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

Настолько острым был интерес к инженерии и понимание ее значения и в военной области, и в гражданской, что было организовано обучение. Это вовсе не означает, что в Римской империи появились технологические институты, вроде тех, что мы имеем сегодня, или даже тех, что существовали в Средние века. Это означает, что такие императоры, как Траян, Александр Север, Константин, Юлиан и Юстиниан, искали и финансировали обучение молодых людей и система ученичества, направляемая государством, дополняла и улучшала традиционные методы передачи технических знаний от отца к сыну. Марциал, римский поэт, мастер эпиграмм, придворный императора Домициана, возможно, совершенно ненамеренно привлек широкое внимание к этому интересу к инженерии. Он, определенно, сделал сомнительный комплимент профессии, написав: «Коль окажется мальчик тупоумен, пусть глашатаем будет или зодчим». Несмотря на очевидный сарказм поэта, инженер занимал выдающееся положение в Риме, вне зависимости от того, был ли он местным уроженцем или иностранцем, патрицием или плебеем, хозяином, свободным человеком или рабом. Современному читателю здесь следует проявить осторожность и не считать, что римские рабы были ниже, поскольку являлись рабами. Римские рабы, захваченные на войне или купленные на невольничьем рынке, часто были в интеллектуальном отношении намного выше своих хозяев, и, что намного важнее, они признавались таковыми.

Римские инженеры основывали свою профессию на экономических принципах. Они использовали четкие спецификации и подробные контракты и принимали в расчет самые разнообразные материалы и типы конструкций, лучше всего подходящие для конкретных условий и проектов. Их общественные здания, акведуки, мосты и дороги демонстрируют экономичность и эффективность, так же как правовая система Рима является образцом упорядоченности и аналитической силы. Как писал Витрувий, инженеры понимали «удобное размещение запасов и площадки строительства». Они знали, как вести дела бережливо и контролировать расходы.

Римляне создали собственные практики на основании техник каменной кладки, полученных ими от этрусков и греков. Они тоже строили из обтесанных камней одинаковой толщины, уложенных вплотную друг к другу без раствора и зачастую удерживаемых на месте металлическими скобами. Такие кладки из тесаного камня они называли opus quadratum. Эти opus quadratum из мягкого туфа, более твердой лавы и пеперина, или очень твердого травертина, укладывали одинаковыми рядами камней размером, как правило, 2 на 2 на 4 римских фута. Такой тип конструкции использовался для мостов через реку Тибр и большинства акведуков. Если было необходимо и желательно, римские строители применяли и более тяжелые камни. Некоторые из них, использованные при строительстве Колизея, имеют длину 15 футов и вес 5 или 6 тонн. Однако, как греки и в отличие от египтян, они предпочитали небольшие камни. Они считали потерей времени и энергии тащить огромные камни из каменоломен или поднимать их на место, если с тем же успехом можно использовать более мелкие камни.

Возможно, римские инженеры знали больше о каменной кладке при сжатии, чем принято считать. От них не осталось записей, свидетельствующих об их знании статики, или равновесия сил. Витрувий самым тщательным образом исследовал греческие методы и обнаружил, что греки обладали некоторыми знаниями по этим вопросам, по крайней мере эмпирическими. Он заметил, что греки использовали в своих стенах через определенные интервалы «тычки» – камни, укладываемые поперек основного направления кладки. Римляне поначалу этого не делали. Когда же они начали строить арки и своды, то стали более осторожными и внимательными. Согласно Витрувию, «в зданиях, строящихся со столбами, когда своды делаются клинчатыми со швами, пересекающимися в центре, крайние столбы следует делать большей ширины, для того чтобы они были в силах противостоять распору сводов, которые под тяжестью лежащих на них кладки, оседая к центру, распирают устои. Поэтому, если угловые столбы будут значительной величины, они, сдерживая своды, придадут постройкам прочность».

Со временем римляне отошли от сплошной каменной кладки и начали использовать «неправильную» кладку. Они называли ее opus incertum. Было бы ошибкой переводить это выражение дословно, как неопределенная или сомнительная работа. Однако факт остается фактом: римские строители проявляли меньше тщательности, чем следовало, несмотря на предостережения Витрувия. Камни в opus incertum были обтесаны, однако они имели разные размеры, так что горизонтальные стыки не были непрерывными, а оказывались «ломаными». Камни беспорядочно укладывали в раствор из извести и песка. Таким образом, как правило, сооружались высокие инсулы, дома для сдачи внаем, которые нередко обрушивались. Ни один другой звук, за исключением разве что рева пожара, не мог быть страшнее для бедняков, населявших их верхние этажи. Сатирик Ювенал, писавший около 100 года, горько жаловался на домовладельца, который «прикрыл зияние трещин давнишних, нам предлагает спокойно спать в нависших руинах». Opus reticulatum, или сеть, которая на два столетия или около того сменила incertum, став популярной, выполнялась из маленьких обтесанных камней, у которых ложе и стыки были наклонены под углом 45 градусов. Очевидно, это было сделано, чтобы усладить взгляд римлян, поскольку никаких конструктивных преимуществ не было. На самом деле на сетчатую кладку уходило больше времени, и сам Витрувий предупреждал, что она обладает меньшей прочностью. Императоры Траян и Адриан тем не менее предпочитали ее для складов, бань, вилл и других конструкций.

Римляне строили не только из камня, но и из кирпича. В процессе этих работ они совершили открытие, которое вместе с арками и сводами заняло место среди величайших достижений инженерного искусства. Римляне использовали все типы кирпичей: квадратные, треугольные, изогнутые – из последних они возводили колонны. Им особенно нравилось облицовывать стены треугольным кирпичом, вдавливая прямые углы кирпичей в мягкую прослойку между верстами кладки. Пропорциональное соотношение мелких камней и раствора в этой прослойке сначала строго не выдерживалось. Влажную смесь извести и песка выкладывали слоями, и в нее вручную вдавливали мелкие камни и осколки керамики. Неясно, использовали они или нет для этой работы деревянные формы, что, безусловно, делали при возведении арок и сводов.

Рис. 4.1. Фрагмент действовавшего акведука Эйфель – Кёльн

Такой раствор легко рассыпался при высыхании. Но довольно скоро римляне пришли к надежному и долговечному цементу. Они добавили в известковый раствор почти такую же часть вулканического пепла из окрестностей Везувия. Этот пуццолан затвердевал даже под водой. Аналогичный материал они обнаружили впоследствии на Сицилии и в Каманье. В Германии и Нидерландах они нашли древнюю вулканическую грязь – трасс, служившую той же цели. Римлянам не были известны точные химические свойства или пропорциональное соотношение кремнезема, алюминия и оксида железа в пуццолане. Они только знали, что он очень прочен. В Смитсоновском институте в Вашингтоне есть часть римского трубопровода, уложенного около 80 года н. э. в районе Кёльна (рис. 4.1). Откопанный восемнадцатью веками позже, он не растрескался и не крошился при сверлении и вел себя как камень. На самом деле он и стал камнем. С использованием такого цемента римляне строили своды и купола Пантеона, бань Диоклетиана и Каракаллы, базилики Константина.