Рома Агравал - Built. Неизвестные истории известных зданий [litres]

График роста высоты зданий относительно времени наглядно показывает, как технические инновации последнего столетия ускорили рост высоких конструкций

Исаак Ньютон как-то сказал: «Я видел дальше других лишь потому, что стоял на плечах гигантов». Стоя на вершине высочайшей башни в Западной Европе (310 м) и понимая, какие материалы и технологии понадобились для ее сооружения, – под звон стали и сигналы подъемного крана я вспомнила о том, как мы к этому пришли и какие исторические личности помогли нам подняться в небо. Ньютон, конечно, был одним из этих людей: без его третьего закона движения, например, я не могла бы рассчитать силы, воздействующие на арку. Но есть и другие люди, заставившие нас раздвигать границы своих фантазий (и мыслить за пределами своих простых одноэтажных жилищ) и создавшие подъемные краны и лифты, без которых мы бы до сих пор продвинулись не намного дальше своего первого этажа. «Осколок» построен не просто на инновационном фундаменте – он возведен на богатом наследии исторической мысли и прогрессивных шагов, которые произвели революцию в строительстве и сделали возможным появление небоскребов. Для начала, чтобы поднять над землей высокое здание, нам нужно научиться поднимать над землей простые предметы. До изобретения подъемного крана сложность этой задачи серьезно ограничивала наши строительные амбиции – пока Архимед (287–212 гг. до н. э.) не изобрел систему блоков.

Простая (слева) и сложная (справа) системы блоков

Сами блоки существовали еще до Архимеда. Примерно в 1500 году до н. э. в древней Месопотамии (на территории современного Ирака) использовали систему с одним блоком для поднятия воды из-под земли. Блок – это подвешенное колесо, вокруг которого обернута веревка. Один конец веревки привязывают к тяжелому объекту, который нужно поднять – например, к ведру, – а за другой конец тянет человек. Это был очень практичный инструмент, так как благодаря ему предметы можно было поднимать вверх, потянув веревку вниз и стоя при этом на земле, с использованием силы тяжести. До изобретения блока приходилось находить уровень выше места назначения тяжелого предмета и толкать его наверх. Блок изменил направление силы, а это значит, что мы научились поднимать более тяжелые грузы.

Архимед обладал неуемным воображением, которое применял к своим познаниям в математике, физике и даже создании оружия, а также в инженерии. Он улучшил блок, обернув веревку вокруг нескольких колес вместо одного. Если в системе всего один блок, то сила, которую нужно применить для поднятия груза с определенным весом, равняется этому весу. Поэтому для поднятия предмета массой 10 кг требуется сила 10 кг × 9,8 м/с 2(ускорение свободного падения) = 9,8 Н. (Н – ньютоны: единица измерения силы, названная в честь ученого, и еще одно напоминание о том, какую важную роль он сыграл для инженерии – без его закона всемирного тяготения я бы не смогла выполнить эти вычисления.) Количество энергии, которую мы израсходуем, равно силе, умноженной на расстояние. Если у нас всего один блок и мы хотим поднять этот груз на высоту 1 м, то веревку тоже нужно будет тянуть 1 м, так что затраченная энергия будет равна 9,8 Н × 1 м = 9,8 Н·м (ньютон-метров).

Но если использовать два блока, то энергия останется прежней (потому что мы перемещаем тот же вес на то же расстояние), а приложенная сила уже в два раза меньше. Это происходит потому, что вес теперь поддерживает не один, а два участка веревки. Каждый участок веревки нужно сдвинуть на 1 м, чтобы переместить груз на 1 м, значит, всю веревку нужно сдвинуть на 2 м. Поскольку энергия остается прежней, а расстояние в два раза больше, то сила, которую нужно применить, в два раза меньше. Тот же принцип распространяется и на три блока, и на десять.

Архимед смело заявил своему правителю царю Гиерону II, что может передвинуть любой груз с помощью своей системы блоков. Гиерон, что неудивительно, отнесся к заявлению со скептицизмом и потребовал доказательств. Одно из крупнейших грузовых судов из арсенала царя наполнили грузами и людьми. Обычно, чтобы дотащить его до моря, требовалась вся сила нескольких десятков человек, но Гиерон поставил Архимеду задачу выполнить это в одиночку. На глазах у царя и собравшейся толпы Архимед установил систему блоков, продел в них веревку, привязал один ее конец к кораблю, а за второй потянул. Если верить «Жизнеописаниям Плутарха» (сборник биографий, который, как считается, написан в начале II века), «он повел корабль по прямой линии, так же плавно и равномерно, как если бы тот плыл по морю».

Римляне увидели потенциал в системе из нескольких блоков и даже усовершенствовали ее, создав на ее основе подъемный кран. Два деревянных шеста в форме перевернутой буквы «V» составляли каркас крана. Верхние концы шестов соединяли железной скобой, а основание закрепляли на земле. Между двумя шестами вставляли перекладину (получалась буква «А»), которая служила лебедкой: к ней можно было привязать веревку и, проворачивая лебедку, поднимать или опускать груз, прямо как в колодце с воротом. К верхушке крана крепился механизм из двух блоков. Через нее проходила веревка, идущая от лебедки, а затем шла в третий блок, находящийся прямо над грузом. На обоих концах лебедки располагались оси с ручками, с помощью которых ее можно было вращать, и таким образом относительно тяжелые грузы легко поднимали и опускали. Если римлянам нужно было поднять что-нибудь более крупное, они добавляли больше блоков и вращающихся секций, а ручки заменяли большим поворотным колесом.

Древнеримский подъемный кран с системой блоков

С помощью крана с блоками римский рабочий мог поднимать грузы в 60 раз тяжелее, чем поднимали древние египтяне. Хотя сегодняшние краны намного большего размера, они по-прежнему работают по тому же принципу. Длинные квадратные полые стальные детали соединяют так, чтобы получилась высокая башня, и к ней прикрепляют длинную балку, или стрелу. В стреле располагается система многочисленных блоков, а рабочих и ручки древнеримской лебедки заменяет сила бензинового двигателя. Стрела движется вправо и влево и поворачивается на 360°, перемещая тонны стали и стекла, которые надежно крепят к современной версии архимедовского изобретения.

Осознав потенциал подъемных кранов и арок, римляне смогли сооружать более крупные постройки. И их способности совпадали с амбициями: они были готовы и мыслить шире. По мере роста территории империи, а вместе с ней и населения, небольшие поселения стали вырастать в огромные города. Чтобы все поместились, они стали строить инсулы – древний эквивалент многоквартирных домов, высотой аж до десяти этажей. (Пирамиды, конечно, были намного выше, только в них нельзя было жить.)