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

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.