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