Рождение механизмов: как шло сложное строительство в античности

В античный период люди обходились довольно простыми орудиями труда, но при этом они делали гениальные открытия, которые позволяли им создавать храмы, дворцы, мосты и другие шедевры архитектуры, многие из которых мы можем увидеть и сегодня. Изобретениями, которым уже не одна тысяча лет, люди пользуются до сих пор. Древняя Греция после завоеваний Александра Македонского намного расширила свои границы: потребовалось строительство новых кораблей и гаваней. В связи с этим произошел мощный скачок технического творчества. За последующие три столетия в Древней Греции было сделано столько изобретений, сколько не удалось осуществить за предыдущие тридцать веков. Так, в середине III в. до н.э. Архимед (287—212 гг. до н.э.) открыл свой знаменитый закон гидростатики и разработал идею равновесия рычага, которая положила начало теоретической механике. Он использовал блоки, полиспасты и винты для перемещения тяжелых предметов, объяснил вопросы, связанные с распределением нагрузок между опорами, уточнил методы определения центра тяжести тел. Его авторству принадлежат несколько боевых орудий. Архимеду же мы обязаны и первым винтовым насосом - он состоял из деревянного сердечника, обитого по спирали медными полосами, и деревянного цилиндра. Длина всей машины могла достигать 12 м, а угол наклона к горизонту составлял 22—45°. Винт приводился в движение при помощи рукоятки. Располагая такие винты один над другим, можно было откачивать воду с большой глубины. Греки Ктесибий и Филон Византийский усовершенствовали изобретения Архимеда, заменив скрученные упругие веревки артиллерийских установок бронзовыми пружинами или сжатым воздухом. Также Ктесибий спроектировал и построил поршневой насос, который использовали для подачи воды в гидравлических устройствах. Успехи этих двух ученых в механике были продолжены, а во многом и превзойдены математиком Героном, который преподавал в Александрии и написал труды по инженерному делу. В них он излагал теорию рычагов, воротов, блоков, клиньев и винтов. Знаменитым изобретением Герона был эолипил, который считается прообразом современных турбин. Герон, по сути, установил принципиальную возможность использования энергии пара для работы механизмов. Также Герон создал устройство, которое при разжигании огня у дверей храма автоматически их открывало. Надо сказать, что система была достаточно сложной. Когда в чаше разжигали огонь, горячий воздух поступал по трубопроводу в частично заполненный водой герметичный сферический сосуд и вытеснял некоторое ее количество в цилиндрический сосуд. Тот, посредством цепной передачи, соединялся с деревянными маховиками. Под действием силы тяжести цилиндрического сосуда валы с маховиками начинали вращаться, открывая двери храма. До наших дней дошли изображения строительных машин и механизмов, описанных Героном Александрийским в его «Механике». Все они приводились в действие с помощью физической силы рабочих и животных, а позднее – воды, и использовались в строительстве вплоть до появления паровых машин в ХIX веке. Греческие открытия усовершенствовали римляне. Они вели масштабные строительные работы, которые зачастую сдерживались не отсутствием денег и рабочей силы, а техническими возможностями строительной техники. Необходимы были подъемные краны большой мощности, транспортные средства, мощные копры для забивки свай, а также прочные и долговечные строительные материалы, способные перекрывать пролеты с расстоянием более 40 м.Римский зодчий Витрувий, наряду с описанием военных машин, упоминает различные виды грузоподъемного оборудования и сваезабивочные машины. Римляне применяли три типа гидравлических машин, два из которых были заимствованы у греков - подъемное колесо и винт Архимеда. Широкое распространение в римской строительной практике получило грузоподъемное оборудование, в частности, краны. С их помощью было возведено большое количество монументальных зданий и сооружений, таких, как Колизей, Пантеон или колонна Траяна, мраморные блоки которой весили по 50 тонн каждый. Как пишут древнеримские историки, во время возведения акведука Клавдия, длина которого составляла 14 км, потребовалось поднять 560 тыс. тонн тесаного камня. Среди древнеримских грузоподъемных механизмов, пожалуй, самым оригинальным был кран триспастос, в состав которого помимо кронштейна с системой блоков и полиспастов входило и большое колесо, которое приводилось в движение группой людей, находящихся внутри него. Предполагают, что при строительстве Пантеона были использованы подъемный кран со ступальным колесом и ступальный свайный копер.Для подъема очень тяжелых грузов, когда применять кран с тросом было рискованно, пользовались другим способом. Из мешков с песком создавали наклонную плоскость, по которой тащили строительный элемент. При этом сами камни заносились выше их будущего места опоры, затем песок медленно высыпали из мешков до тех пор, пока каменные глыбы не занимали нужное положение. Громадные мраморные глыбы для строительства привозили из Египта на баржах. Во время погрузки глыб, чтобы снизить высоту бортов судна, баржу подтапливали камнями. Потом балласт убирали, и баржа всплывала. Для подъема камней кранами в одном случае на двух противоположных плоскостях камня вытесывали подковообразные борозды, через которые просовывали веревочные канаты и цепляли их за крюк крана. В другом - в камнях проделывали сквозные отверстия, через которые можно было пропускать подъемный канат, или, сделав на них специальные выемки, ухватить их своего рода «клещами». Трудным делом при строительстве была доставка камней к месту стройки. Сухопутная доставка грузов осуществлялась при помощи волокуш, телег и тягловых животных. Погрузка и разгрузка их происходила как с помощью рычагов, клиньев и крюков, так и с помощью подъемных механизмов. Для доставки таких крупных и тяжелых камней, как барабаны колонн и части архитравов, архитекторы храма Артемиды в Эфесе – критянин Херсифрон и его сын Метаген – еще в VI в. до н.э. изобрели особые приспособления, приближающиеся по своему устройству к каткам для выравнивания дорог. На этих катках ими были перевезены по полевым мягким дорогам барабаны весом приблизительно в 16 тыс. кг и архитравы длиною в 68,5 м и толщиной от 0,50 до 0,75 м, весившие приблизительно 18 тыс. кг. Ученые древнего мира оставили после себя память, которая оказалась во много крат прочнее некоторых возведенных ими зданий. Ведь по открытым этими математиками и механиками технологиям люди ведут строительство уже три тысячелетия.