходиться современные геодезисты. Согласно законодательству начала XIX века, границы секций в западной части Соединенных Штатов должны были замыкаться каждые 6 миль с возможным отклонением не более 33 футов. В действительности ошибка была даже меньше. Римская граница в Бадене, Германия, отклонялась от прямой линии не более чем на 7 футов с каждой стороны на расстоянии почти 20 миль по неровной поверхности.

Римский agrimensor, он же землемер, в его время пользовался большим уважением и восхищением. Известный историк и церковный деятель VI века Кассиодор, когда ему потребовался землемер для урегулирования пограничного спора, грозившего войной, восхитился его деятельностью и заявил, что «профессора этой науки» достойны более серьезного внимания, чем любые другие философы. Греческая и римская землемерная съемка была первой прикладной наукой в инженерии и практически единственной на двадцать веков.

Машины

Современная технология использует большое количество энергии, чтобы заменить мускульную силу человека. Сложные машины снабжаются энергией из природных источников. Некоторые из этих машин неэкономичны, потому что неэффективны. Но римские инженеры удивились бы их мощью и скоростью, поскольку в сравнении с ними римские машины были медленными и имели ничтожные возможности. Эти медленные и сравнительно простые устройства обычно приводились в действие человеком – его руками и ногами, иногда животными и очень редко водяными колесами. Величайшие постройки, описанные ранее, возводились с использованием рудиментарных форм механической энергии и большим расходом человеческой энергии. Это вовсе не означает, что римляне не интересовались приборами, экономившими человеческие усилия и повышающими эффективность работ. Ведь они все же использовали противовесы и рычаги, как и греки до них. Впрочем, они не больше, чем египтяне или другие древние народы, заботились о массе людей, физическую силу которых использовали. В общем, источником энергии римского инженера и всех его предшественников были физические усилия человека. О разрушительных римских военных катапультах, таранах и осадных машинах известно больше, чем о строительных механизмах, однако разумно предположить, что некоторые военные машины могли быть адаптированы к строительству. Витрувий описал несколько таких механических инструментов. Среди них – деррик с тремя шкивами. Этот trispastos – триспаст (рис. 4.13) приводился в действие человеком с помощью кабестана и большого колеса, вращавшегося на горизонтальной оси – своего рода беговая дорожка или топчак. Сохранился барельеф с изображением такого крана. Непонятно, для чего использовалась беговая дорожка – для поворота крана или для подъема груза. Возможно, обе операции выполнялись одновременно. Если так, римлянам был знаком принцип современного грузоподъемного двигателя. Им не хватало механической энергии.

Располагая только такими простыми инструментами и неограниченными человеческими ресурсами, римские инженеры поднимали египетские обелиски и переместили 18 кубов из паросского мрамора – каждый весил более 50 тонн, – из которых была построена колонна Траяна. Таким образом они также поднимали тысячи тонн камней, которые шли на строительство акведуков. На строительство акведука Клавдия, имевшего в высшей точке высоту 75 футов, ушло 560 000 камней, что составляет более 40 000 груженых повозок в год в течение четырнадцати лет работ.

Рис. 4.13. Триспаст, используемый на строительстве гробницы

У римлян было три типа машин для подъема воды; tympanum, или барабан, cochlea, или архимедов винт, и силовой насос. Они приводились в действие ручным (или ножным) управлением. Сохранилось много образцов tympanum – барабана, особенно в римских шахтах Испании. Они были разных размеров: в среднем диаметр 14 футов, имели четыре ступеньки для ног вдоль ободов на спицах и были оборудованы четырьмя открытыми коробами или ведрами для зачерпывания воды. Обычно их делали из дерева, но иногда они имели бронзовые оси. Последовательно вращаясь, они могли поднимать воду. Но каждый барабан требовал усилий по крайней мере одного человека, сидящего над ним и толкавшего ступеньки ногами. Барабаны, очевидно, хорошо зарекомендовали себя в римских шахтах. Нет никаких записей о том, что шахты были оборудованы машинами, приводимыми в действие животными, до XIV века.

Cochlea – машина, известная грекам, упомянута здесь, поскольку была стандартным оборудованием римских шахт. Архимедов винт римлян имел длину 10–12 футов и представлял собой деревянный сердечник с полоской дерева или меди, прикрепленной к нему по спирали. Все это было заключено в цилиндр из планок. Устройство устанавливалось в наклонном положении под углом 20–45 градусов, и вращение осуществлялось с помощью рукояток. Их располагали последовательно одно над другим, и можно было поднимать воду на такую высоту, какую позволяли местные условия. Трудно предположить, что подобным образом могла быть достигнута высокая скорость или эффективность, однако широта распространения архимедова винта предполагает, что он обладал немалыми преимуществами. Представляется, что cochlea была эффективнее tympanum. Винт поворачивал только один человек, в то время как вес барабана требовал усилий двух или трех работников, да и поток воды был равномернее и устойчивее. Согласно авторитетному автору Оливеру Дэвису, cochlea олицетворяла собой самое эффективное применение силы к задаче осушения шахт до того, как человеку пришла в голову идея использовать вместо себя животных.

Далее мы переходим к описанию насоса, поднимающего воду на высоту. Мы поместили его в эту главу о Древнем Риме, потому что инженеры эллинского мира ничего не делали с его использованием, в отличие от Витрувия. Судя по детальному описанию Витрувия, римские инженеры хорошо знали принципы действия силового насоса и технологию его изготовления. Он называет его водоподъемной машиной Ктесибия: «Ее делают из меди.

Рис. 4.14. Cochlea с коленчатым рычагом

В ее основании на небольшом расстоянии друг от друга ставят парные цилиндры с трубками, соединяющимися наподобие вилки и сходящимися в сосуд, помещенный посередине. В этом сосуде в верхних соплах трубок делают точно пригнанные клапаны; они, закрывая отверстия сопел, не дают вернуться тому, что было выжато в сосуд вдуванием…» Далее следует столь же подробное описание: «Ни прямолинейное движение без кругового, ни круговое движение без прямолинейного не могут поднять груз». Его собственные наброски к манускрипту не сохранились, однако описание настолько ясное, что вопросов относительно конструкции водоподъемных механизмов не возникает. Их можно было соединять с водяным колесом или «беговой дорожкой». Насколько широко распространено и эффективно было их использование, точно не известно. Витрувий писал, что они применялись для подъема воды из расположенных внизу резервуаров к общественным фонтанам, но не уточнил, насколько широко. Он также ничего не сказал о необходимой для них энергии, а другого свидетельства римских времен не существует. Фронтин, писавший около 100 года об огромных акведуках и системе водоснабжения Рима, не упоминал о конструкции или использовании водоподъемных механизмов – насосов.

Рис. 4.15. Мукомольная мельница и подливное водяное колесо

Римляне периодически использовали энергию воды, чтобы дополнить или даже заменить людей и животных. Они усовершенствовали ручную мельницу, на которой древний человек получал муку. Верхний камень стал вогнутым и приобрел форму песочных часов. Его нижний раструб был насажен на коническое основание, а верхний стал воронкой для зерна. С обеих сторон крепились рычаги. В руинах Помпеи, уничтоженной Везувием в 79 году, был найден барельеф с изображением осла, привязанного к подобной мельнице. Плиний Старший, завершивший написание «Естественной истории» за два года до катастрофы, в которой он погиб, утверждал, что итальянцы мололи зерно в таких мельницах, так же как и в ручных. Водяные мельницы были более сложно устроены. Витрувий дал ясное описание зубчатых барабанов, зацепляющихся под прямыми углами и передающих энергию от подливных водяных колес, вращающихся на горизонтальных осях, к мельничным жерновам, вращающимся, разумеется, вокруг вертикальных осей.

Других ссылок на водяные колеса в римской литературе немного, но достаточно, чтобы доказать важность водяных мельниц (рис. 4.15) для Рима. Их было много на склоне Яникула, чтобы использовать поток из резервуара Аква Траяна, стекающий вниз. Там, безусловно, применялись подливные колеса, которые было легко поместить в поток, однако есть свидетельства того, что римлянам были известны наливные колеса, устанавливаемые под мельничным лотком и поворачиваемые и весом, и толчками падающей воды. Каменная кладка римского водяного колеса до сих пор находится в афинской Агоре. Оно имело диаметр около 10 футов, и мельничный лоток располагался на 4½ фута выше. Дата постройки 457–474 годы.

Между тем самыми известными водяными колесами в римской истории были подливные колеса, которые византийский военачальник времен императора Юстиниана Велизарий установил в реке Тибр в период обороны Рима в 537 году. Готы перерезали акведуки на дальней стороне Тибра и остановили городские мельницы. Велизарий протянул ряды тросов через реку и попарно пришвартовал к ним баржи. Водяное колесо было установлено между баржами и соединено с мельничными жерновами на баржах. Утверждают, что таким образом Велизарий использовал течение реки и обеспечил население города мукой на протяжении всей осады.