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

скачать книгу бесплатно


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 4? 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 3? 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 3? 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 3? 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 ? 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.