Kitabı oxu: «История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия»

Richard Shelton Kirby

Sidney Withington

Arthur Burr Darling

Frederick Gridley Kilgour

Engineering in History

© Перевод, ЗАО «Центрполиграф», 2021

© Художественное оформление, ЗАО «Центрполиграф», 2021

Глава 1
Истоки

Существует два фактора, которые мы узнаем, изучая историю инженерного искусства: один – прагматический, другой – общий. В дополнение к обеспечению понимания того, что необходимо для национального развития, изучение истории инженерии наглядно показывает, что это такое – быть инженером. Для широкого круга читателей такой труд может дать понимание уроков инженерного опыта, а также знания о сложности окружающей среды, созданной человеком для себя. Он внушает уважение к прошлому, подчеркивая, что сегодняшние инженеры могут добиться многого, поскольку они вооружены опытом многих людей, живших до них. Как писал Джордж Сартон в «Истории науки»: «Почитание без прогрессивного развития скучно, а прогрессивность без почитания – безнравственна и глупа». И наконец, как и любое научное исследование, изучение истории инженерии расширяет человеческие горизонты и освобождает нас от узости мышления.

Цель любого исторического труда – трактовка развития и активности человека. История инженерного искусства – всего лишь один сегмент из великого исторического повествования, но, в отличие от других историй, он фиксирует человеческую деятельность, кумулятивную и прогрессивную. Слово «прогрессивная» в данном случае не подразумевает никаких суждений о достоинствах, а обозначает движение вперед, основанное на ранее существовавших знаниях. История инженерии, таким образом, описывает часть центральной темы истории, которая раскрывает развитие цивилизации.

Что такое инженерное искусство? На этот вопрос невозможно дать однозначного ответа. В 1818 году британский архитектор Томас Тредголд впервые сделал попытку дать определение этому термину. Он назвал его «искусством направления великих ресурсов энергии в природе для использования и удобства человека». Такое определение содержалось в хартии Института гражданских инженеров, первым президентом которого был Томас Телфорд. Простое и короткое определение Тредголда было более или менее удовлетворительным для его поколения, когда транспортировка с помощью пара считалась не самым успешным новшеством и лишь немногие ученые смутно ощущали возможности, таящиеся в таинственном электрическом токе. Однако развитие шло быстро, и в течение следующих десятилетий десятки определений, сформулированных лексикографами и даже различными инженерными организациями, появившимися после 1880-х годов, больше не были адекватными.

Авторы настоящей книги осторожно и примирительно отмечают, что в середине XX века гражданские инженеры занимались «искусством практического применения научных и эмпирических знаний к проектированию и производству или выполнением разного рода строительных проектов создания машин и материалов, имеющих ценность или пользу для человека». Три ключевых аспекта этого определения – «применение знаний», «проектирование и производство или выполнение» и «ценность или польза». Для того чтобы выражение «инженерное искусство» было понято правильно, все эти три ключевых аспекта должны рассматриваться вместе. Основная тема данной книги заключается в том, что прогресс инженерного искусства является результатом накопления знаний. Только это еще не все. То, что производится или достигается, должно иметь некую ценность или полезность для человека. Причем ценность не обязательно измеряется экономическими параметрами: древних пирамид на земле немало, и они едва ли имеют экономическое значение, хотя их ценность в плане веры и красоты весьма велика. Профессор Харди Кросс в своем замечательном труде «Инженеры и башни из слоновой кости» (Engineers and Ivory Towers) уточнил место инженерии: «Мы привыкли думать об инженерном искусстве как о части триады: чистая наука, прикладная наука, инженерное искусство. Следует подчеркнуть, что эта триада – лишь одна из многих, куда входит инженерное искусство. Первая – это чистая наука, прикладная наука, инженерное искусство, вторая – экономическая теория, финансы, инженерное искусство, третья – социальные отношения, промышленные отношения, инженерное искусство. Многие инженерные проблемы тесно связаны с социальными отношениями, равно как и с чистой наукой».

В статье У. Хармона в The Journal of Engineering Education так описывается деятельность инженеров:

«Повсеместно общество платит инженерам за работу над системами, касающимися проблем, решение которых интересно этому обществу. Такие системы можно сгруппировать следующим образом: а) системы обработки материалов, включая преобразование и сохранение сырьевых и переработанных субстанций; б) системы переработки энергии, включая ее преобразование, передачу и управление; в) системы данных о переработке информации, включая ее сбор, передачу и переработку.

Выполняя эту работу, инженеры занимаются разного рода деятельностью, варьирующейся от инженерных исследований, дизайна и развития до конструирования, эксплуатации и менеджмента».

Авторы данной книги старались осветить инженерное дело в истории не так, как если бы оно возникло в историческом вакууме без связи с другими видами человеческой деятельности, а как одну из многих социальных инициатив. Иными словами, они хотели интегрировать историю инженерного искусства в общую историю. С этой целью презентация ориентирована на восемь величайших исторических перемен, полностью изменивших жизни людей. Это:

революция в производстве продовольствия (6000–3000 гг. до н. э.);

появление городского сообщества (3000–2000 гг. до н. э.);

рождение греческой науки (600–300 гг. до н. э.);

революция в энергетике (Средние века);

подъем современной науки (XVII в.);

паровая и промышленная революция (XVIII в.); электричество и начало прикладной науки (XIX в.); эра автоматического управления (XX в.).

Перечисленные выше фундаментальные перемены стимулировали инженерные открытия, которые, в свою очередь, ускоряли исторический прогресс.

До 6000 года до н. э. основным занятием человека была добыча еды. Он охотился на животных в лесах и полях, ловил рыбу в озерах и реках, собирал дикие съедобные растения везде, где мог их найти. Он не имел одомашненных растений и животных, которые снабжали бы его продовольствием и одеждой. Многие семьи и племена являлись кочевыми, передвигавшимися за источниками продовольствия. Эти люди жили в самых непрочных строениях – хижинах из травы и шалашах, хотя в некоторых частях света появлялись более надежные жилища, такие как пещеры мустьерской культуры во Франции. Плотность населения была крайне мала, лишь изредка появлялись группы из нескольких жилищ, которые можно было назвать деревнями. Инженерное искусство в таком обществе не играло никакой роли.

Возможно, в Африке или Малой Азии около 6000 года до н. э. человек начал одну из самых важных эволюций в истории. Он приступил к одомашниванию и выращиванию растений и животных. Это происходило в первую очередь в долинах Тигра, Евфрата и Нила. Человек строил жилища группами и обрабатывал прилегающую территорию. Это великое событие, начавшееся примерно восемь тысячелетий назад, продолжалось в отдаленных уголках нашей планеты даже в XIX веке. Однако для истории инженерного искусства самым существенным являлся подъем общества производителей продовольствия, имевший место на Ближнем Востоке примерно в 6000–3000 годах до н. э.

Люди, которые в это время жили в долинах Тигра, Евфрата и Нила, строили постоянные жилища. Они использовали речную воду для орошения. Их решения проблем строительства и ирригации, безусловно, были инженерными. Строительная, гидравлическая, транспортная и металлургическая инженерия зародилась именно в этот период и помогла решить ряд проблем, порожденных новым стилем жизни. Собиратели продовольствия знали, как разжигать и контролировать огонь, но производители продовольствия изобрели колесо, упряжь для волов, паруса для лодок, плуг, кирпич. Они также придумали технику выплавки меди из руды.

Вскоре после начала культивирования домашних растений и животных население стало резко расти. Более того, по мере повышения эффективности культивации стало возможно высвободить часть людей, ранее занятых производством продовольствия, и они смогли заняться другими делами. Одни стали священниками, другие – правителями, третьи – ремесленниками, некоторые из которых превратились в первых инженеров. Хотя новый образ жизни создал стимулы и возможности для развития инженерного искусства, в то же время появилась практика порабощения мужчин и женщин. Продолжение использования рабов как главного источника энергии до Средневековья сделало ненужным развитие других источников энергии на следующие три тысячелетия.

Глава 2
Городское сообщество

Первой важной переменой в жизни человека после начала и развития производства продовольствия стал подъем городов, имевший место незадолго до 3000 года до н. э. До этого большинство людей жили в деревнях, состоявших из группы фермерских домиков. Принципиальная разница между деревней и городом заключается в том, что в деревне большая часть жителей занята непосредственно в производстве продовольствия, в то время как этим занимаются лишь очень немногие жители городов. Эффективность производства продовольствия вкупе с подъемом централизованной правительственной администрации и торговли позволили многим жителям более крупных образований, чем обычные деревни, заняться другими видами деятельности, а не только сельским хозяйством или рыболовством. Они стали управленцами, администраторами, солдатами, священнослужителями, писцами, ремесленниками. Взаимодействие между этим новым городским сообществом и инженерным искусством было более плодотворным, но не менее важным стало развитие знаний и инструментов знаний, фундаментальных для инженера.

Следует помнить, однако, что ранние знания были в основном чисто эмпирическими, полученными из опыта и передаваемыми от человека к человеку. Нет никаких свидетельств существования обобщенной или абстрактной геометрии, так же как и понимания общих черт или закономерностей в явлениях природы. Короче говоря, тогда не было науки в сегодняшнем понимании этого слова. Производители продовольствия обычно передавали своим ученикам – из уст в уста – накопленные знания. Чтобы облегчить передачу знаний, позже стала использоваться элементарная письменность, вычисления и измерения. Письменность до третьего тысячелетия до н. э. состояла из сложных пиктографических символов. Сохранившиеся документы – в основном счета, контракты и списки – состоят из знаков, представлявших отдельные объекты, а позднее – идеи, связанные с объектами.

На протяжении следующих нескольких столетий писцы упростили письменность: теперь они стали подготавливать новые типы документов: исторические тексты, описания ритуалов, законодательные кодексы. С ростом и процветанием городского населения письменность прогрессировала очень быстро. Хотя исток письма был экономическим, оно довольно скоро стало применяться для самых разных целей, включая инженерию. Алфавитное письмо возникло примерно в XIV веке до н. э. Вычислительные техники и арифметика в третьем тысячелетии до н. э. постепенно стали использоваться для коммерческих целей и всевозможных измерений. С возможностью вычислений тесно связана очень грубая и в высшей степени местная стандартизация мер и весов. Все эти перемены оказали непосредственное влияние на инженерное искусство того периода.

Рост городов также стимулировал инженерное искусство в других аспектах. Этот рост сопровождался увеличением богатства, расширением политической власти и ростом торговли. До 3000 года до н. э. большинство построек были весьма скромными, но впоследствии строительная инженерия перестала быть чисто функциональной – она стала также архитектурной. Для принцев строили великие дворцы, а для священнослужителей – огромные храмы. Следствием подъема организованной религии с ее масштабными величественными сооружениями стал рост инженерной активности и знаний. Накопление богатств и религиозная деятельность также положили начало возведению величественных гробниц, ярчайшим примером которых являются пирамиды. Их сооружение продвинуло вперед инженерное искусство, однако нельзя забывать, что мотив для их постройки был религиозным.

В низко расположенных аллювиальных долинах Тигра, Евфрата и Нила одинаково не хватает полезных ископаемых. Там была глина для изготовления кирпичей, но не было камней для дворцов, храмов и гробниц. Каменные плиты приходилось транспортировать на большие расстояния, так же как и другие материалы, к примеру древесину. Другие требования к коммуникациям и транспортировке предъявляла экспансия политической власти, равно как и необходимость контролировать большие территории. Развитие ремесленничества и мануфактур в городах означало рост торговли, а значит, увеличение требований к транспортировке. Инженеры решали транспортные проблемы, учась строить дороги, мосты и крупные суда, которые могли покрывать большие расстояния.

Города также создали проблемы, которые постепенно были решены развитием гидравлической инженерии. Чтобы убрать поверхностные воды, рыли открытые дренажные канавы, а в некоторых случаях и подземные осушительные сооружения, которые не позволяли фундаментам тонуть в грязи. Необходимость повышения эффективности производства продовольствия привела к сооружению запруд, дамб, резервуаров и каналов для контроля разливов и ирригации. Городским жителям нужна была вода, а потому прокладывали специальные тоннели для доставки воды из соседних рек в городские резервуары, но только около 700 года до н. э. для этой цели впервые стали строить каменные акведуки.

Таким образом, в процессе городской революции политические, экономические, религиозные и социальные факторы стимулировали развитие инженерного искусства и оказывали на него влияние в дальнейшем. В свою очередь, новые инженерные решения влияли на политику, экономику, религию и социальную жизнь, давая средства, благодаря которым инженерная деятельность могла развиваться. Нет никаких сомнений в том, что инженерия появилась, чтобы решать новые проблемы нового общества, но, когда инженерное искусство прочно утвердилось на своем месте, возникла обратная связь, благодаря которой оно влияло на развитие общества. Такое положение дел сохраняется и сегодня и останется таким, пока цивилизация будет динамичной и продолжит двигаться эволюционным курсом.

Строительство в месопотамии

О достижениях жителей Месопотамии нам известно очень мало, поскольку их города давно исчезли, скрытые песками пустыни. Не осталось никаких величественных монументов, вроде египетских пирамид, которые могли бы передать традиции роскоши. Авторы, описывавшие инженерную деятельность вавилонян и ассирийцев, полагались на рассказы историков древности. Знаменитый грек Геродот (485–424 гг. до н. э.), посетивший Вавилон в V веке до н. э., вплел в свое повествование об увиденном им своими глазами легенды об услышанном, не делая разницы. Страбон, Диодор и Плиний Старший в римские времена опирались и на современные записи, и на традиции.

Некоторые рассказы Геродота оказались намного ближе к истине, чем считалось веком раньше. Однако археологам еще предстоит отыскать свидетельства, подтверждающие утверждения Диодора о существовании сводчатого кирпичного тоннеля под Евфратом. Заявление Плиния о том, что стены Вавилона имели длину 60 миль и высоту 200 футов, опровергнуто измерениями на раскопках. Вавилон имел размеры примерно 2 мили на 3 (рис. 2.2). Что же касается стен, Великая Китайская стена никогда не была выше 50 футов – ни в одном месте. 200-футовая стена имела бы высоту современного 20-этажного офисного здания. Немногочисленные обнаруженные надписи не дают точной информации. Цари не были склонны проявлять скромность, оставляя потомкам записи о себе. Навуходоносор правил в Вавилоне с 605 до 561 года до н. э. Некоторые его подвиги, мечты и эпизоды трагической судьбы связаны в Библии со славой иудейского пророка Даниила. Поэтому особенно интересно узнать, что Навуходоносор также реконструировал храмы Вавилона, ремонтировал ирригационные сооружения, вымостил улицы и построил стену вокруг города. Тем не менее у нас вызывает некоторые сомнения заявление, что фундамент его стены был поставлен на дне бездны, а ее вершина поднималась выше гор.

Рис. 2.1. Ближний Восток в древности

Тысячи глиняных табличек, найденных при раскопках и теперь бережно сохраняемых в музеях всего мира, являются более важными источниками информации. В основном они имеют размеры 3 на 4 дюйма, но есть и более крупные, размером с большую книгу. Многие из них датируются временами Хаммурапи. Клинописные записи по большей части относятся к проблемам практической математики и показывают знания и деятельность вавилонских инженеров. Они знали, что такое прямоугольный треугольник, вычисляли площади земельных участков, объемы каменных кладок, кубатуру земли при рытье каналов. Они решали простые алгебраические уравнения и применяли знания в работе. Они использовали не десятеричную, а шестидесятеричную систему, которую мы используем и поныне для измерения углов и времени.

Архитекторы Месопотамии могли делать рисунки своих построек. Сохранились статуи мелкого правителя Гудеа, жившего около 2200 года до н. э., которые показывают его сидящим с материалами для рисования и рисунком на коленях (рис. 2.3). Но все наброски, дошедшие до нас, являются очень простыми и нередко грубыми. И хотя существует вероятность создания более сложных планов на пергаменте или папирусе, они не сохранились, равно как и записи о них. Самые важные источники информации о Месопотамии – развалины городов. Археологи обнаружили в Уре, к югу от Вавилона, остатки зиккурата, или храмовой башни, которые дают нам очень хорошее представление о его изначальной форме. Поскольку камня было мало, строители использовали кирпич, как правило высушенный на солнце. Найти топливо для поддержания огня было далеко не просто. Высокие стены нельзя было строить из кирпича, всего лишь обожженного на солнце, – такая кладка не выдержит большого давления. Когда инженеры достигали опасного предела – можно предположить, что они довольно скоро узнали из собственного опыта, где этот предел, – они начали сооружать вторую стену, позади и выше первой, на высокой земляной насыпи. Нередко строили третью и четвертую стену, иногда даже больше. В плане высокие зиккураты, вероятно, были немного похожи на наши небоскребы со смещенными назад стенами.

Рис. 2.2. Реставрация Древнего Вавилона

Рис. 2.3. Гудеа с рисунком на коленях

Как и современные жители пентхаусов, цари Месопотамии часто строили серию плоских крыш. Висячие сады Вавилона, созданные Навуходоносором, считались одним из семи чудес света. И возможно, благодаря храмовой башне Мардука, обладавшей невероятной высотой, тем более для людей, живущих близко к земле, до нас дошла история о Вавилонской башне. Ее действительная высота, вероятно, была не больше 100 футов. Остатки в Уре показывают, что его зиккурат был многоугольной сплошной пирамидой размером примерно 200 на 150 футов и высотой около 70 футов. Он был сложен из высушенных на солнце кирпичей и облицован обожженными кирпичами и камнями (рис. 2.4). Там имелось несколько лестниц, по которым процессии священнослужителей и верующих могли подняться к святыне на вершине. Эта кирпичная башня пережила два тысячелетия, испытав значительные изменения и перестройки – храмы Месопотамии являлись общей работой многих веков. Для связывания каменной кладки обычно использовали природный асфальт, или битум. Его до сих пор можно встретить на кирпичах, уложенных двадцатью пятью веками раньше. Желанный приз многих международных столкновений до сих пор можно видеть выступающим из-под земли возле места раскопок Вавилона. Очевидно, ранние инженеры и не думали использовать эти материалы для покрытия дорог.

Рис. 2.4. Зиккурат Ура, нынешнее состояние и реставрация

Дворцы более поздних царей Ассирии и Персии строились из материалов, которые использовали древние шумеры на юге. К северо-востоку от Ниневии до сих пор можно видеть часть огромного дворца Саргона II, построенного в VIII веке до н. э. Изначально он состоял из трех групп построек, раскинувшихся на 25 акров. В нем было около 200 комнат. Стены были сложены из сырцовых или частично обожженных кирпичей, которые слипались в процессе высыхания и отвердения. Их облицовывали штукатуркой или глазурованным кирпичом. Но в нижних частях стен присутствуют крупные известняковые монолиты весом около 20 тонн каждый. Их инженерное и архитектурное назначение не очевидно. Дворы этого дворца были вымощены камнем или природым асфальтом. Существовала также ливневая канализация – вода стекала в выложенные кирпичом коллекторы, а оттуда – в главные каналы, покрытые плоскими каменными плитами или кирпичными сводами.

Жители Месопотамии создали два типа арок. Первый – ступенчатая или ложная арка, построенная из горизонтальных рядов кирпичей, каждый из которых слегка выступает над нижним рядом; в конце концов две стороны соединяются и закрывают пространство вверху. Принцип консоли не мог активно использоваться с такими материалами. Ступенчатые арки месопотамских инженеров имели поэтому относительно небольшие пролеты и не впечатляли ни высотой, ни шириной. Вторая форма арки – ворота в стенах – истинная арка.

Гидравлическая и санитарная инженерия

Хотя Тигр и Евфрат позволили создавать сельскохозяйственные поселения на земле, если их не контролировать, они были ужасными разрушителями. Библейская история о Потопе, судя по всему, дошла до нас из вавилонских источников. Это бедствие можно идентифицировать с наводнением в долине Евфрата. Жители Месопотамии, должно быть, с самых ранних времен столкнулись с проблемами гидравлической инженерии. Как они строили насыпи, чтобы удержать поток в русле? Как возводили дамбы, чтобы не давать воде разливаться? Как отводили воду в накопительные бассейны и рыли каналы для орошения полей в сухой сезон? Ранние строители Шумера и Вавилона добились существенных достижений в гидравлической инженерии.

Существует много легенд о Мардуке, величайшем из вавилонских богов, в одной из которых говорится о покоренном им драконе в водах на земле. Более надежными являются современные исторические тексты на глиняных табличках, датированных XV веком до н. э., в которых часто упоминаются каналы, вырытые по распоряжению разных царей. Каналы иногда служили границами. Также есть ссылки на резервуары, из которых те или иные города снабжались водой. В более поздних текстах (Третья династия Ура, примерно 2000 г. до н. э.) приводятся названия таких каналов и упоминаются рабочие, которые их ремонтировали и чистили. В письмах Хаммурапи (1800 или 1750 г. до н. э.) говорится об очистке каналов, а в знаменитом кодексе Хаммурапи есть разделы, посвященные «технической эксплуатации» ирригационных сооружений. В «Математических клинописных текстах» Нейгебауэр и Сакс ссылаются на таблички (большинство из них сейчас в Йеле), в которых речь идет о математических инструментах, использованных при строительстве каналов. Эти таблички датируются старым вавилонским периодом – примерно 1800 годом до н. э. Недавно расшифрованная глиняная табличка, датированная примерно 1200 годом до н. э., относится, вероятнее всего, к некой форме привода для подъема воды из ирригационного канала. Это документ, подтверждающий, что некий человек позаимствовал водяное колесо из семнадцати ступеней длиной десять футов, утратил его и был обязан возместить его стоимость.

То, что осталось от низких дамб и других речных сооружений в Месопотамии подверглось такому сильному разрушению, а русла рек настолько изменились, что современные инженеры не рискуют давать конкретные ответы на очевидные вопросы. Сохранившиеся холмы и водоразделы показывают, что насыпи и дамбы, защищавшие земли низовьев Евфрата, имели ширину 100 футов и длину сотни миль. Где это было возможно, существовали водосливы, по которым поднявшаяся вода отводилась в гигантские впадины в пустыне. Эти впадины занимали 650 квадратных миль, и глубина воды в них достигала 25 футов. Но как древние строители делали свои дамбы и насыпи водонепроницаемыми и не подверженными размыванию? Как их огромные резервуары открывались и закрывались, без утраты контроля над запруженной водой? На все эти вопросы археологам еще предстоит дать ответы.

Мы располагаем лишь небольшим объемом информации об одной из величайших дамб древней истории. На арабском побережье Красного моря, которое сегодня представляет собой пустыню, в течение двух тысячелетий или даже больше жили люди, которыми правила царица Савская, и процветало сельское хозяйство. Их сравнительно богатая жизнь в X веке до н. э. (дни Соломона), судя по всему, была возможна благодаря огромным дамбам, которые задерживали дождевую воду в холмах, предохраняли верхние слои почвы от эрозии и обеспечивали ирригацию. Только очень немногие западные исследователи, ни один из которых не имел инженерного образования, попали на раскопки самой крупной из них, Марибской, или Йеменской, плотины. Согласно одному из повествований, она, вероятно, была очень большой – длиной 2 мили, высотой 120 футов, шириной 500 футов (в основании). Она была построена из 15 миллионов кубических ярдов камня. Однако, согласно другому рассказу, плотина имела в четыре раза меньшие размеры и состояла из земли. Она продолжала использоваться до VI века н. э., когда разрушилась, вероятно, из-за пренебрежения. Откуда у людей царицы Савской знания о гидравлической инженерии – из Месопотамии, от египтян с другого берега Красного моря или они дошли до всего сами – неизвестно. Если самые восторженные рассказы верны, Марибская плотина была еще одним чудом света. Автор Джордж Хейралла повествует об арабах, которые в 1936 и 1947 годах исследовали остатки Марибской плотины. Они сообщили, что плотина длиной 650 метров, имела 5 водосливных и 14 ирригационных каналов. Эти исследователи обошли молчанием первоначальную высоту плотины, зато обнаружили остатки гранитной кладки очень высокого качества.

Низкий хребет Джерван, возвышающийся над Ниневией, издавна вводил в заблуждение археологов, считавших, что это либо дорога, либо дамба. Впоследствии при раскопках было доказано, что это акведук, который инженеры ассирийского царя Сеннахериба построили в VII веке до н. э. для снабжения Ниневии водой. Его самая примечательная черта – мост длиной более 1000 футов и шириной 70 футов. В одном месте он поднимается на 30 футов над водой и пересекает поток, опираясь на ступенчатые арки. На его сооружение ушло не менее двух миллионов известняковых плит. Русло акведука выложено известняковым покрытием, до сих пор сохранившим прочность. Объявив себя царем Ассирии и мира, Сеннахериб составил отчет об этом проекте для потомков, проявив небывалую для божественного представителя на земле скромность. «Я, Сеннахериб, царь Ассирии и мира, отвел на большое расстояние воды рек Хазур и Пулпуллия, воды источников близ городов Ханус и Гаммагара и воды горных источников справа и слева через канал, вырытый в долинах Ниневии. На глубоких вади построил я акведук из белых каменных блоков, через который потекла вода». Что еще удивительнее, он отдал должное инженерам и рабочим. Большой рельеф из алебастра на стене дворца Сеннахериба в Ниневии показывает, как тяжелые статуи перемещались в горной стране.

На Ближнем Востоке было обычной практикой, если источники оказывались неподалеку, доставлять воду по тоннелям в резервуары, расположенные в пределах городских стен, чтобы был запас воды на случай осады. Женщины с кувшинами на плечах сновали вверх-вниз по каменным лестницам, чтобы принести воды. В те времена вода в дома не подавалась по трубам. Следует отметить, что водопроводы в частных домах по сей день не являются повсеместными. Такого рода тоннель, построенный в VII веке до н. э., подавал воду из источника Гихон в Силоамский пруд в Иерусалиме. Трубопровод имел высоту 6 футов, длину 1750 футов и был прорублен в горе. Строительство началось с двух концов. К счастью, каждая бригада рабочих, трудившаяся в полной тьме, слышала звуки, производимые другой, и потому после нескольких неудачных попыток они в конце концов встретились. Надпись, повествующая об их опыте и радости по поводу удачного завершения строительства, была обнаружена в 1880 году мальчиками, купавшимися в пруду.

Ирригационная система, многие века пересекавшая равнины вдоль Тигра и Евфрата, давно исчезла под песками пустыни. Возможно, Киру в VI веке до н. э. удалось направить Тигр в 30 каналов, а потом перекрыть его главное русло земляной дамбой. В любом случае существуют остатки масштабной земляной конструкции, усиленной бревнами. Представляется, что когда-то ее верхняя поверхность была облицована кирпичом. Дамба была посвящена Мардуку и может датироваться тысячелетием до Кира. В 401 году до н. э. известный греческий полководец Ксенофонт видел сеть каналов и описал ее в «Анабасисе». Он постоянно встречал каналы, которые невозможно было пересечь без мостов. Иногда это были стационарные мосты из кирпичей и леса, иногда плавучие – из лодок. Ксенофонт утверждает, что каналы шли из Тигра и от одного до другого были прорыты траншеи. Первый канал был самым крупным, второй меньше, а последние – не более чем дренажными канавами.

Указанные каналы являлись важными инженерными сооружениями, однако жители Месопотамии и те, кто учился рытью каналов от них, не знали всего, что следует знать об этом процессе. По крайней мере, так следует из рассказа о канале, который персидский завоеватель Ксеркс, следовавший в Грецию, велел своим людям прорыть через Афонский перешеек в 482 году до н. э. Он желал переправить свою армию, не подвергая ее опасности, минуя штормовой регион, где в Эгейском море ранее уже потерпел крушение персидский флот. Геродот поведал, что начальнику строительства Артахею не хватало всего четырех пальцев до роста 8 футов и он имел самый громкий голос из всех строителей. Историк подробно описал инженерные детали строительства. Он рассказал, как вынутый грунт перемещали с одного уровня на другой и затем увозили со стройплощадки. Он указал, что большинство рабочих всеми силами старались сделать боковые стороны канала вертикальными с катастрофическими результатами. Финикийские инженеры из армии Ксеркса сделали верхнюю часть канала в два раза шире, чем его дно. Они понимали, что канал, прорытый в земле, должен иметь пологие склоны.

Покинутые города Хараппа и Мохенджо-Даро, что в долине Инда в Западной Индии, содержат превосходные свидетельства древних знаний гидравлической инженерии (рис. 2.5). Возможно, там жили те люди или родственники тех людей, чья ранняя культура оказала большое влияние на египтян и шумеров. Как бы то ни было, на территории Мохенджо-Даро, где уже проводились раскопки, найдены остатки канализационной системы, которую можно признать эффективной даже по современным стандартам.

Рис. 2.5. Канал Хараппы, долина Инда

В 2500 году до н. э. городские власти обеспечивали для домовладельца со средним достатком санитарные удобства, которые в других местах имели только цари. Каждый из крупных домов, даже если в нем не было окон, имел колодец и, в непосредственной близости, ванную, отхожее место, прачечную, сточный колодец и место для свалки мусора. Сточные воды из жилых домов и общественных зданий отводились по керамическим трубам в крытые вымощенные кирпичом дренажные канавы, расположенные вдоль каждой улицы, оттуда сливались в поля или реки. В городе был кирпичный резервуар размером примерно 23 на 40 футов. Как он наполнялся – загадка. То, что он был наполнен, очевидно, потому что его толстые стены были сделаны водонепроницаемыми с помощью глины и битума. Возможно, это был рыбный пруд. Хотя, вероятнее всего, это было место для ритуального омовения и очищения.

Дороги, мосты и суда

Твердое дорожное покрытие стало более ранним инженерным достижением, чем канализационные системы и водоснабжение. Люди ходили по мощенным булыжниками улицам в Ассирии еще за четыре тысячи лет до Рождества Христова, а позже – по кирпичным и известняковым тротуарам в Вавилоне. Знаменитая улица Процессий, ведущая к мосту через Евфрат, имела кирпичное основание, покрытое природным асфальтом – известняковыми плитами со скошенными стыками, установленными в битуме. Проезжая часть мостилась крупными камнями длиной и шириной 3–4 фута, тротуары – красной брекчией, состоящей из сцементированных обломков нескольких горных пород. На реке было найдено семь фундаментов опор моста. Этот самый древний мост, упомянутый в документах, был построен, вероятно, во времена Навуходоносора. Хотя его опоры сделаны из маленьких обожженных кирпичей, они были довольно прочными – каждая имела размеры примерно 30 на 70 футов. У них была разумная форма – заостренный конец направлен против течения, чтобы снизить силу течения, а скругленный конец – по течению, чтобы уменьшить водовороты, которые могли размыть фундамент. Представляется вероятным, что поверх этих опор было два ряда расположенных близко друг к другу деревянных продольных балок, по которым, собственно, и проходила дорога, согласно древним историкам вымощенная каменными плитами. Мост имел длину 400 футов. В рассказе Геродота упоминается своего рода разводной пролет – возможно, военная предосторожность. Он не описывает его конструкцию.

Все ранние цивилизации на Ближнем Востоке имели дороги того или иного типа, построенные и обслуживаемые преимущественно для административных и военных целей. Что характерно, записи, которыми мы располагаем, повествуют нам очень мало. В Ассирии были специальные люди – ummani, которые выравнивали землю для проезда телег и строили временные мосты. Дороги, которые ими создавались, были предназначены для коммерции и поездок как в мирное, так и в военное время. Перс Дарий в VI веке до н. э. имел Царскую дорогу от Сард в Малой Азии до Суз, что вблизи Персидского залива. Она имела протяженность более 1500 миль, и по ней беспрепятственно передвигались посланцы царя. Эта «магистраль» обеспечивала связь через горные проходы и обширные пустоши. Она открыла путь на запад к Эгейскому морю и историческому столкновению между персами и греками при Марафоне. Однако пока археологи не обнаружили никаких следов этой знаменитой дороги прошлого, и нет никаких источников информации о ее конструкции.

Рис. 2.6. Транспортировка обелисков

Водный транспорт во многих районах, таких, например, как Египет, имел большую важность, чем дороги по суше. До подъема цивилизации производителей продовольствия не было необходимости транспортировки по воде значительных объемов грузов. После 3000 года до н. э. появились суда значительных размеров, причем их создатели демонстрировали существенные знания деревообработки и строительства деревянных конструкций. Первоначально такие суда приводили в движение веслами, но уже до 3000 года до н. э. появились грубые паруса, так что, если ветер дул в нужном направлении, его сила помогала гребцам. Эти единичные паруса всегда крепились к мачте, установленной перед центром вращения судна, и являлись малоподвижными. В результате команды могли их использовать, только если ветер дул с кормы.

Самые крупные суда не были самоходными. Их буксировали более мелкие суда со своими командами гребцов и, возможно, одним парусом. Около 2400 года до н. э. египтяне построили крупное судно, которое, вероятно, имело длину около 100 футов. Иными словами, оно было длиннее корабля «Мейфлауэр», который в 1620 году привез отцов-пилигримов в Массачусетс. Оно имело длину 90 футов. Судно 1600 года до н. э., перевозившее два обелиска, уложенные на главной палубе, имело длину не менее 220 футов (рис. 2.6). Потребовалось три группы более мелких весельных судов, чтобы отбуксировать его с грузом вниз по Нилу. В общем, какими бы ни были размеры древних судов, они приводились в движение в основном мускульной силой человека.

Египетская инженерия

Оседлый земледельческий народ сформировался в плодородной долине Нила за много веков до того, как эти люди сумели изложить свои достижения в письменной форме. Подъем, расцвет и упадок египетской цивилизации можно проследить приблизительно с 4000 года до н. э. Государство после длительного периода междоусобиц объединилось. Одновременно с установлением безопасности начался рост населения и богатства. Чужеземные враги были или присоединены, или завоеваны и обращены в рабство. Египет медленно перерастал из царства в империю. Один важный этап в этом далеко не быстром процессе отмечен строительством пирамид, которые были воздвигнуты примерно в 2700–2200 годах до н. э. Ирригационные проекты двенадцатой династии 2000–1800 годов до н. э. идентифицируют второй этап, а великие храмы Луксора и Карнака – третий; эти памятники восемнадцатой династии в основном были построены в XVI–XIV веках до н. э. Поскольку воинственные цари того времени проводили агрессивную политику против захватчиков и расширили египетское правление от Сирии на севере до Ливии на западе, их народ жил в условиях относительной безопасности, изобилия и комфорта. А потом настало тысячелетие упадка и подчинения.

Рис. 2.7. Перемещение египетской статуи. Барельеф эпохи двенадцатой династии

Насколько известно из раскопок, надписей на памятниках и документах на папирусе, в этот период почти не было значительных прорывов в области инженерных техник. Египтяне третьего тысячелетия использовали строительные методы, обусловленные окружающей средой. Они продолжали использовать те же методы тридцатью или больше веками позже, когда их страна перестала существовать как отдельная империя. Три фактора определили характер египетской инженерии. Первые – неограниченные людские ресурсы. Все операции основывались на неограниченном использовании времени и сил рабов (рис. 2.7), захваченных во время войн или набегов на соседей. Тягловый скот играл небольшую роль в египетском строительстве. Лошадь – почитаемое животное на Востоке – никогда не использовалась для работы. Да ее и не знали в Египте до 1700 года до н. э.

Когда труд рабов был недоступен или его не хватало, на посменные работы призывалось местное население. Представляется, что оно обладало ничуть не большей свободой выбора, чем рабы. Но было бы ошибкой представлять египетских тружеников страдающими под бичом надсмотрщика, несмотря на библейский рассказ о Моисее и его сыновьях. Крестьянин был готов к привлечению на общественные работы в то время года, когда климат и поведение реки не позволяли ему работать на своем поле. Когда к нему не применялось насилие, он, судя по всему, работал охотно. Он даже гордился своим участием в проекте и подчинялся дисциплине, необходимой, чтобы управлять большим числом людей, выполняющих одну задачу. Если верить надписям, некоторые работы выполнялись без несчастных случаев, болезней и завершались вовремя. Вторым определяющим фактором в египетской инженерии было сосредоточение гигантской армии рабочих под началом одного человека и его помощников. Ни время, ни стоимость не играли роли для фараона, решившего построить для себя гробницу, которая будет стоять вечно, или повернуть русло Нила так, чтобы пустыня превратилась в цветущий сад. Египетское инженерное искусство отличалось пышностью; масштабы его достижений вполне соответствовали тому, кто считал себя царем и богом. Третий фактор, определивший характер египетской инженерии, – большие объемы строительного камня в долине верховьев Нила. В каменоломнях известняка, песчаника и гранита добывали экземпляры весом от 2,5 до 30 тонн для самых крупных и самых древних конструкций в мире. Из них также вырезали обелиски весом несколько сотен тонн. Как минимум одна добытая каменная глыба имела вес 1000 тонн.

Для такой работы египтяне использовали только простейшие механические принципы и приспособления. Отмечали желаемые размеры камня, делали канавки с использованием деревянного молотка и бронзовой стамески, вроде тех, что используются сейчас, и каменные глыбы откалывали от скалы с применением метода, известного сегодня как метод клиньев и перьев. Бронзовые клинья вставляют между двумя тонкими перьями и вгоняют в камень, пока он не раскалывается. Или вставляют деревянные клинья, которые расширяются за счет увлажнения и раскалывают камень. Таким способом египтяне обычно добывали известняк и песчаник. Для гранитных обелисков, обычно вырезавшихся горизонтально, египтяне вбивали клин твердым и грубым долеритом, необработанным базальтом, по кругу вдоль краев, пока не прорежут глубокую канавку и, в конце концов, откалывают камень нужного размера. Нет необходимости говорить, что этот процесс тяжелый и трудоемкий, требует физических сил, опыта и терпения. Посетители сегодняшних каменоломен Асуана могут наглядно видеть следы применения этого метода. Большой камень до сей поры лежит там, где его когда-то бросили из-за несовершенства.

Металл, который египтяне использовали для клиньев, пил и режущих инструментов, – твердая бронза. Как ранние люди ее впервые получили – неизвестно. Мы мало знаем о технике металлообработки в этой стране. Как и многие другие ранние народы, египтяне с самого начала их цивилизации знали ценность железа, содержащего никель, которое падает с небес в виде метеоритов, и относились к нему с большим уважением, чем к золоту. Незадолго до начала 600 года до н. э. они узнали, предположительно от хеттов из Малой Азии, как выплавлять металл из руды, которую они находили в земле, и металлургия стала намного эффективнее.

Кроме клиньев, деревянных молотков и стамесок, египтяне использовали прямые рычаги и наклонные плоскости. У них были ролики, сделанные из твердой древесины акации, и в 1800–1600 годах до н. э. они узнали от жителей Малой Азии колесо, лошадь и колесницу. Вероятнее всего, в Вавилонии шумеры умели пользоваться колесницами еще до Саргона, возможно, в XXV или XXVI веке до н. э. Представляется, что египтяне не знали винта и не могли поднимать тяжелые блоки с помощью винтовых домкратов. Не было у них и шкивов для канатов. Таким образом, не имея возможности увеличить силу, используя веревку и блок, они были вынуждены прилагать всю доступную мускульную силу человека непосредственно к грузу.

Поскольку каждый камень был вырублен и получал определенную форму еще в каменоломне, инженер должен был постоянно иметь в виду общий план конструкции и положение, которое должен занять конкретный камень. Древний египтянин, как и его современный преемник, работал с чертежами, сделанными на папирусе, известняковых табличках и, иногда, на древесине. К сожалению, до нас дошли очень немногие таблички, но очевидно, что древние египетские инженеры умели показывать детали в разных проекциях и выполнять модели в масштабе.

За много веков до того, как грек Пифагор продемонстрировал обобщенную взаимосвязь между сторонами прямоугольного треугольника, египетские землемеры, судя по всему, знали, что угол между двумя сторонами треугольника является прямым, если сумма их квадратов равна квадрату гипотенузы, и применяли это знание на практике. Папирус, ныне хранящийся в Британском музее, показывает, что они также понимали, как подсчитать объем твердых тел и определить уклон или понижение, когда речь идет о высоте пирамиды и длине ее стороны. Интересны и другие факты относительно их математических знаний. Они, как и мы, использовали десятеричную систему, хотя и без арабских цифр. Их дроби всегда имели цифру 1 в числителе, за исключением дроби ⅔. А при определении площади круга они использовали число пи (отношение между длиной окружности и диаметром), равное 3,16. Общепринятая величина этого коэффициента сегодня – 3,1416.

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.

Глава 3
Греческая инженерия

К северу и западу от Суэцкого канала располагается остров Крит. Здесь за двадцать пять веков до Рождества Христова, в контакте с египетской цивилизацией, но отличный от нее, развился центр городской культуры, названной Минойской по имени легендарного царя Миноса. Эта культура оставила уникальное наследие последующим греческим сообществам, а при их посредстве всем нам. Знания эгейской цивилизации, главным городом которой был Кносс на острове Крит, относятся к недавнему времени, поскольку только в 1894 году Артур Дж. Эванс начал открывать археологические свидетельства великолепной минойской цивилизации. Поскольку эта цивилизация открыта недавно, нам предстоит еще многое узнать о ней. В 1953 году британский архитектор, лингвист-самоучка Майкл Вентрис впервые расшифровал минойское письмо.

Блестящая минойская цивилизация достигла вершин процветания около 2100 года до н. э. Минойским правительством была монархия. Цари жили в большом дворце Кносса. Известно, что минойцы были отличными мореплавателями, но не только. Они обрабатывали землю, были великолепными ремесленниками, делавшими статуэтки, вазы, украшения, текстиль. Критяне вели обширную морскую торговлю. Многие минойские продукты были обнаружены в Египте, а египетские товары – в Кноссе. Минойцы обладали продвинутыми инженерными знаниями и отличными инструментами. В доме плотника одного из минойских городов найдены стамески, пилы, шила, гвозди.

Эта интересная цивилизация процветала примерно до 1400 года до н. э., когда царский дворец Кносса был разрушен и политическая власть кносских царей уничтожена. Минойцы, однако, во многих отношениях способствовали расцвету греческой цивилизации. Возможно, они даже оставили грекам свой язык, поскольку Вентрис сумел расшифровать минойское письмо, выработав греческие слоговые эквиваленты минойских символов.

Минойская инженерия

Терракотовые трубы во дворце Кносса были предположительно суживающимися, потому что так было легче их изготавливать и соединять. Такая форма придавала скорость воде, что помогало сохранять трубы от осаждения налета. Некоторые способы соединения используются и сейчас. У минойцев были ванные, ванны и санитарные удобства с притоком воды. В этом отношении они находились впереди всех европейцев до 1800 года до н. э. Все это представляется даже более эффективным, чем в некоторых слаборазвитых странах нашего времени. Минойские строители создали систему сбора дождевой воды и метод сохранения ее чистой. Понимали они или нет математику и химические процессы, происходящие в воде, неизвестно, однако они точно знали, как ведет себя вода, и умело использовали свои знания. Они строили водосточные желоба в виде серии вертикальных параболических секций, расположенных в виде лестницы, чтобы вода стекала вниз от уровня к уровню. Такая серия контролируемых потоков не позволяла воде набирать слишком большую скорость при спуске и размывать фундамент. На поворотах снаружи делались возвышения, чтобы вода не переливалась через край. Через определенные интервалы устанавливали резервуары для осадка, а солнечный свет помогал очищать воду на ее пути к местам накопления и ванным.

Дворец Кносса, судя по руинам и реконструкциям, выполненным археологами, был впечатляющей конструкцией из обтесанных камней – тяжелой, угловатой, приземистой. Его чопорность отчасти смягчалась круглыми колоннами, которые, впрочем, тоже выглядели тяжелыми и приземистыми. Они возвышались перед портиками и рядом с большими лестницами. Но при этом они не создавали впечатления легкости и грациозности, как их преемницы, великолепные колонны греческих храмов. Минойский Крит обладал неудержимым живым духом, однако его жители давали выход своему энтузиазму и дерзости в кровавой забаве – травле быка, а также в художественном творчестве, но не в архитектуре.

Критские инженеры строили в той же манере, что и их египетские современники. Критские постройки создают впечатление, что на острове, как и в Египте, изобилие камня, много времени и огромные запасы силы людей – предположительно рабов. В обеих странах имеются свидетельства частых взаимных контактов, постоянного обмена товарами и идеями. Нам мало что известно о критских методах и инструментах; их техники вполне могли быть такими же, как в Египте. Критяне не внесли заметного вклада в строительство, а если и внесли, он еще не обнаружен. Они тоже использовали стоечно-балочный метод, примитивную конструктивную систему, образованную вертикальными элементами – стойками, колоннами, столбами, и перекрывающими их горизонтальными элементами – балками и перемычками. В своих дворцах, жилищах и складах они не использовали даже ступенчатых арок. Однако критские мастера показали изобретательность – большую или меньшую, чем их египетские современники, сказать трудно, в обеспечении доступа к последовательным уровням в своих постройках по лестницам, помещении рядов комнат вокруг двора и строительстве световых колодцев во внутренние лабиринты. Эти достижения обессмертили их в греческой легенде об Ариадне, Тесее и лабиринте. Археологи, работавшие на раскопках, были потрясены находкой изогнутых стен и овальных или эллиптических домов. Но какой бы ни была художественная привлекательность такого проекта, здесь не видно работы инженерной мысли. Все элементы конструкции были прямолинейными. Да и в любом случае изгибы были горизонтальными. Критские инженеры не использовали вертикальных кривых в постройках, даже в виадуках (за исключением параболических водосточных желобов, о которых уже говорилось).

Рис. 3.1. Древняя Греция

Остатки большой мощеной дороги через остров на юг от Кносса к порту на средиземноморском побережье напротив Ливии демонстрируют массивные столбы из обтесанных камней. На первый взгляд они были некогда соединены ступенчатыми арками. Однако подходящие камни при раскопках не обнаружили, и было выдвинуто предположение, что они поддерживали деревянные поперечины, по которым, собственно, и шла дорога от столба к столбу, так же как над открытыми пространствами внутри дворца. Критские инженеры использовали деревянные поперечины, чтобы связать облицовку толстых стен, внутренности которых заполнялись бутовой кладкой. Минойская дорога, обнаруженная в нескольких футах под римской мостовой, датированной намного более поздним периодом, находится во вполне приличном состоянии. Она не хуже римской мостовой – если не лучше. Разумеется, не следует судить по современным меркам; необходимо учитывать цели, для которых эти дороги строились, но они пока точно не установлены. Римская дорога представляет собой булыжники, уложенные на землю, а минойская располагается на фундаменте из грубых камней, врытых на глубину два фута под уровнем земли. Ее центральная часть шириной 4½ фута была сделана из двух рядов гладких плит, уложенных вплотную друг к другу на глиняное основание. С двух сторон от центральной части располагались боковые части шириной 3½ фута, из гальки и осколков гончарных изделий, вдавленных в глину. Все это уложено на грубые камни, которые, в свою очередь, опираются на фундамент. Вдоль одной стороны находилась дренажная канава. В отличие от римской дороги минойская была плоской – без выпуклости. На глиняных табличках позднего минойского периода изображены царские кони и колесницы, но пока не обнаружено никаких свидетельств движения колесного транспорта по критским дорогам.

Микенский вклад

Тем временем материковый город, расположенный к северу на материке, стал культурным центром. Пусть он был не таким богато украшенным, но именно ему было суждено соединить Крит и Египет с греческой цивилизацией, Эгейскими островами и Малой Азией. Микены, город, из которого Агамемнон отправился на Троянскую войну, располагался вдали от моря, на высокой горе Пелопоннеса, возможно, место для него было выбрано, чтобы избегать частых и нежелательных визитов путешественников из Трои, финикийских пиратов и прочих непрошеных визитеров.

Строители Микен, как и египтяне, очевидно, перерабатывали крупные камни без использования домкратов и других подъемных механизмов. Их знаменитые Львиные ворота, построенные до 1300 года до н. э., имели перемычку размерами 15 на 7 на 3½ фута. Она весила 30 тонн и опиралась на вертикальные опоры высотой более 10 футов. Ее или установили с земляной рампы, которую потом убрали, как в Египте, или микенские строители умели пользоваться рычагами и прочими приспособлениями, о которых не сохранилось никаких записей. Они установили камни весом 120 тонн каждый по обе стороны от входа и поставили еще одну известняковую перемычку весом 100 тонн в одной из гробниц.

Рис. 3.2. Ворота, Микенская сокровищница

Микенские строители заняли достойное место в истории инженерии, благодаря использованию ими ступенчатой, или ложной, арки или свода (рис. 3.2). Они использовали этот принцип в подземных конструкциях для создания больших гробниц конической формы или складских помещений из камня. Они применяли его и в наземных конструкциях при строительстве мостов для прокладки дорог. Эти дороги предназначались только для вьючных животных и пеших путешественников, поэтому в некоторых местах представляли собой всего лишь ряд ступенек, вырубленных в скале. Но на других участках, когда пересекали уступы и огибали выступающие скалы, они имели каменные удерживающие стены и преодолевали встречающиеся горные потоки на кульвертах или ступенчатых арках. Ступенчатые арки заняли прочное место в строительстве, а истинным аркам пришлось дожидаться этрусков и римлян.

Ранние обитатели Греции хорошо понимали значение и снабжения водой, и дренажа. Микенцы в своих городах не помещали воду под давление, чтобы поднять ее на более высокий уровень. Они лишь доставляли ее по подземному каналу в колодец у стен. К северо-западу от Афин в горах находилось мелкое озеро Копаида площадью около 100 квадратных миль. В этом районе были исключительно богатые плодородные почвы. Дренажные каналы из этого озера, которые британские и французские инженеры восстановили в 1880 году, впервые были выкопаны четырьмя тысячами лет раньше.

Греки

В какое-то время до 3000 года до н. э. первые поселенцы прибыли в Грецию, где человек каменного века, вероятнее всего, не процветал. В. Гордон Чайлд в своей книге «Доисторические миграции в Европе» продемонстрировал, что ранняя греческая культура пришла с Востока, как и ее преемницы. Эти люди имели большие способности и со временем породили культуру, которая до сих пор удивляет мир.

Когда греки впервые появились, они занимались сельским хозяйством. После того как они обосновались на этой земле, их социальная организация стала сложной системой, в которой были богатые и бедные, знатные и простые люди. В их землевладении и институтах, которые они создали, не было ничего необычного, однако Гомер обессмертил их в своих поэтических произведениях. К V веку до н. э. сельское общество, которое изображал Гомер, стало, с одной стороны, замысловатой военной олигархией Спарты, практически лишенной поэзии, с другой стороны, еще более городской демократией Афин, где бурно развивались ремесла. Разницу едва ли можно приписать противоположному отношению к согражданам, поскольку и Спарта, и Афины основывались на рабском труде. Какой была движущая сила, превратившая простую лояльность племенных воинов в сложный народный дух афинян? Вопрос издавна занимал философов и историков, но так и не получил всеобъемлющего ответа. Дабы понять, что делали греки, не пытаясь разобраться, почему они это делали, необходимо серьезное исследование. Очень уж разнообразными и многочисленными были их достижения в искусстве, драме, философии, науке и архитектуре.

Греческие достижения в науке в VI–III веках до н. э. привели к ускоренному развитию инженерии. Следует подчеркнуть, что практически все ранние знания получались на основании опыта. До VI века до н. э. не существовало никаких общих теорий природных явлений или математики. Также не были сознательно выражены или определены «законы природы». Люди еще не осознавали, что в природе присутствует закономерность и порядок. Без понимания закономерности идея природных законов невозможна. На самом деле не может быть науки без концепции упорядоченности в природе, поскольку именно этот порядок ищет наука.

Возможно, высшее достижение греческой науки заключается в открытии самой науки – открытии того, что есть общие законы природы, которые человек должен изучить. Грека, которому обычно приписывают это открытие, звали Фалес Милетский. Он жил около 600 года до н. э. и считается родоначальником современной науки. Фалес поставил важный вопрос: «Из чего все состоит?» Его вывод, что все сущее произошло из воды, разумеется, является неудовлетворительным в свете современных знаний. Тем не менее именно Фалес стоял у истоков исследования проблем материи – это исследование продолжается до сих пор. Ведь проблема материи – одна из самых важных в современной физике.

Считается, что Фалес изобрел или определил абстрактную геометрию. Месопотамцы и египтяне знали, как измерять участки земли неправильной формы; они также умели вычислять объемы цилиндрических предметов. Между тем они всегда считали эти многообразные формы «треугольными участками» или «цилиндрическими камнями» и никогда не представляли их абстрактно – треугольниками и цилиндрами. Хотя они были знакомы с некоторыми связями между сторонами треугольного участка земли, они не знали общих свойств треугольников. Именно Фалес и несколько других ученых его времени заложили общие знания об отношениях и свойствах линий, углов, поверхностей и твердых тел в абстракции, без привязки к конкретному предмету. Греческие геометры развивали свой предмет так быстро, что уже около 300 года до н. э. Евклид смог написать свой классический труд «Элементы».

Греческие ученые накапливали важные знания и в других областях. Их труды в физике стали фундаментальными для будущего развития науки. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) был величайшим ученым своего времени в области физики, и его труды заложили основы предмета на ближайшие две тысячи лет. Однако греческие естественные науки в древности внесли разве что весьма небольшой вклад в инженерию. На самом деле инженерия давала намного больше науке, чем наука инженерии, и такое положение сохранялось до второй половины XIX века. Иными словами, потребовалось двадцать пять веков, прежде чем научные знания выросли достаточно, чтобы стать полезными инженерам. Это неудивительно, если принять во внимание, что эмпирические знания инженерии накапливались по меньшей мере двадцать пять веков, когда греки в VI веке до н. э. начали проводить научные исследования природных явлений. Хотя применение естественных наук в инженерии началось относительно недавно, греческие и римские инженеры стали использовать новую геометрию, как только она начала развиваться. Главным образом геометрия применялась в архитектуре.

Греки с презрением относились к окружающему миру, считая его менее культурным, варварским. Они гордились собой и своими достижениями, однако не были лишены реализма и осознавали, что получали от других и где научились многому из того, что вполне успешно применяли. В области архитектуры они были скорее умелыми пользователями, чем творцами. Их инновации, часто очень важные для усовершенствования микенских, минойских или египетских моделей, тщательно сохраняли фундаментальные черты, доказавшие свою надежность и стабильность. Их вклад – это вклад художников, обладающих безупречным чувством пропорции, пониманием прекрасного. Практически не было никакого экспериментирования с идеями или формами, которые были бы неестественными или беспорядочными. Самые прекрасные греческие храмы являлись, по сути, воспроизведением в камне деревянных или каменных построек их микенских предшественников, но разница в архитектурном впечатлении поражает.

Люди, создававшие эти шедевры красоты, не являлись инженерами в нашем понимании этого слова. Греческий архитектон, в первую очередь являвшийся техническим служащим, отвечавшим за постройку общественного здания, нередко был также его проектировщиком. Если о нем можно судить по тому, что он строил, то нельзя не отдать должное его изобретательности. Архитектон трудился по контракту, как и многие сегодняшние инженеры. Когда городу-государству V века до н. э. требовалось новое здание, нанимались частные ремесленники, каменщики и скульпторы, которые приводили с собой помощников и учеников. Эти контрактники работали под надзором архитектона, который нес ответственность перед государством. Плата разных групп отличалась. Но не очень сильно. Архитектон получал примерно на треть больше, чем обычный каменщик.

Контракт обычно наносился на камень и помещался на место строительства. Он включал подробные спецификации, чтобы руководить рабочими и информировать общественность. Подобные камни находили в разных местах, но лучше всего сохранились надписи на строительстве арсенала в Пирее, порту Афин. Этот арсенал являлся постройкой длиной 44 фута, шириной 55 футов и высотой почти 40 футов. Он был построен в IV веке до н. э. под руководством Филона. Спецификации – технические условия – изложенные современным языком, заняли бы четыре печатные страницы. Они включали общие габариты и некоторые важные фиксированные размеры, такие как толщина стен, объемы определенных камней, ширина и высота окон. Более мелкие детали, которые мы видим на сегодняшних чертежах, не фиксировались. Архитектон и бригадиры рабочих держали такую информацию в памяти.

Греческий инженер не был выпускником специализированной технологической школы. В его время не было ничего похожего на техническое обучение в классе или лаборатории. Он обучался в процессе работы, проходя нелегкий период ученичества, получая знания от людей, которые аналогичным образом приобрели их до него. И если он уделял большее внимание художественной стороне своей работы, чем сегодняшний инженер, то, возможно, лишь потому, что ему не приходилось постоянно сверяться с бесконечными чертежами и спецификациями. Помимо того, он был греком, а значит, по натуре художником. Почти все его коллеги в той или иной степени разделяли его чувство пропорции и по достоинству ценили красоту, которую он всячески старался выразить. Как бы то ни было, факт остается фактом: греческий архитектон являлся художником, занимал высокое положение и пользовался уважением в обществе. Иктин и Калликрат, архитекторы Парфенона, были включены в группу философов, художников и государственных деятелей, которых Перикл, лидер афинян, собрал вокруг себя и с которыми любил вести нескончаемые беседы.

Греческая инженерия

Размеры Парфенона не рассчитывались с особой тщательностью, как размеры пирамид. Его инженеры использовали простые математические принципы, чтобы получить желаемую форму, но затем за дело брались художники. Инженеры так умело избегали жесткого применения этих принципов, что невозможно вывести точных математических пропорций. Колонны Парфенона сужаются слегка, но достаточно, чтобы фронтон не давил на них и они не казались приземистыми, как колонны минойского дворца. Широкие ступени, ведущие к Парфенону, не являются горизонтальными. Они имеют подъем от концов к центру. Выпуклость ослабляет оптическую иллюзию того, что горизонтальные линии на расстоянии кажутся несколько прогнувшимися под весом здания. Некоторые авторы утверждают, что строители специально этого не планировали; им просто повезло и так вышло случайно. Даже если так, удача вдохновляла художников. Подобные тонкости постоянно встречаются в греческой архитектуре, хотя нет никаких свидетельств того, что греческие инженеры обладали точными инструментами, необходимыми для достижения таких результатов.

Судя по многим постройкам, греческий архитектор выбирал в качестве основы всех пропорций единицу измерения, которой он мог легко манипулировать. Часто это был греческий фут, 11,6 нашего дюйма. Он делал основание колонны диаметром 2 или 3 единицы, высоту колонны до капители – 10 или 12 единиц, расстояние между колоннами – 5 или 6 и т. д. Таким образом, он обеспечивал пропорциональность всех размеров и мог продолжать работы без ежеминутной сверки со спецификациями или планами. Его каменщики, имевшие рейки, градуированные в единицах длины, легко воплощали пропорции в камне. Эти пропорции имели тенденцию быстро становиться жесткими и формальными, в соответствии со вкусами большинства известных мастеров. Применяя теорию к практике, греческие строители держались в пределах принятых размеренностей. При этом почти не было никакого экспериментирования с экстремальными архитектурными формами или умозрительных построений в части необычных инженерных принципов. Следующие четыре столетия греческие постройки развивались в направлении более тонких колонн и высоких зданий в границах всего трех архитектурных ордеров, да и те были тесно связаны между собой. Ко времени римлянина Витрувия, первого из инженеров-практиков, труды которого дошли до наших дней, в архитектуре и строительстве греко-римского, а значит, и всего цивилизованного мира господствовали дорический, ионический и коринфский ордер.

Механические операции греческих инженеров нагляднее всего представлены в работе с камнем. Они добывали известняк и мрамор, делая насечки вокруг камня и откалывая его с использованием деревянных клиньев, которые расширялись при намокании. На концах и по сторонам делались выступы для рычагов, чтобы облегчить спуск камня по мраморному склону к телегам, следы колес которых можно видеть до сих пор. Иногда колонну или блок упаковывали в деревянный барабан и катили его. Говорят, что этот метод изобрел Херсифрон, один из немногих зодчих первого храма Артемиды в Эфесе. Блок не подвергался чистовой обработке, пока не прибывал на место строительства, где в нем делали выемки для захвата и отверстия для металлических скоб, которыми связывали вместе смежные камни. Также готовились каналы для расплавленного свинца, который запечатывал крепление. В своих лучших постройках греки не использовали строительный раствор. Шкив или другой простой механизм, установленный на подмости из древесины, поднимал каменный блок на место. Для подъема использовалась мускульная сила рабочих. Окончательная обработка и шлифовка камня не делалась, пока не была возведена вся стена или колонна.

Греки использовали не только режущие инструменты, клинья, рычаги, наклонные плоскости, тележки и приспособления, полученные ими благодаря знакомству с египетской и минойской культурой, но также другие инструменты, судя по всему применявшиеся ими давно и свободно. Когда и откуда они получили деррики, компасы, угольники и линейки, неизвестно. Вероятно, некоторые из них являлись их собственным изобретением. Наибольший интерес представляет шкив. Надписи указывают, что нечто вроде шкива было у ассирийцев, но получили ли греки его непосредственно с Ближнего Востока, что возможно, или изобрели независимо, неясно. Также неясно, что они знали о силе при использовании полиспаста, изобретение которого впоследствии приписали Архимеду.

Один вклад греки все же внесли в строительство, хотя им могла подсказать это практика минойцев, – ставить деревянные поперечные балки в каменную кладку. Когда греки считали, что каменные балки не смогут выдержать нагрузку сверху, они использовали железо, имеющее большее сопротивление под растягивающим напряжением. Скрытыми коваными железными брусками усиливали конструкции для большей безопасности. Фундамент фиванской сокровищницы в Дельфах был укреплен горизонтальными железными брусками шириной 3¼ дюйма, толщиной 4 дюйма и длиной 41 фут. Перемычка подземной двери Эрехтейона в Афинах имела желоб вдоль нижней поверхности, в которую был вложен металлический брусок и запечатан свинцом. В храме в Бассах U-образные бруски в выемках мраморных балок поддерживали вес потолка. Железо было и в самом Парфеноне, прикрепленное к якорной консоли в стене для удержания тяжелых карнизов. Большинство этих элементов жесткости давно исчезли, съеденные ржавчиной, так что трудно осознать, что их использовали греческие строители. Витрувий, хотя и вел долгие и пространные рассуждения о греческой архитектуре и методах строительства, ничего не говорил об использовании ими металла для элементов жесткости. Преобладало мнение, что греки строили только из камня, земли и дерева. Однако сохранились пазы в камнях со следами ржавчины, доказывающие, что греки кое-что знали о проблемах напряжения под нагрузкой, а также о сжатии и находили железо полезным для их устранения. Греческие инженеры, очевидно, первыми совершили прорыв в укреплении каменной кладки с помощью железных элементов.

Они не достигли значимых успехов в других областях. Народ-мореплаватель, земля которого была разделена горами и морскими заливами на маленькие города-государства, яростно завидовавшие друг другу, греки не желали строить магистральные дороги и не испытывали в них необходимости. В любом случае они не делали попыток, как, например, горцы Перу, строить дороги, которые соединили бы их поселения, и не пытались улучшить дороги, построенные их предками в Кноссе и Микенах. Короткие дороги к святилищам, таким как Элевсин, или от каменоломни до причала морского порта, поддерживались ими в рабочем состоянии. Но нельзя утверждать, что напряженное движение поддерживалось на дорогах, где были выбиты желобки, чтобы колесо оставалось в колее, и где лишь изредка встречались разъезды. Но такие города, как Коринф, имели мощеные улицы и тротуары.

Один уникальный проект греческой инженерии действительно потребовал масштабного мощения. Речь идет о диолках – дорогах-волоках для перемещения судов через Коринфский перешеек, чтобы избежать путешествия длиной 450 миль вокруг Пелопоннеса. Участки от берега до берега протяженностью 4 мили были вымощены на ширину около 15 футов. На обоих концах мощеная дорога плавно уходила под воду, как современная морская железная дорога, делая возможной загрузку галер и легких судов, имевших по большей части вес до 100 тонн, на каталки с роликами, после чего люди или быки перемещали их через волок. Лебедки и блоки могли использоваться на крутых участках в концах. Греческие матросы имели большой опыт в подобных перемещениях. Хотя неоднократно предлагалось построить канал, и римский император Нерон даже начал такое строительство, прорубить его сквозь скалы оказалось слишком трудно и дорого. Лишь в 1893 году был построен современный судоходный канал в Коринфе.

За несколько веков до Рождества Христова на Средиземноморье появилось судно нового типа. Постоянный рост торговли вызвал необходимость создания судна для перевозки грузов. Ранние весельные суда были длинными, узкими и мелкими и не предназначенными для грузоперевозок. Поэтому инженеры разработали проект судна, имевшего большую осадку и ширину. Поскольку большая команда гребцов не являлась полезным активом – люди занимали много места, а продовольствие для них – еще больше, от всего этого было решено отказаться, и основным движителем стал парус. Средиземноморское торговое судно стало первым настоящим парусником. Между тем на таком судне был только один прямой парус, как на его египетских предшественниках, и, как и они, оно не могло плыть против ветра. Более того, для маневрирования на нем часто использовали весла, хотя специальной команды гребцов не было.

Греческие города, как и другие поселения в древности, имели общественные запасы воды. В большинстве случаев было относительно несложно прорыть каналы от источников в горах вниз к резервуарам в городе или рядом с ним. Из этих резервуаров по глиняным трубам вода подавалась к фонтанам или бассейнам, где ее брали люди. Однако на острове Самос, к примеру, можно видеть значительно более сложную систему водоснабжения, датированную VI веком до н. э., описанную еще Геродотом. Она была обнаружена в 1882 году. Инженер Евпалий из Мегары руководил строительством тоннеля в горе высотой почти 1000 футов и сооружением акведука длиной ⅗ мили и шириной почти 4 фута. Как это делается до сих пор, прокладка тоннеля началась с разных концов и велась к центру.

Контраст между новыми великолепными общественными зданиями в Афинах и старыми покосившимися хижинами из высушенного на солнце кирпича, которые веками бессистемно строились на кривых улочках, оскорблял чувство прекрасного, всегда жившее в душах греков, и вызывал желание изменить положение. И Гипподам из Милета, друг Перикла, стал пионером современного планового градостроительства. Это правда, что в Древнем Вавилоне с его потрясающей улицей Процессий застройка велась, во всяком случае частично, по плану. И есть по крайней мере один хеттский город, Зенджирли, построенный около 1300 года до н. э. и имевший четкий круглый контур. Тем не менее следует отдать должное грекам, впервые продемонстрировавшим настоящий дух местного сообщества. Если верить традиции, первенство в этом вопросе принадлежит Гипподаму. Аристотель считал его первым архитектоном, который задумал улицы и здания как единое гармоничное целое. Иным словами, он разработал план города, чертами которого стали широкие проспекты, пересекаемые улицами, образующими кварталы с жилыми домами, храмами, театрами, спортивными залами, стадионами, памятниками и открытыми площадями, расположенными так, чтобы было удобно жившим в городе людям.

Гипподам перестроил Пирей, порт Афин. Он построил план греческого колониального города Фурии в Южной Италии. Возможно, он также участвовал в строительстве Олинфа, афинской колонии на северном берегу Эгейского моря. При недавних раскопках там обнаружились частные дома в кварталах по десять. Их стены поднимаются по краю улицы. По мере расширения старых греческих городов их окрестности тоже создавались по планам, однако общее применение принципов Гипподама началось только в эллинистический период.

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.

Водоснабжение

Витрувий в I веке до н. э. превозносил цемент из пуццолана за твердость. Его не могли разрушить волны и растворить вода. Тогда зачем римляне построили из камня, а не из бетона волшебные арки, которые до сих пор ведут через Кампанью в направлении Рима, пересекают ущелья Испании, вздымают ярус за ярусом Пон-дю-Гар (рис. 4.2), в 160 футах над рекой в городе Ним, во Франции? Для того, кто знаком с бетоном и каменной кладкой, ответ очевиден. Все дело в том, что для формовки бетона нужны сложные формы, а для каменной кладки – только подмости. Римляне знали и использовали дюкеры, по которым вода текла через долины, следуя рельефу земной поверхности. Почему они не строили трубопроводы большого давления из пуццолана вместо акведуков? Можно сомневаться, точно ли знали римские инженеры, насколько прочен их бетон. Возможно, они сознавали его слабость. Он, конечно, мог выдерживать давление, но не слишком большое, и не был способен противостоять разрушающему воздействию воды под давлением. Даже у лучшего современного бетона небольшая прочность на разрыв. Его следует усиливать металлом. Римляне с таким усилением не были знакомы.

Трубопроводы под давлением они строили из свинца. Трубы обычно сгибали из четвертьдюймовых листов на сердечниках. Швы предположительно соединяли расплавленным припоем. Последовательные участки по длине соединялись аналогичным образом внахлест. Римляне знали железо, но не имели чугунных труб. Им были известны бронзовые трубы, но они не использовали их широко. С бронзой было легче работать, чем со свинцом, и, безусловно, процесс был более дорогостоящим. Но прочность бронзы была несравненно больше, да и о деньгах вопрос, наверное, не стоял, поскольку стоимость каменных акведуков была все равно больше.

Рис. 4.2. Самый высокий сохранившийся древнеримский акведук Пон-дю-Гар

Домициан, император в 81–96 годах, едва ли думал о расходах, когда велел построить водопровод к своему дворцу на Палатинском холме. Его свинцовая труба имела диаметр 1 фут и пересекала равнину в 133 футах под резервуаром, который питался из акведука Аква Клавдия. Давление в нижней части дюкера достигало 60 фунтов на квадратный дюйм. Аналогичный дюкер был в районе Алатри, примерно в 50 милях от города. Он был построен в 134 году до н. э. и опускался вниз по вертикали на 340 футов, а значит, давление воды в нижней точке достигало 150 фунтов на квадратный дюйм. Судя по всему, диаметр трубы был 3,9 дюйма (10 см), а толщина свинцового листа – 0,4 дюйма (10 мм). Использование пуццолана для трубопроводов под водой было проблемой не давления, а удобства. С трубами, особенно из гибкого свинца, намного легче обращаться под водой, чем с бетонными. Недавно большой отрезок трубы из свинца, диаметром 6 дюймов и больше, лежащей на дне Нижнего Рейна в районе Арля, возраст которой пятнадцать столетий, был извлечен на поверхность судовым якорем.

Рис. 4.3. Итальянский полуостров

Витрувий объяснил способы снижения давления в свинцовых и глиняных трубах с помощью частых резервуаров, ровных участков, вентеров (невысокий мост, чтобы нижняя часть U-образного сифона была более плоской для уменьшения перепада высот) и других замедляющих устройств. Но римляне строили арочные мосты высоко над долинами, делали глубокие прорези и тоннели через каменные хребты, чтобы сохранить гидравлический градиент. Возможности металлов при этом ограничены. Самая крупная свинцовая труба, о которой упоминал Витрувий, была примерно 100 дюймов в окружности, а средние размеры акведуков – около 3½ фута на 6 футов. Кроме того, было довольно сложно контролировать утечки в каналах, находящихся не под давлением. По примерным оценкам, до того, как вода достигала города, половина воды, поступающей в акведук, терялась из-за утечек или воровства. Возможно, последнее было бы легче контролировать при использовании сифонов, но ремонт проще в случае арочных акведуков. Кроме того, римляне понимали, что загрязнение воды опасно, хотя и не знали ничего о бактериологии. Витрувий наблюдал отравление людей, работавших со свинцом, и предостерегал от использования свинцовых труб, рекомендовав вместо них глиняные.

Гидравлические инженеры Рима видели свою задачу так: иметь постоянный равномерный поток воды. Этого они могли добиться с использованием низких дамб, фидерных каналов и резервуаров-отстойников у источников, расположенных в 100 футах над уровнем моря. Потом воду можно было направить медленно по водоводам под землей в резервуары, расположенные в городе на высоте 200 футов. Холмы, понижавшиеся в сторону Кампаньи, обеспечивали равномерный уклон для акведуков; в хребтах проделывались тоннели, над низкими долинами строились мосты. Таким образом, римские акведуки оказывались в 10 милях от города. Только тогда они располагались на высоких конструкциях, идущих через Кампанью. Эти величественные арки занимали едва ли восьмую часть общей протяженности системы водоснабжения. Из соображений экономии более новый акведук нередко добавлялся к старому. Арки Аква Клавдия, к примеру, несли Анио Новус (рис. 4.4) через Кампанью. Аква Тепула и Аква Юлия были уложены на аркаду Марция.

Рис. 4.4. Два римских акведука: Анио Новус, построенный на аркаде Аква Клавдия

Римские акведуки с великолепными аркадами были самым впечатляющим римским достижением в инженерии. Древнеримский политический деятель I века н. э. Секст Юлий Фронтин с гордостью писал об акведуках: «Разве можно сравнить каменные громады акведуков с бесполезными пирамидами Египта или другими прославленными, но праздными сооружениями греков?» Их копировали во многих других областях империи. Сорок или пятьдесят амбициозных провинциальных городов имели системы водоснабжения, построенные по римскому образцу. Акведуки Сеговии в Испании, Афин и Константинополя до сих пор используются. Замечательный пример – акведук, снабжавший в римские дни водой Карфаген. Семь миль его частично разрушенных, но не утративших своего величия арок являются примечательной чертой африканского ландшафта. Инженеры Лиона, столицы Римской Галлии, использовали комбинацию арочных акведуков и водоводов с обратными сифонами – дюкерами. Понижая уклон более чем наполовину, они уменьшили и высоту, и длину арочной конструкции. Затем они переместили воду вниз по склону, по мосту через Рону и вверх по другому склону по восемнадцати 8-дюймовым свинцовым трубам, уложенным рядом. Вместе они были намного прочнее, чем одна труба такого же диаметра и пропускной способности.

В Риме насчитывалось 11 акведуков длиной от 10 до 60 миль. Первый был построен в 312 году до н. э., последний – в 226 году, пятью веками позже. По четырем акведукам осуществлялось ¾ водоснабжения. Хершель подсчитал, что восемь акведуков во времена Фронтина, 97 год, доставляли 220 миллионов галлонов воды ежедневно, или 110–120 галлонов на душу населения. Сегодня в Нью-Йорке и современном Риме потребление на душу населения составляет около 130 галлонов. Мы не имеем возможности точно указать, какая часть воды предназначалась для промышленного использования, санитарии, питья, пожаротушения и т. д. Некоторые современные города, такие как Париж и ряд американских городов, имеют двойное водоснабжение. В Риме было три практически независимые службы. Ключевая вода переправлялась по акведукам Марция, Клавдия и Вирго из распределительных резервуаров в общественные фонтаны, откуда большинство римлян ежедневно носили воду в свои дома для питья и хозяйственных нужд. Но следует помнить, что римляне, как и современные европейцы, не использовали воду в своих домах так свободно, как американцы. Вода со взвешенными частицами по акведуку Анио Новус доставлялась в общественные бани, на мельницы и в прачечные, где стирались белые или серые тоги, отличавшие жителей Рима. Излишки воды из всех резервуаров текли по улицам и заполняли коллекторы ливневой канализации.

Для личного употребления воды было немного. Самые богатые горожане правдами или неправдами проводили трубы в свои дома. Власти, судя по всему, никогда не думали о продаже воды, хотя они давали право взимать плату за использование общественных туалетов и вывоз бытовых отходов для удобрений. Вода в Риме была бесплатной, часто она считалась даром императора или богатого горожанина, который использовал для ее обеспечения добычу, захваченную в войне. Акведук Аква Марция длиной 55 миль был построен в 144 году до н. э. на доходы от победы над Коринфом и Карфагеном. Его стоимость по современным оценкам составляет около 9 миллионов долларов.

Мосты

Поскольку каменные мосты с полукруглыми арками и многие короткие пролеты являются типично римскими, существует тенденция считать, что римские инженеры больше ничего не строили. Они действительно проявляли талант и опыт и удивительно удачно вписывали свои арки в окружающий пейзаж. Они построили семь мостов через Тибр из тесаного камня с одинаково низкими полукруглыми арками. Шесть из них стоят и сегодня, хотя была произведена масштабная реконструкция – почти перестройка. Римляне построили виадук длиной более 600 футов через каменистое ущелье в Нарни, что на Фламиниевой дороге. Самая длинная из его четырех арок имеет пролет 138 футов. Они построили еще одну арку с более длинным пролетом в Оренсе, Испания, и огромный мост – вероятно, ставший их рекордом – через реку Тахо в Алькантаре. Его высота 175 футов. В нем шесть арок, две центральные, имеющие пролет 118 футов каждая, поддерживают дорогу длиной 600 футов. Инженер, руководивший его строительством во времена императора Траяна, в 98 году, искренне верил, что его творение будет стоять вечно. Однажды мост был частично разрушен, но восстановлен, часто ремонтировался и до сих пор открыт для движения транспорта.

В менее населенных районах римляне строили мосты типа «спина мула». Так они экономили расходы на обустройство подходов и уклонялись от сооружения удерживающих стен. Дорога шла по склону самой арки, как в случае с мостом Марторель в Испании (рис. 4.5), который приписывается маврам, но известно, что он был перестроен на месте римского. Там, где реки неглубокие, как часто бывает в Англии и других местах, римские строители вообще не строили мосты. Они мостили брод большими камнями и устанавливали предохранительные ограждения из горизонтальных брусьев на сваях с обеих сторон.

Рис. 4.5. Мост через реку Льобрегат в муниципалитете Марторель, Каталония, Испания

Главная трудность, с которой римлянам пришлось столкнуться и которая не перестала тревожить инженеров и сегодня, – обеспечение мостов фундаментом, который может противостоять всем капризам течения. Иногда они пытались преодолеть эту трудность исключительно весом кладки. Но только тяжелые опоры и арки с коротким пролетом, по сути, перегораживали поток, существенно увеличивая скорость течения вокруг опор. Как объяснил Витрувий, было недостаточно устраивать крепление из каменной наброски вокруг фундамента, потому что течение промывало отверстия ниже и подтачивало тяжелую конструкцию. По той или иной причине римские инженеры зачастую не беспокоились о создании адекватного фундамента, но, когда они это делали, старались проникнуть под самое капризное течение, даже если им приходилось докопаться до подстилающей породы. Один способ – забить сваи с железным наконечником, расположенные вплотную друг к другу, вокруг места, где должна стоять опора. Механизм, который они для этого использовали, не был подробно описан, но, вероятнее всего, это была обычная машина для забивки свай – тяжелый груз, поднятый лебедкой внутри поддерживающей рамы. Материал между сваями выбирался до твердого основания. После этого строили опору из пуццолана.

Рис. 4.6. Мост Фабричо (справа), построенный в 62 г. до н. э. и до сих пор стоящий, Рим

Если глубина была слишком велика для этого метода, римляне, вероятнее всего, окружали нужный участок крепью из свай, переплетенных ивовыми прутьями, сделанной водонепроницаемой с помощью глины – если пуццолан оказывался недоступным. Потом пространство внутри крепи осушалось с помощью водяных колес или винтов, и устраивалась прочная сухая кладка из тесаного камня – прямо на каменистом основании или на сваях, забитых в дно намного ниже уровня воды. Считается, что свайные основания моста Элия (ныне мост Святого Ангела) построены именно таким образом, поскольку они уходят более чем на 16 метров под Тибр. Однако, если судить по числу римских мостов, снесенных наводнениями, римские инженеры нечасто прибегали к столь трудоемким и дорогостоящим процедурам. Мост Фабричо, возведенный в 62 году до н. э., стоит до наших дней.

Мост Юлия Цезаря (рис. 4.7), построенный через Рейн в 55 году до н. э. в районе Мозеля и дальше – у Бонна, хорошо известен школьникам из-за причиняющей большое беспокойство латыни, которой он его описал. Инженеры Цезаря завершили строительство за десять дней после того, как собрали все материалы на берегу. Он имел длину ¼ мили, был построен на древесине, уложенной на сваи, забитые пучками на расстоянии 25 футов. Как крепилась древесина – не сказано в книге IV его «Записок». Цезарь, должно быть, очень спешил, иначе построил бы более прочную конструкцию. Между прочим, всего лишь через восемнадцать дней он приказал уничтожить мост. Более поздние римские мосты через Рейн тоже были из дерева. Никаких арочных камней не было обнаружено в их развалинах в Майнце, Треве или Кёльне. Дерево укладывалось на массивные опоры из каменных блоков, скрепленных между собой скобами и запечатанных свинцом. Опоры были установлены на пучках из 150–200 свай, забитых глубоко. Те, что в Кёльне, пришлось взрывать, чтобы извлечь из дна реки. Инженеры Константина построили мост в 310 году.

Рис. 4.7. Мост Цезаря через Рейн, построенный и уничтоженный в 55 г. до н. э.

Мост через Дунай возле Железных Ворот был самым претенциозным из всех римских мостов. По крайней мере, таковым его мнил Траян, поскольку велел изобразить его в барельефе на колонне в Риме в честь достижений императора. Он был построен в 104 году греком Аполлодором из Дамаска, который был самым прославленным инженером империи после Витрувия и Фронтина. Его портрет дошел до нас, вырезанный на колонне Траяна. О его творении нам известно лишь то, что изображено на колонне, а также из редких ссылок современных историков и рассказов о фундаментах опор, до сих пор видных в воде.

Рис. 4.8. Мост Аполлодора через Дунай на колонне Траяна

Мост имел длину около 3720 футов и ширину 40–50 футов. В нем 21 пролет размером 120 футов, или 177 футов от центра до центра опор. Представляется вероятным, что Аполлодор создал в середине реки большой искусственный остров, чтобы облегчить перегрузку материалов. Он построил фундаменты из трещиноватого камня, удерживаемого водонепроницаемой крепью, и поднял опоры высотой больше 60 футов. Можно было ожидать, что они построены из колотого камня, но в реке не было найдено никаких следов такой кладки. Как бы ни были построены опоры, очевидно, что их соединяли деревянные арки, поскольку это показано на колонне Траяна. Аполлодор выполнил работу всего за два или три сезона – удивительное достижение, даже если в его распоряжении для этого была вся армия. Как или почему мост Аполлодора через Дунай был разрушен, неизвестно. По одной версии, преемник Траяна Адриан приказал его разрушить, чтобы варвары не могли перейти по нему в империю.

Дороги

Римские дороги известны по праву. Римские государственные деятели рано поняли, что хорошая связь жизненно необходима для экспансии, управления, обороны и даже повседневной жизни государства. Они переняли навыки дорожного строительства у своих соседей этрусков, позаимствовали идеи у карфагенян и усовершенствовали их все. На вершине власти Рим имел транспортные артерии, протянувшиеся до самых дальних провинций и соединявшиеся со второстепенными дорогами. Вместе они составляли хорошо спланированную разветвленную дорожную систему протяженностью около 50 000 миль. Наличие такой дорожной сети позволяло быстро перемещать легионы с одной границы на другую, ускоряло и удешевляло передвижение путешественников и доставку грузов. Наряду с контролем Средиземноморья после того, как рухнуло морское господство Карфагена, эта система позволила создать империю, которую иначе создать было невозможно – или, по крайней мере, намного труднее, и уж точно ее нельзя было удержать. Без дорог город Рим вряд ли стал бы и остался метрополией.

Между тем многие рассказы о римских дорогах стали легендами, граничащими с абсурдом. Римские инженеры, разумеется, тратили меньше сил и энергии на строительство горной тропы, чем на Аппиеву дорогу – королеву длинных дорог, начатую Аппием Клавдием в 312 году до н. э. Идущая на юг и восток к Бриндизи на Адриатическом море, она стала транспортной артерией для перевозок и путешественников в Грецию, Египет, Левант, на восток и обратно. Инженеры в наше время классифицируют дороги по их предполагаемому использованию и строят их соответственно, так же поступали и римляне. Двенадцать таблиц Древнего Рима, датированные 450 годом до н. э. (самый ранний римский законодательный кодекс), официально классифицировали дороги по ширине: semita – узкая проселочная, предназначенная для пешеходов, шириной всего 1 фут; iter – для всадников и пешеходов, шириной 3 фута. Дорога, имевшая название actus, – для проезда одного экипажа – имела ширину 4 фута, а двухрядная via – 8 футов. Позднее эти размеры утратили свое значение. Самыми широкими из имперских дорог были крайне дорогостоящие Аппиева дорога и Фламиниева дорога. По Фламиниевой дороге шло движение за Альпы или вокруг головной части Адриатики в балканские регионы и далекую Византию (Стамбул). Менее важными, узкими и дешевыми были гравийные дороги в Альпах, дороги из булыжника, уложенного в землю, вдоль германской границы, и поверхности, отвержденные пеплом из расположенных по соседству литейных мастерских.

На всех важных дорогах, будь они в Италии, Африке, Англии или в других местах, определенные инженерные практики считались стандартными, независимо от того, какие местные материалы использовались при их строительстве. Земляное полотно осушалось дренажными канавами и штольнями, чтобы оставалось твердым. Дорожное полотно поднималось вверх и имело выгнутую форму, чтобы с него стекала дождевая вода. Римские дороги почти всегда были толстыми, а современные редко бывают толще 1½ фута. Некоторые римские дороги имели толщину 3–8 футов и состояли из 4–5 слоев. Там было 2-футовое основание из каменных плит, уложенных в раствор на земляное полотно и выровненное песком. Над этим располагался второй 9-дюймовый слой из щебня, смешанного с раствором и утрамбованного. Третий слой, тоже толщиной 9 дюймов, состоял из бетона с мелким гравием, и четвертый слой состоял из твердых каменных 2- или 3-футовых блоков толщиной около 5 дюймов, уложенных вплотную. Участки Аппиевой дороги (рис. 4.9) были построены именно так. Также существовали боковые дорожки шириной от 1½ до 8 футов, отделенные от главной транспортной артерии возвышением (бордюрным камнем) высотой 18 дюймов. Вдоль отдельных участков дороги стояли украшенные мильные столбы, гробницы и памятники.

Более дешевая дорога в Англии имела 5-дюймовый нижний слой из булыжника, 18-дюймовый слой смеси мягкого известняка, песка и земли, другой 18-дюймовый слой утрамбованной земли и верхний слой из каменных глыб и щебня. Еще одна дорога в Лондоне имела слой бетона с гравием толщиной 7½ фута, уложенный между удерживающими каменными стенами, поверх – белые глиняные плитки. Дорога через болото устраивалась на 4-футовых сваях, на которые последовательно укладывались слои кремня, известняка, гравия и земли, каменные плиты и мелкий гравий. Общая толщина – около 10 футов, хотя изначально могло быть меньше. Уотлинг-стрит, самая известная римская дорога в Англии, шла из Дувра через Кентербери к переправе через Темзу возле Лондона, оттуда, возможно, в Честер и далее на север, в Ланкастер и за его пределы. Ее конструкция по всей длине не была одинаковой. Некоторые части этой дороги недавно были раскопаны в Лондоне.

Рис. 4.9. Вдоль Аппиевой дороги в 1912 г.

О прямоте римских дорог говорят слишком много. Они выглядят прямыми на карте, хотя в действительности идут в одном направлении, не являясь идеально прямыми. Грома – инструмент, использованный римскими инженерами, не приспособлен для землемерной съемки на больших расстояниях. На самом деле они, вероятно, спрямляли свои дороги не с помощью специальных инструментов, а глядя вдоль ряда прямых реек или используя дымовой сигнал, заметный над встретившейся на пути возвышенностью. Даже если так, некоторые римские дороги в Англии не отклоняются от прямой линии больше чем на четверть или половину мили на протяжении 20 или 30 миль. Дорожные строители Рима допускали более крутые уклоны, чем сегодня, иногда достигая градиента в 1 фут на 5, или 20 процентов. Прорези в скалах часто очень глубокие. Есть запись о 117-футовой врезке в мраморную скалу на Аппиевой дороге возле Террачино. Такие прорези, вероятно, делались вручную, поскольку римляне не знали взрывчатки. Возможно, они расщепляли камень нагреванием с последующим резким охлаждением водой. Иногда они прокладывали тоннели через горные хребты. Тоннель Фурло на Фламиниевой дороге в Апеннинах имел длину 984 фута. Если строители чувствовали необходимость повысить уклон, независимо от длины, они делали это без колебаний. Насыпь через понтийские болота, что недалеко от Рима, протянулась на 18 миль.

Знаменитые римские дороги следует оценивать по адекватному выполнению ими функций, для которых они строились. Нет никаких сомнений в том, что в свое время они были в высшей степени эффективны. А в некоторых отношениях их достоинства вне времени. Римские viae строились надолго и выдержали испытание временем. На некоторых участках Аппиевой дороги изначальное дорожное полотно продолжало работать и в конце XIX века. Если верить римским рассказам, оно было не больше изношено, чем через 30 лет после его укладки. Поэт Гораций упомянул о своем путешествии из Рима в Бриндизи по Аппиевой дороге.

Хотя римские дороги были построены на века, им не хватало гладкости армированного бетона и упругости щебня XIX века. Их инженеры использовали щебень и, возможно, дорожные катки. Им был знаком природный асфальт, и они знали, как вавилоняне строили с его помощью. Но они не совмещали асфальт со щебнем. Этот лучший тип дорожной поверхности не использовался еще много веков. Римляне знали, что из их пуццолана получается превосходный цемент, но они никогда не наливали его в формы, чтобы изготовить плиты для дорожного строительства. Да и мысль о соединении металла и бетона для придания ему большей прочности, вероятно, их не привлекала, хотя греки укрепляли каменные кладки железными прутками. Если провести сравнение с современными дорогами, будет справедливо уподобить самые важные римские viae с мостовыми из гранитных блоков на некоторых наших городских улицах.

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.

Добыча полезных ископаемых и металлургия

Римляне активно искали полезные ископаемые и были практически так же примитивны в своих методах добычи, как и другие народы древности. Но в 50 году до н. э. их сенат ограничил разработку месторождений в Италии. Плиний Старший заявил, что в стране изобилие металлов. По его словам, сенат предпринял это действо, чтобы сохранить полезные ископаемые Италии. Более поздние историки с ним не согласились, посчитав, что в основу этого решения положены сложные военные и политические причины.

Римляне часто оставляли завоеванные территории местным жителям, обязав их платить дань, но месторождения – никогда. Даже будучи общественной собственностью и отданные в аренду пришельцам поля плодоносили и для местного населения, и для римлян. Но с полезными ископаемыми все было иначе. Республика присвоила себе практически все минералы: те, что принадлежали бывшим правителям, – по праву победителей, те, что находились в частном владении, – посредством конфискации или принуждения к продаже. И преемники республиканцев, императоры, отождествлявшие себя с государством, поступали так же, в первую очередь думая о личном обогащении, а уж потом об общественном благе.

Независимо от изменения титула и уровня дохода, римские власти, республиканцы и императоры, не сомневались, что природные ресурсы – монополия государства и должны разрабатываться государством для себя. Так оно в целом и было, хотя некоторые месторождения не самых ценных металлов оставались в частном владении или позже, после упадка республики, были отданы в собственность семействам фаворитов-патрициев, которые аккумулировали огромные состояния, якобы работая на государство. Едва ли можно было ожидать от этих, по сути, мародеров обеспечения прогресса и охраны рабского труда – разве что проводилось минимальное содержание и техническое обслуживание. Владельцы месторождения стремились как можно скорее и дешевле извлечь металл из земли. Человеческая жизнь практически ничего не значила для римлян, тем более когда речь шла о рабах, трудившихся в шахтах. Понятно, что они использовали водяные винты и барабаны для очистки галерей и штолен, но они должны были работать постоянно, чтобы разработка не была затоплена и сами рабочие не утонули.

Нет никаких сомнений в том, что в Риме были опытные и умелые металлурги. Это наглядно показывает их продукция, которая сейчас хранится в разных музеях мира. Но нет никакой современной литературы, описывающей методы их работ и формулы. Такие технические сведения передавались только устно от поколения к поколению мастеров. Практически все сведения получены на основе исследования образцов готовой продукции. Римляне творили волшебство из металла, но как они это делали – никто не знает. По-видимому, не было налажено сотрудничество между теми, кто писал, и теми, кто работал с металлом, по крайней мере до того, как монах Феофил около 1050 года написал трактат о металлургии – руководство для рабочих. Плиний Старший попытался сообщить некоторую информацию в «Естественной истории», завершенной в 77 году, но его наблюдениям не хватало как технических знаний, так и практического опыта. Его теория относительно вреда меди в железе просуществовала до недавнего времени, хотя сейчас медь успешно используется в стали там, где необходимо повышенное сопротивление коррозии. Витрувий также писал о металлах, особенно об использовании свинца для изготовления труб, но его вклад в наши знания о римской металлургии ничтожен в сравнении с его информацией об архитектуре и машинах.

Византийская инженерия

Представляется очевидным, что инженерное искусство вошло в новую стадию повышенного интереса к себе и практической важности, когда лидерство в западном мире в VI веке переместилось от Рима к Константинополю. Стены византийской столицы, поднимающиеся ряд за рядом на высоту свыше 40 футов, – одна из европейских достопримечательностей. В течение тысячелетия они успешно отражали нашествия варваров. Во многих местах их толщина достигает 14 футов, при этом сердцевина делалась из бетона. Прочная каменная кладка не требовала особой облицовки и на отдельных участках покрыта обычными кирпичами. Однако в самых уязвимых местах имелись тесаные камни, скрепленные железными скобами. В дополнение к этим фортификационным сооружениям в разные времена через бухту Золотой Рог были протянуты тяжелые железные цепи. Части цепи, которая использовалась в 1453 году, когда город в конце концов сдался туркам, до сих пор можно увидеть в церкви Святой Ирины в Стамбуле.

Для организации водоснабжения инженеры Константинополя копировали римские работы. Их наиболее впечатляющие творения – акведук, названный в честь Юстиниана, хотя он, вероятнее всего, был построен двумя веками раньше при Константине и после этого перестраивался. Константинопольские инженеры продемонстрировали свое мастерство при создании подземных резервуаров внутри городских стен. Историк Прокопий описал, как император Юстиниан велел вырыть котлован на очень большую глубину – до скальной породы, чтобы обеспечить запасы воды на сухой сезон и на случай осады. Украшенная цистерна, известная как 1001 колонна, располагается на глубине 50 футов ниже уровня земли и вмещает более 9 миллионов галлонов воды. Остатки другой цистерны, названной подземным дворцом, имеют 336 колонн в 28 рядах.

Рассказ Прокопия, датируемый примерно 560 годом, является одним из самых ранних описаний инженерии, практиковавшейся в течение многих веков. У Юстиниана была защищенная гавань там, где раньше не было ничего. Его инженеры опустили на дно огромные срубы, или ряжи, а поверх – тяжелые камни, расположив все это в виде сходящихся линий, протянувшихся с берега. На этих основаниях – кессонах – строились волноломы из грубо обработанных камней. Метод был, по сути, тем же, что использовали инженеры Клавдия в Остии пятью веками раньше.

Дамба в районе византийского города Дара на персидской границе была намного важнее, поскольку демонстрировала отход от установившихся инженерных практик. Подобный тип можно видеть в каньонах запада Соединенных Штатов. Хрис из Александрии, один из инженеров Юстиниана, соединил концы дамбы в Даре со скалами и повернул ее вверх по течению полумесяцем или аркой, так чтобы давление воды шло горизонтально вдоль арки к краям. Ворота плотины на верхнем и нижнем уровнях давали возможность сбрасывать излишки воды. Как эти ворота открывались и закрывались, Прокопий не объяснил. Он счел более важным сообщить, что, когда Хрис услышал новость о катастрофическом наводнении в Даре, он отправился спать, крайне огорченный, и видел сон. Результатом стал план, чудесным образом совпавший с тем, что пришел в голову императору, безусловно вдохновленному свыше. Инженерам Анфимию и Исидору оставалось только скромно замолчать, поскольку Бог стал партнером императора во всех делах, которые приносили пользу государству, и план Юстиниана и Хриса был принят.

Рис. 4.16. Структура собора Святой Софии, Стамбул

Анфимий из Тралл, что в Лидии, и Исидор из Милета оставили видный след в истории реконструкцией церкви Святой Софии, точнее, Хагия София, церкви Божественной мудрости (рис. 4.16). Реконструкция началась в 532 году по распоряжению императора Юстиниана. Как и Архимед, Анфимий был математик и опытный экспериментатор в области механики и оптики. Он описал, как Архимед сжег корабли с помощью системы зеркал, и, как утверждают, изучал параболу. Традиционно считается, что он открыл использование пороха. До нас дошли только отдельные фрагменты его трудов. Об Исидоре известно лишь то, что он был известным математиком, а также коллегой и преемником Анфимия в реконструкции собора Святой Софии.

Византийские инженеры расширили и развили принцип арки. Речь идет о фиксации напряжений от более или менее постоянной нагрузки с тем, чтобы распределить по отдельным точкам опоры, между которыми останется свободное пространство. Византийская конструкция, ушедшая далеко вперед по сравнению с трудами египтян, греков и римлян, состояла из купола или полой полусферы, опиравшейся на углы квадратной башни, диагонали которой равнялись диаметру основания купола. Части купола, которые иначе должны были свисать, переходили в плоскости боковых стен башни, образуя полукруглые арки и оставляя над каждым углом башни перевернутый сферический треугольник, известный в архитектуре как тромп купола, который передавал вес купола и того, что на нем располагалось, башне и далее фундаменту. В некоторых случаях вертикальный цилиндр, находившийся на главном куполе, венчал меньший.

Основываясь на этих принципах, Анфимий, Исидор и их коллеги возвели конструкцию, считающуюся одним из величайших творений человеческого гения. Она стоит на каменном основании, и ее сложнейшая крыша поддерживается на высоте 180 футов над землей четырьмя арками с пролетом 100 футов и колоннами толщиной 25 футов. Святая София простояла более четырнадцати столетий. Нам неизвестен точный состав раствора, который использовался в этом сооружении, так же как и, вероятно, в других постройках этого периода. Георгий Кодинос, известный автор XIV–XV веков, утверждал, что раствор состоит из битой черепицы, вареного ячменя, извести и рубленой коры ильма. Чтобы замедлить его схватывание, использовалась тепловатая вода. Он утверждает, что в конечном счете раствор стал твердым, словно железо. Не исключено, что ему можно верить, потому что автор, как известно, имел доступ к древним манускриптам. Очевидно, никому не пришло в голову провести современные испытания прочности раствора из Святой Софии на разрыв.

Глава 5
Революция в энергетике

Линн Уайт в ставшей теперь классической статье «Технологии и изобретения в Средние века» писал: «Главным достижением Средневековья были не его соборы, не его этика или схоластика, а построение впервые в истории сложной цивилизации, не основанной на применении тяжелого труда рабов или кули». Средневековая энергетическая революция определенно является одним из ярких и важных событий в истории. Тем не менее столетия, последовавшие за упадком Римской империи, часто называют на западе Темными веками, и многие полагают, что никого, кроме церковнослужителей, не интересовали проблемы улучшения условий жизни людей в это время. Однако все же были инженеры, успешно применявшие свои знания, чтобы удовлетворить потребности современников. Они занимались изобретательской деятельностью, делали важные открытия. Было бы ошибкой считать, что западная цивилизация в эти времена вернулась к примитивным условиям, предшествовавшим даже шумерам и египтянам, поскольку, когда римские границы ослабели, Западную Европу захлестнули волны кочевников. На самом деле варвары принесли с собой многие новые знания и внесли весомый вклад в развитие западной цивилизации. Варвары доставили не только такие инженерные инновации, как компактный дом и высокий деревянный шпиль, но также показали нам такие вещи, как штаны, масло и мыло.

Цивилизация, которой варвары отдали свои знания и опыт, унаследовала в основном традиции греко-римского мира. Понятно, что, если речь идет о науке и технологии, христианский Запад придерживался римских традиций, которые предпочитали инженерию, а не чистую науку. Зато ислам унаследовал и поддерживал в Средние века греческую науку и технологии. На Западе практически не было научной деятельности до XII–XIII веков, когда западные ученые стали переводить арабские научные труды на латынь. Мусульмане перевели большинство греческих научных книг на арабский язык пятью веками раньше. Таким образом, две разные традиции, возникшие с подъемом римлян в классической древности, продолжались раздельно приблизительно до XIII века. Когда латинский Запад начал принимать греческие научные знания, которые мусульмане передали и дополнили, две традиции начали сливаться.

Большое значение для стимулирования развития источников энергии, не связанных с человеком, имели упадок института рабства и продолжающийся рост христианства. Как указал Линн Уайт, история средневековой технологии в определенной степени является историей религии. Христианский идеал вечной ценности человека и соответствующее нежелание заставлять людей выполнять работу, не требующую ни интеллекта, ни проницательности, были среди главных факторов, которые спровоцировали эволюцию механической энергии как замену человеческим мускулам. Не будет преувеличением утверждать, что христианская этика частично обусловила подъем энергетики. Вместе с тем именно энергетика сделала возможной более масштабную реализацию христианских идеалов и внесла большой вклад в развитие человеческого достоинства и свободы на Западе.

Средневековые инженеры, конечно, не ограничивали себя только энергетикой. На самом деле они продвинули многие формы римской инженерии, с такими исключениями, как бетонные конструкции и дорожное строительство. Важные успехи были достигнуты в строительстве зданий, мостов и каналов. Также были сделаны некоторые муниципальные усовершенствования. Тем не менее только новая энергетика впервые в человеческой истории начала освобождать людей, прежде бывших главными источниками энергии. Именно она была ответственна за перемены в образе жизни человека, начавшиеся в Средние века.

Энергия

Вода, ветер и сила животных стали главными источниками энергии, не связанными с мускульной силой человека, которые развивали средневековые инженеры. Новые движущие силы использовались для эксплуатации новых типов машин, изобретенных в Средние века. Современное машиностроение в большой степени произошло от примитивной ручной мельницы, сделанной из двух жерновов – один вращался на другом, которые приводились в движение вручную. Витрувий объяснил, как появились передаточные механизмы из штырей и углублений, так чтобы движение могло передаваться под любым углом относительно вращающейся оси. Некто в высшей степени изобретательный придумал коленчатый рычаг для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Коленчатый рычаг – кривошип – определенно использовался около 850 года, поскольку его изображение упомянуто в Утрехтском псалтыре (рис. 5.1). Водяное колесо, вероятно, было изобретено в I веке до н. э., и аналогичные приспособления, которые называли норвежскими мельницами, были широко распространены в Северной Европе. Есть свидетельство существования ранней водяной мельницы в Индии. Горизонтальные колеса с вертикальными осями не могли быть эффективными, если только не поместить их на границу течения или в водоворот. Но когда появились передаточные механизмы и колеса начали устанавливать в потоке воды вертикально, под прямым углом к оси жернова, широкое распространение получило вертикальное водяное колесо с горизонтальной осью.

Римляне познакомили разные регионы Европы с вертикальным водяным колесом в последние века империи. Поэт Авсоний писал о нем в IV веке, утверждая, что оно шумно мелет зерно и пилит камни на реке Рур, притоке Мозеля в Германии. Колеса часто крепили к баржам, стоящим на якоре на реках, как в классическом примере, когда Велизарий в 537 году защищал Рим от готов. К XI веку водяные мельницы уже широко применялись для разных целей. Они мололи муку, двигали кузнечные меха, приводили в действие пилы, использовались в сукновальных машинах, для производства бумаги, для нагнетания воды (рис. 5.2). Они работали в соляных шахтах, в пивоварнях, на фабриках.

Рис. 5.1. Самое раннее известное изображение коленного рычага для обеспечения вращательного движения, около 850 г.

В английской Книге Судного дня, датированной 1086 годом, сообщается о нескольких тысячах водяных колес разных типов, использованных на острове, которые обслуживали население, насчитывающее около 2 миллионов человек. Такие колеса часто устанавливали под мостами, чтобы использовать преимущества более быстрого течения там, однако вибрация разрушала мосты. Мост Нотр-Дам в Париже, построенный из дерева в 1413 году, по этой причине был полностью перестроен в 1440 году. Колесо также было приспособлено для использования течения под Лондонским мостом.

Рис. 5.2. Трехступенчатый насос в шахте рудника, приводимый в движение подливным колесом

Неизвестно, когда кому-то пришло в голову использовать энергию падающей воды, а не течения. Поток энергии может быть постоянным, пока остается постоянным напор воды, которая льется на жернов. В главе 4 упоминается о римском колесе в афинской Агоре, в котором использовалась энергия падающей воды, однако нет никаких указаний на то, что этот тип более или менее широко распространялся до XIV века. Хотя Бирингуччо довольно подробно описывает разные приспособления, используемые в металлургии, он говорит только о «водяных колесах» и считает само собой разумеющимся, что читатели знают, о чем идет речь. В 1556 году Агрикола изобразил верхненаливное водяное колесо (рис. 5.3). Грубые наброски такого колеса периодически появлялись на протяжении XIV века, а значит, люди постепенно оценили его превосходные качества. Водонепроницаемые дамбы и каналы для мельничных потоков было трудно строить и очень дорого обслуживать. Кроме того, население зачастую выступало против, особенно в Англии. Людям не нравилось, что общественные реки запруживаются частными дамбами. Свобода от подобного вмешательства и общий свободный доступ к рекам Англии был определен в Великой хартии вольностей. Подливные колеса

Рис. 5.3. Реверсивное верхненаливное колесо для подъема материала из рудника

в боковой части реки не мешали движению и часто являлись общественной собственностью, поэтому им отдавалось предпочтение. Тем не менее верхненаливные колеса обеспечивали большую энергию и потому мало-помалу вытеснили подливные.

Вторым важным источником энергии, который можно было использовать, являлся ветер. Первые ветряные мельницы в Европе появились в конце XII века. Самые ранние из них имели горизонтальные оси с вертикальными крыльями и, в силу необходимости, были очень маленькими, потому что вся мельница должна была поворачиваться, чтобы поместить крылья против ветра. К XV веку инженеры создали мельницы с наклонными осями и крыльями, установленными так, чтобы эффективнее улавливать ветер. В конце XV века появились так называемые башенные мельницы (рис. 5.4), что дало возможность строить мельницы больших размеров, ведь для перемещения крыльев достаточно было двигать только подвижный верх постройки. Как и водяные колеса, ветряные мельницы приводили в движение разные типы машин, и они были особенно популярны, а наибольшее распространение получили на равнинах северо-запада Европы, где не так уж много водопадов или быстротекущих рек. Ветряные мельницы избавляли от необходимости строить дорогостоящие дамбы для верхненаливных водяных колес.

Другим важным прорывом в использовании энергии ветра стало изобретение рангоута и такелажа для парусных судов, что позволило им менять направление по отношению к ветру, тем самым сделав суда независимыми от направления ветра и мускульной силы гребцов. В самом начале нашей эры жители Северной Европы строили суда с прямыми парусами, что позволяло им в какой-то степени плыть против ветра. Они имели возможность менять галс, потому что ставили мачты ближе к корме, чем средиземноморские судостроители, и команда могла повернуть парус почти вдоль диаметральной плоскости судна. Парусное вооружение совершенствовалось в период Средневековья, и, когда Вильгельм Завоеватель в 1066 году пересек Английский канал, он плыл на судах с прямыми парусами, которые не требовали наличия гребцов.

Рис. 5.4. Ветряная мельница и цепной насос XVII в.

(из Strada, Kunstliche Abriss, 1617–1618)

Пока эти усовершенствования шли в Северной Европе, на Средиземноморье появились косые паруса. Треугольный латинский парус возник в Юго-Западной Азии, откуда его принесли мусульмане во время завоеваний VII века. Греческие суда использовали латинский парус в IX веке, а суда итальянских городов – в XI. Когда на средиземноморских судах появились латинские паруса, весла им больше не потребовались. После XII века латинское парусное вооружение начало использоваться по всей Европе. В XV веке треугольный парус объединили с северным прямым парусом, и такая комбинация парусов позволила великим авантюристам того времени в конце XV и начале XVI века совершать грандиозные географические открытия. Новое парусное вооружение увеличило расстояние, которое может пройти судно, существенно снизив численность команд, более чем в два раза увеличив скорость и освободив людей от тяжелейшего труда – гребли.

Третьим новым источником энергии стала лошадь. В древности лошадь была самой неэффективной тягловой силой, поскольку ярмо, тогда использовавшееся, при увеличении усилия душило животное. Более того, без прибитых гвоздями подков лошадь нередко ломала копыта и становилась бесполезной. К X веку люди изобрели хомут, который опирался на плечи лошади и не душил ее. Также появилась подкова и двойная упряжь, позволявшая тащить груз нескольким лошадям. Лошадь быстрее и эффективнее быка, поэтому постепенно стала бесценным источником энергии в сельском хозяйстве и для приведения в действие машин.

Водяные колеса, ветряные мельницы, паруса и лошади были первыми «первичными двигателями», заменившими человека в качестве источника энергии. После изобретения в конце XV века башенной ветряной мельницы больше не было важных открытий в этой области до появления паровой машины.

Строители и постройки

Начиная с эпохи Средневековья и до появления мостов, предназначенных для тяжелых нагрузок, в начале XIX века, главные инновации в строительстве появлялись в процессе сооружения монументальных церквей. Интересные открытия в Средние века, разумеется, совершались и в гражданском строительстве, но удивительная эволюция строительной инженерии церквей представляется наиболее важной. В этот период сформировалось два архитектурных стиля – романский и готический. Оба они ставили задачи, решения которых оказывались шагом вперед.

Особые требования христианского поклонения обусловливали конструктивные особенности церквей – дополнительный объем у алтарей для апсид и ризниц. Первым важным примером христианской архитектуры стал собор Святого Петра в Риме, освященный в 326 году. Являясь, по сути своей, базиликой старого греко-римского стиля, окруженный колоннами неф храма Святого Петра был вдвое шире, чем в готических соборах спустя тысячелетие, однако почти той же длины и высоты. Обычно он имел деревянную стропильную крышу. В плане он был выполнен в форме буквы Т, имел открытый поперечный неф, который тянулся по обе стороны алтаря, а позади него – полукруглую апсиду. Появление сводчатого крестообразного в плане помещения в трансепте привело к стилю Святой Софии. На Западе, однако, добавление высокого шпиля к традиционной христианской базилике создало первую типично средневековую церковь. Башня не была римским или восточным вкладом, она пришла с севера Европы.

Большим недостатком базилик с деревянной крышей и башней была уязвимость перед огнем. Очевидно, именно из-за постоянных разрушительных пожаров – или случайных, или намеренных – инженеры в VIII веке начали строить церкви с огнеупорными каменными сводами и перестраивать старые. Поскольку эта «первая романская архитектура» появилась в регионах, где еще уцелели римские сводчатые постройки, представляется вероятным, что римское строительство повлияло на развитие нового стиля. В ранних романских церквях только относительно узкие пролеты были сводчатыми, потому что тонкие колонны нефа не могли поддерживать тяжелые каменные своды. Со временем, когда колонны стали прочнее, весь неф стал сводчатым. Сначала своды нефа и проходов были бочарными, но вскоре инженеры придумали крестовые своды, которые являются пересечением двух бочарных сводов под прямыми углами. В XI веке крестообразный план церквей стал вытеснять Т-образный, использовавшийся с IV века. Куполы и своды появились вскоре после принятия крестообразного плана. Широкие своды в некоторых купольных церквях стали настоящим триумфом средневековой инженерии.

Эволюция, описанная в предыдущих параграфах, является по большей части заслугой римских строителей. Только в XI веке, когда средневековые инженеры изобрели ребристый свод, им удалось обойти римских строителей. Арочные ребра строились независимо от свода и обеспечивали опору для каменного свода. Ребристый свод с большим пролетом имел тенденцию провисать, и, чтобы предотвратить это провисание, средневековые инженеры придумали ребра, которые приобрели особенно большое значение в последующих готических постройках. Одна из величайших романских построек – третье аббатство Клюни, освященное в 1130 году. Это было огромное сооружение длиной почти 300 футов. Его ребристые своды возвышались над землей на высоте 100 футов. Хотя остальная часть сооружения была романской, аркады проходов были типично готическими с заостренными арочными ребрами, тонкой каменной паутиной и декоративными стенами. Между тем большой купол нефа опирался на стены, которые не были предназначены для боковых нагрузок. Таким образом, из-за недостатка понимания принципов статики инженерам приходилось строить прочные боковые подпорки, когда часть свода в 1125 году рухнула. Очевидно, они считали, что свод будет давить строго вертикально на внутреннюю часть стены.

Готские строители в парижском регионе, где расположены самые известные готические соборы, вероятно, учли строительные ошибки в Клюни, хотя, похоже, не сразу поняли, что подпорки все равно будут необходимы. Первое систематическое использование арочных контрфорсов – аркбутанов – имело место в парижском Нотр-Даме в 1180 году, хотя последовательное использование готского стиля отмечено в Сен-Дени в 1137 году. Инженеры парижского региона XII века понимали важность изучения строительного опыта Клюни. К концу века они приобрели новые важные знания статики из опыта и научились уравновешивать горизонтальные силы со значительной экономией материалов.

Готический собор парижского региона – это, по сути, сооружение, в котором опорные колонны иногда имеют высоту 100 футов или более. Между этими колоннами располагаются экранные стены (большую часть площади которых занимают окна), поддерживающие только собственный вес и структурно не встроенные в колонны. От колонн отходят заостренные арки – строительный элемент, прибывший с Востока в начале XII века. Заостренная арка эффективнее с точки зрения статики, чем полукруглая, поскольку больше соответствует линии действия нагрузки. Поэтому в заостренной арке возникает меньшее внутреннее напряжение и ее можно строить из более мелких камней. По этой же причине паутина между поддерживающими свод ребрами может быть легче, если использовать аккуратно вырезанные и подогнанные камни. Некоторые паутины сводов имеют толщину всего 6 дюймов. Своды собора в Бове поднимаются над землей на 158 футов. Крыша деревянная стропильная. Защита от дождя и снега установлена на высокой несущей стене, которую поддерживают опоры. Крышу нередко строили до того, как своды начинали защищать внутренние помещения от суровой погоды.

Несмотря на облегчение веса сводов, колонны не могли противостоять боковой нагрузке от сводов, хотя являлись вполне адекватными для передачи вертикальной нагрузки на фундамент. Чтобы передать боковую нагрузку вниз на землю, средневековые инженеры изобрели арочные контрфорсы – аркбутаны (рис. 5.5), передававшие боковое усилие распора от сводов постройки. Аркбутаны также помогали противостоять ветровой нагрузке на здание.

Хотя в этой книге используется словосочетание «средневековые инженеры», люди, управлявшие строительством готических соборов, не были ни инженерами, ни архитекторами в современном смысле этого слова. Скорее, они были опытными мастерами-каменщиками, которые осуществляли инженерный и архитектурный надзор за строительством. Опытным мастерам-строителям платили в три, а то и в четыре раза больше, чем ремесленникам, и они занимали довольно высокое социальное положение. Многие из них были неграмотными, и все они обучались профессии, пройдя длительный период ученичества. Кое-кто, несомненно, мог прочитать некоторые манускрипты, к примеру, Витрувия, но человеку надо было знать намного больше, чем изложено у Витрувия, чтобы руководить строительством готического собора.

Рис. 5.5. Арочные контрфорсы, хоры, Сент-Уэн, Руан

Есть свидетельства того, что средневековые инженеры использовали бумагу, пергамент и древесину для чертежей, но эти архитектурные планы до нас не дошли. Между тем до сих пор существует горизонтальный план монастыря Сен-Галлен, Швейцария, который государственный деятель и биограф Карла Великого Эгинхард разработал сразу после 800 года. В Британском музее и других европейских коллекциях есть и другие, более поздние планы. Самый известный альбом рисунков находится в Парижской национальной библиотеке и принадлежит Виллару де Оннекуру, архитектору XIII века. Тридцать три его рисунка на пергаменте с пояснительными надписями сохранились до наших дней. Возможно, архитектор планировал использовать свой альбом как учебное пособие для молодых строителей. На одном из рисунков показано приспособление для отпиливания свай под водой (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Машина для отпиливания свай под водой

Представляется в высшей степени сомнительным, что средневековые архитекторы использовали в работе модели целых зданий и даже крупных секций. Однако они постоянно применяли шаблоны и крупномасштабные чертежи мелких секций. Есть много свидетельств того, что мастера-каменщики делали деревянные и тканевые шаблоны, которые отправляли в каменоломни, чтобы облегчить придание камню нужной формы, и найдено по меньшей мере два свинцовых шаблона. Есть несколько полномасштабных чертежей на стене Реймсского собора, по которым мастера строили отдельные части здания. Средневековый архитектор делал так много чертежей, рисунков и шаблонов, что у него было для этого специальное помещение – предшественник современного архитектурного бюро.

Основными материалами, использованными в строительстве, были камень, раствор, железо, древесина и гвозди. Средневековые инженеры имели обширные знания о свойствах материалов, с которыми работали. В некоторых великих соборах участки ненесущих стен выполнены из мягкого камня, а поддерживающие столбы – из твердого. Строители иногда использовали атмосферостойкий камень для наружной облицовки и, как правило, использовали разные методы, такие как покрытие белой известью, для предотвращения разрушения камня. Их раствор, однако, являлся сравнительно неэффективным, иногда ему требовалось несколько лет, чтобы затвердеть, и часто он обладал низкими адгезивными свойствами. В большинстве готских соборов много кованых железных скоб, дюбелей, анкеров и даже цепных тяг с проушинами. Детали из кованого железа кипятили в жире, чтобы предотвратить появление ржавчины. Для крыш средневековые строители использовали древесину, и, если применяли гвозди из кованого железа, их тоже варили в жире для сохранности. Средневековые строительные инструменты отличались от римских. Средневековые инженеры использовали в качестве подъемных механизмов ступальные колеса и нечто вроде токарных станков для вытачивания дерева и камня. В середине XIII века широко распространились ручные тележки, дающие экономию в рабочей силе.

Дороги и мосты

В Средние века стало меньше путешественников и торговцев, но торговля и путешествия не прекратились. Римские дороги, хотя и заброшенные, продолжали использоваться. Мостов было мало, но паромы были широко распространены, и нередко мостились броды. Существуют свидетельства того, что новые дороги отвечали изменившимся условиям. По-видимому, они не имели твердого покрытия, которое не было необходимо, пока дороги использовались только при погодных условиях, подходящих для путешествий. В некоторых частях центра и запада Европы мосты сносили, чтобы дать жителям естественную защиту в виде реки. Но люди продолжали передвигаться по Европе, и искусство мостостроения не исчезло.

Император Карл Великий, как Юлий Цезарь до него, построил большой деревянный мост через Рейн у Майнца. Это было около 800 года. Его строили десять лет, а сгорел он всего за три часа. Император планировал построить новый мост из камня, но умер, и его план не был осуществлен. Цезарь оставил подробный рассказ, но о труде Карла Великого мы можем строить только догадки. По-видимому, это был мост на тяжелых сваях. Их фундамент под водой можно было увидеть еще в 1881 году, хотя некоторые авторитеты считают, что это были остатки римского моста. Да и случайный характер пожара подвергается сомнению. По одной версии, грабители уничтожили мост, захватив там товары. По другой – его сожгли перевозчики, чтобы укрепить свой бизнес. По третьей версии, разрушить мост приказал епископ Майнца, чтобы остановить грабежи и убийства, ставшие там обычным явлением, в результате чего многие несчастные исчезли в реке. Трудно поверить, что Карл Великий санкционировал такое решение после того, как мост строился десять лет, да и епископ вряд ли мог принять такое решение без согласования с императором. В любом случае каменный мост в этом месте появился только в 1862 году.

Испанские мавры строили достойные каменные мосты, да и в центре Европы они периодически появлялись – в Италии и Германии. Обычно мосты состояли из полукруглых арок, массивных опор и жестких линий типично римских конструкций. В XI веке строительство мостов, так же как церквей, активизировалось. И мосты стали появляться самые разные. Можно выделить мосты с заостренными арками, как тот, что был построен через реку Тарн в районе города Альби, Франция, и мост Марторель в Испании (рис. 4.5). Для большинства мостов все еще использовались полукруглые арки; пример – мост через Дунай в Регенсбурге, построенный в 1135–1145 годах. Но все чаще появлялись более плоские сегменты окружностей большего радиуса. Пролеты больше не были одинаковыми на всем протяжении, например, симметрично возрастали к центру. Стали возникать довольно-таки причудливые конструкции. Особенно это касалось уклона дороги. Римляне строили равномерно выгнутые мосты, называя их «спина мула», а средневековые строители могли устроить высшую точку в любом месте, там, где это было удобно – например, где проходил судоходный канал. Их мосты отличались друг от друга еще больше, чем от римских предшественников. Подвижные деревянные заграждения пролетов – их можно было поднять, чтобы пропустить лодки, или, наоборот, опустить, тем самым остановив движение, что являлось распространенной мерой обороны, – использовались на мостах через рвы средневековых замков. Одни поднимались на цепях, другие представляли собой обычные платформы, которые выдвигались, как сходни. Также были pons a bascule (сбалансированные, уравновешенные мосты), небольшие деревянные конструкции, обычно использовавшиеся во французской сельской местности.

Пусть крестовые походы не изгнали мусульман со Святой земли и не способствовали привлечению научных знаний мусульман в Европу, однако они определенно стимулировали передвижения по Европе, и, как следствие, появилось много каменных арочных мостов. Поскольку местные власти часто не были заинтересованы в развитии связей с другими регионами, эту задачу взяли на себя энтузиасты и религиозные ордены. Freres Pontifes, или мостостроительное братство, поставило перед собой задачу помогать путешественникам, обеспечивая их жильем и переправой, и строить мосты. Это было одновременно общество помощи путешественникам и организация профессиональных инженеров. Что касается отдельных энтузиастов, можно упомянуть некого Бенезе. Утверждают, что он начал свою карьеру пастухом, а завершил – святым. Ему приписывают строительство моста через Рону у Авиньона в 1178–1186 годах. Из свидетельств его современников невозможно определить, кем он был: пропагандистом и популяризатором или инженером. Он не оставил ни записей, ни чертежей. Сохранились только четыре из двадцати одной арки, построенной изначально (рис. 5.7). Они имеют приблизительно эллиптическую форму, но резче изогнуты в верхней части, чем в линии пят. Форма представляется весьма необычной.

С именем Бенезе и его мостом связан ряд легенд. Покинув пастбище, он пришел в Авиньон и сказал жителям: «Иисус Христос послал меня в этот город, чтобы я построил мост через Рону». Он получал помощь свыше. Он поднял камень, который не могли сдвинуть с места тридцать человек, тем самым убедив епископа и городские власти в своей миссии и получив 5000 су от потрясенного населения. Представляется, что всего Бенезе совершил восемнадцать чудес. Он помешал дьяволу, пожелавшему его убить, однако дьявол вроде бы сумел повредить одну из опор. Утверждают, что Бенезе получил индульгенции для жертвователей на свой мост от римского папы.

Рис. 5.7. Руины Авиньонского моста

Местное население зачастую не проявляет энтузиазма относительно проектов, выходящих за пределы их местности, особенно если те требуют расходов. В XIV веке Piers Plowman – Петр-пахарь – призывал богатых купцов Англии ремонтировать дороги и отстраивать мосты. Епископ Дарема обещал индульгенцию всем, кто примет участие в финансировании восстановления моста Botyton. Но в 1439 году жители Орлеана продемонстрировали больший интерес. Они посетили строительство моста и оценили фундамент. Потом было дано объявление, и контракт заключили с теми строителями, которые представили самое заманчивое предложение.

Со временем появилось разнообразие. Инженеры получили возможность свободно выбирать из арок разных форм (сегментная, заостренная, эллиптическая). Они могли использовать камень или кирпич. Они варьировали ширину и высоту опор по своему усмотрению. Украшенные башенки, дома и другие беспорядочные постройки образовывали неповторимый силуэт на фоне неба и больше ничем не напоминали римские акведуки. Мост Сент-Эспри (мост Святого Духа) через Рону, построенный в 1265–1309 годах орденом, известным как Hospitaliers Pontifes – госпитальеры-мостостроители, – имеет длину 2700 футов и 26 арок. На протяжении многих лет этот мост считался самым длинным в мире. Длина пролетов составляла от 85 до 110 футов, толщина опор – от 10 до 50 футов. Мост в Треццо, Италия, поднятый на 1375 футов, имел самую длинную в мире арку – более 230 футов. Но при всех вариациях и адаптациях не было существенных перемен в мостостроении, пока итальянец Палладио в XVI веке не начал экспериментировать с фермами.

Мы не знаем, когда был построен первый деревянный мост через Темзу на месте знаменитого Лондонского моста. Мост уже существовал, когда король Свен из Дании попытался отобрать Лондон у Этельреда в 994 году. Много людей Свена утонуло в реке, потому что во время бегства они не пользовались мостом. Мост существовал до 1176 года, когда священник и инженер Питер, капеллан церкви Святой Марии, начал возводить каменный мост (рис. 5.8). Строительство велось тридцать три года. Его главный строитель умер за четыре года до завершения постройки в 1209 году. Работы завершили три лондонских купца, Мерсер, Олмейн и Боутрайт. Они не были инженерами и потому привезли французского инженера брата Иземберта, обученного в традициях Бенезе. Питер был похоронен в часовне на мосту.

Кроме подъемника мост имел 19 заостренных арок из обтесанного камня. Опоры были установлены на фундамент, достаточно прочный, чтобы противостоять течению реки. Согласно «Описанию Лондона» Джона Стоу, впервые опубликованному в 1598 году, во время сооружения моста Темза была отведена в канал на участке от Редриффа до Баттерси, то есть на протяжении 4 миль. Если так, это было выдающееся инженерное достижение, поскольку Темза на этом участке широка и подвержена приливам. Архиепископ Кентерберийский выделил некоторую сумму на расходы. Король тоже выделил средства, жители Лондона устроили подписку, и обитатели окрестных графств делали добровольные взносы. Свободные земли в Лондоне были экспроприированы для новых зданий, чтобы получать доходы. Карьера печально известного короля Иоанна имела и другие искупительные черты, не связанные с его принятием Великой хартии вольностей. Именно он занимался экспроприацией этих земель и назначил Иземберта преемником Питера в должности инженера.

Рис. 5.8. Лондонские мосты 1209 и 1831 гг.

Лондонский мост был создан для того, чтобы умные люди проходили по нему, а глупые – под ним. После завершения постройки мост уже при Генрихе III стал быстро разрушаться. Согласно записям, в результате сильных морозов и снегопадов 1282 года открылись большие трещины в каменной кладке и пять арок обрушились. Да и строители не уделяли должного внимания прочности, точнее, слабости использованных материалов. На мосту строились магазины, дома, башни. Как-то раз целый ряд построек рухнул в воду. Естественно, это было опасно для глупых людей, которые шли под мостом. Кроме того, на определенных стадиях отлива воды в реке было так мало, что судоходство прекращалось. Русло составляло не более трети длины моста, который стали называть дырявой дамбой, а не мостом. Тем не менее, несмотря на своеобразный характер и недостатки, старый Лондонский мост был неплохо спроектирован и простоял 600 лет. Новый мост был построен только в 1831 году.

Если говорить об инженерном искусстве, строительство средневекового моста не может сравниваться с постройкой собора. Собор – сооружение огромное, но одновременно изящное, а мост – тяжелое, громоздкое. Фундамент моста, как правило, был надежнее, чем у собора, но соображения экономии всегда играли первостепенную роль. Он, как правило, обеспечивал движение над рекой только в одну сторону – то есть был узким. Мост обычно не был приспособлен для движения тяжелого транспорта. К мосту не обеспечивались удобные подъезды. Почти не было опасности, что кто-то окажется застигнутым на мосту во время разлива и его унесет течением. Реки разливались вширь в обе стороны и затапливали окрестности. Даже если средневековый мост был каменный, он все равно не был атмосферостойким и подвергался разрушительному воздействию погодных условий.