Ричард Кирби

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

Richard Shelton Kirby

Sidney Withington

Arthur Burr Darling

Frederick Gridley Kilgour

Engineering in History

© Перевод, ЗАО «Центрполиграф», 2021

© Художественное оформление, ЗАО «Центрполиграф», 2021

Глава 1

Истоки

Существует два фактора, которые мы узнаем, изучая историю инженерного искусства: один – прагматический, другой – общий. В дополнение к обеспечению понимания того, что необходимо для национального развития, изучение истории инженерии наглядно показывает, что это такое – быть инженером. Для широкого круга читателей такой труд может дать понимание уроков инженерного опыта, а также знания о сложности окружающей среды, созданной человеком для себя. Он внушает уважение к прошлому, подчеркивая, что сегодняшние инженеры могут добиться многого, поскольку они вооружены опытом многих людей, живших до них. Как писал Джордж Сартон в «Истории науки»: «Почитание без прогрессивного развития скучно, а прогрессивность без почитания – безнравственна и глупа». И наконец, как и любое научное исследование, изучение истории инженерии расширяет человеческие горизонты и освобождает нас от узости мышления.

Цель любого исторического труда – трактовка развития и активности человека. История инженерного искусства – всего лишь один сегмент из великого исторического повествования, но, в отличие от других историй, он фиксирует человеческую деятельность, кумулятивную и прогрессивную. Слово «прогрессивная» в данном случае не подразумевает никаких суждений о достоинствах, а обозначает движение вперед, основанное на ранее существовавших знаниях. История инженерии, таким образом, описывает часть центральной темы истории, которая раскрывает развитие цивилизации.

Что такое инженерное искусство? На этот вопрос невозможно дать однозначного ответа. В 1818 году британский архитектор Томас Тредголд впервые сделал попытку дать определение этому термину. Он назвал его «искусством направления великих ресурсов энергии в природе для использования и удобства человека». Такое определение содержалось в хартии Института гражданских инженеров, первым президентом которого был Томас Телфорд. Простое и короткое определение Тредголда было более или менее удовлетворительным для его поколения, когда транспортировка с помощью пара считалась не самым успешным новшеством и лишь немногие ученые смутно ощущали возможности, таящиеся в таинственном электрическом токе. Однако развитие шло быстро, и в течение следующих десятилетий десятки определений, сформулированных лексикографами и даже различными инженерными организациями, появившимися после 1880-х годов, больше не были адекватными.

Авторы настоящей книги осторожно и примирительно отмечают, что в середине XX века гражданские инженеры занимались «искусством практического применения научных и эмпирических знаний к проектированию и производству или выполнением разного рода строительных проектов создания машин и материалов, имеющих ценность или пользу для человека». Три ключевых аспекта этого определения – «применение знаний», «проектирование и производство или выполнение» и «ценность или польза». Для того чтобы выражение «инженерное искусство» было понято правильно, все эти три ключевых аспекта должны рассматриваться вместе. Основная тема данной книги заключается в том, что прогресс инженерного искусства является результатом накопления знаний. Только это еще не все. То, что производится или достигается, должно иметь некую ценность или полезность для человека. Причем ценность не обязательно измеряется экономическими параметрами: древних пирамид на земле немало, и они едва ли имеют экономическое значение, хотя их ценность в плане веры и красоты весьма велика. Профессор Харди Кросс в своем замечательном труде «Инженеры и башни из слоновой кости» (Engineers and Ivory Towers) уточнил место инженерии: «Мы привыкли думать об инженерном искусстве как о части триады: чистая наука, прикладная наука, инженерное искусство. Следует подчеркнуть, что эта триада – лишь одна из многих, куда входит инженерное искусство. Первая – это чистая наука, прикладная наука, инженерное искусство, вторая – экономическая теория, финансы, инженерное искусство, третья – социальные отношения, промышленные отношения, инженерное искусство. Многие инженерные проблемы тесно связаны с социальными отношениями, равно как и с чистой наукой».

В статье У. Хармона в The Journal of Engineering Education так описывается деятельность инженеров:

«Повсеместно общество платит инженерам за работу над системами, касающимися проблем, решение которых интересно этому обществу. Такие системы можно сгруппировать следующим образом: а) системы обработки материалов, включая преобразование и сохранение сырьевых и переработанных субстанций; б) системы переработки энергии, включая ее преобразование, передачу и управление; в) системы данных о переработке информации, включая ее сбор, передачу и переработку.

Выполняя эту работу, инженеры занимаются разного рода деятельностью, варьирующейся от инженерных исследований, дизайна и развития до конструирования, эксплуатации и менеджмента».

Авторы данной книги старались осветить инженерное дело в истории не так, как если бы оно возникло в историческом вакууме без связи с другими видами человеческой деятельности, а как одну из многих социальных инициатив. Иными словами, они хотели интегрировать историю инженерного искусства в общую историю. С этой целью презентация ориентирована на восемь величайших исторических перемен, полностью изменивших жизни людей. Это:

революция в производстве продовольствия (6000–3000 гг. до н. э.);

появление городского сообщества (3000–2000 гг. до н. э.);

рождение греческой науки (600–300 гг. до н. э.);

революция в энергетике (Средние века);

подъем современной науки (XVII в.);

паровая и промышленная революция (XVIII в.); электричество и начало прикладной науки (XIX в.); эра автоматического управления (XX в.).

Перечисленные выше фундаментальные перемены стимулировали инженерные открытия, которые, в свою очередь, ускоряли исторический прогресс.

До 6000 года до н. э. основным занятием человека была добыча еды. Он охотился на животных в лесах и полях, ловил рыбу в озерах и реках, собирал дикие съедобные растения везде, где мог их найти. Он не имел одомашненных растений и животных, которые снабжали бы его продовольствием и одеждой. Многие семьи и племена являлись кочевыми, передвигавшимися за источниками продовольствия. Эти люди жили в самых непрочных строениях – хижинах из травы и шалашах, хотя в некоторых частях света появлялись более надежные жилища, такие как пещеры мустьерской культуры во Франции. Плотность населения была крайне мала, лишь изредка появлялись группы из нескольких жилищ, которые можно было назвать деревнями. Инженерное искусство в таком обществе не играло никакой роли.

Возможно, в Африке или Малой Азии около 6000 года до н. э. человек начал одну из самых важных эволюций в истории. Он приступил к одомашниванию и выращиванию растений и животных. Это происходило в первую очередь в долинах Тигра, Евфрата и Нила. Человек строил жилища группами и обрабатывал прилегающую территорию. Это великое событие, начавшееся примерно восемь тысячелетий назад, продолжалось в отдаленных уголках нашей планеты даже в XIX веке. Однако для истории инженерного искусства самым существенным являлся подъем общества производителей продовольствия, имевший место на Ближнем Востоке примерно в 6000–3000 годах до н. э.

Люди, которые в это время жили в долинах Тигра, Евфрата и Нила, строили постоянные жилища. Они использовали речную воду для орошения. Их решения проблем строительства и ирригации, безусловно, были инженерными. Строительная, гидравлическая, транспортная и металлургическая инженерия зародилась именно в этот период и помогла решить ряд проблем, порожденных новым стилем жизни. Собиратели продовольствия знали, как разжигать и контролировать огонь, но производители продовольствия изобрели колесо, упряжь для волов, паруса для лодок, плуг, кирпич. Они также придумали технику выплавки меди из руды.

Вскоре после начала культивирования домашних растений и животных население стало резко расти. Более того, по мере повышения эффективности культивации стало возможно высвободить часть людей, ранее занятых производством продовольствия, и они смогли заняться другими делами. Одни стали священниками, другие – правителями, третьи – ремесленниками, некоторые из которых превратились в первых инженеров. Хотя новый образ жизни создал стимулы и возможности для развития инженерного искусства, в то же время появилась практика порабощения мужчин и женщин. Продолжение использования рабов как главного источника энергии до Средневековья сделало ненужным развитие других источников энергии на следующие три тысячелетия.

Глава 2

Городское сообщество

Первой важной переменой в жизни человека после начала и развития производства продовольствия стал подъем городов, имевший место незадолго до 3000 года до н. э. До этого большинство людей жили в деревнях, состоявших из группы фермерских домиков. Принципиальная разница между деревней и городом заключается в том, что в деревне большая часть жителей занята непосредственно в производстве продовольствия, в то время как этим занимаются лишь очень немногие жители городов. Эффективность производства продовольствия вкупе с подъемом централизованной правительственной администрации и торговли позволили многим жителям более крупных образований, чем обычные деревни, заняться другими видами деятельности, а не только сельским хозяйством или рыболовством. Они стали управленцами, администраторами, солдатами, священнослужителями, писцами, ремесленниками. Взаимодействие между этим новым городским сообществом и инженерным искусством было более плодотворным, но не менее важным стало развитие знаний и инструментов знаний, фундаментальных для инженера.

Следует помнить, однако, что ранние знания были в основном чисто эмпирическими, полученными из опыта и передаваемыми от человека к человеку. Нет никаких свидетельств существования обобщенной или абстрактной геометрии, так же как и понимания общих черт или закономерностей в явлениях природы. Короче говоря, тогда не было науки в сегодняшнем понимании этого слова. Производители продовольствия обычно передавали своим ученикам – из уст в уста – накопленные знания. Чтобы облегчить передачу знаний, позже стала использоваться элементарная письменность, вычисления и измерения. Письменность до третьего тысячелетия до н. э. состояла из сложных пиктографических символов. Сохранившиеся документы – в основном счета, контракты и списки – состоят из знаков, представлявших отдельные объекты, а позднее – идеи, связанные с объектами.

На протяжении следующих нескольких столетий писцы упростили письменность: теперь они стали подготавливать новые типы документов: исторические тексты, описания ритуалов, законодательные кодексы. С ростом и процветанием городского населения письменность прогрессировала очень быстро. Хотя исток письма был экономическим, оно довольно скоро стало применяться для самых разных целей, включая инженерию. Алфавитное письмо возникло примерно в XIV веке до н. э. Вычислительные техники и арифметика в третьем тысячелетии до н. э. постепенно стали использоваться для коммерческих целей и всевозможных измерений. С возможностью вычислений тесно связана очень грубая и в высшей степени местная стандартизация мер и весов. Все эти перемены оказали непосредственное влияние на инженерное искусство того периода.

Рост городов также стимулировал инженерное искусство в других аспектах. Этот рост сопровождался увеличением богатства, расширением политической власти и ростом торговли. До 3000 года до н. э. большинство построек были весьма скромными, но впоследствии строительная инженерия перестала быть чисто функциональной – она стала также архитектурной. Для принцев строили великие дворцы, а для священнослужителей – огромные храмы. Следствием подъема организованной религии с ее масштабными величественными сооружениями стал рост инженерной активности и знаний. Накопление богатств и религиозная деятельность также положили начало возведению величественных гробниц, ярчайшим примером которых являются пирамиды. Их сооружение продвинуло вперед инженерное искусство, однако нельзя забывать, что мотив для их постройки был религиозным.

В низко расположенных аллювиальных долинах Тигра, Евфрата и Нила одинаково не хватает полезных ископаемых. Там была глина для изготовления кирпичей, но не было камней для дворцов, храмов и гробниц. Каменные плиты приходилось транспортировать на большие расстояния, так же как и другие материалы, к примеру древесину. Другие требования к коммуникациям и транспортировке предъявляла экспансия политической власти, равно как и необходимость контролировать большие территории. Развитие ремесленничества и мануфактур в городах означало рост торговли, а значит, увеличение требований к транспортировке. Инженеры решали транспортные проблемы, учась строить дороги, мосты и крупные суда, которые могли покрывать большие расстояния.

Города также создали проблемы, которые постепенно были решены развитием гидравлической инженерии. Чтобы убрать поверхностные воды, рыли открытые дренажные канавы, а в некоторых случаях и подземные осушительные сооружения, которые не позволяли фундаментам тонуть в грязи. Необходимость повышения эффективности производства продовольствия привела к сооружению запруд, дамб, резервуаров и каналов для контроля разливов и ирригации. Городским жителям нужна была вода, а потому прокладывали специальные тоннели для доставки воды из соседних рек в городские резервуары, но только около 700 года до н. э. для этой цели впервые стали строить каменные акведуки.

Таким образом, в процессе городской революции политические, экономические, религиозные и социальные факторы стимулировали развитие инженерного искусства и оказывали на него влияние в дальнейшем. В свою очередь, новые инженерные решения влияли на политику, экономику, религию и социальную жизнь, давая средства, благодаря которым инженерная деятельность могла развиваться. Нет никаких сомнений в том, что инженерия появилась, чтобы решать новые проблемы нового общества, но, когда инженерное искусство прочно утвердилось на своем месте, возникла обратная связь, благодаря которой оно влияло на развитие общества. Такое положение дел сохраняется и сегодня и останется таким, пока цивилизация будет динамичной и продолжит двигаться эволюционным курсом.

Строительство в месопотамии

О достижениях жителей Месопотамии нам известно очень мало, поскольку их города давно исчезли, скрытые песками пустыни. Не осталось никаких величественных монументов, вроде египетских пирамид, которые могли бы передать традиции роскоши. Авторы, описывавшие инженерную деятельность вавилонян и ассирийцев, полагались на рассказы историков древности. Знаменитый грек Геродот (485–424 гг. до н. э.), посетивший Вавилон в V веке до н. э., вплел в свое повествование об увиденном им своими глазами легенды об услышанном, не делая разницы. Страбон, Диодор и Плиний Старший в римские времена опирались и на современные записи, и на традиции.

Некоторые рассказы Геродота оказались намного ближе к истине, чем считалось веком раньше. Однако археологам еще предстоит отыскать свидетельства, подтверждающие утверждения Диодора о существовании сводчатого кирпичного тоннеля под Евфратом. Заявление Плиния о том, что стены Вавилона имели длину 60 миль и высоту 200 футов, опровергнуто измерениями на раскопках. Вавилон имел размеры примерно 2 мили на 3 (рис. 2.2). Что же касается стен, Великая Китайская стена никогда не была выше 50 футов – ни в одном месте. 200-футовая стена имела бы высоту современного 20-этажного офисного здания. Немногочисленные обнаруженные надписи не дают точной информации. Цари не были склонны проявлять скромность, оставляя потомкам записи о себе. Навуходоносор правил в Вавилоне с 605 до 561 года до н. э. Некоторые его подвиги, мечты и эпизоды трагической судьбы связаны в Библии со славой иудейского пророка Даниила. Поэтому особенно интересно узнать, что Навуходоносор также реконструировал храмы Вавилона, ремонтировал ирригационные сооружения, вымостил улицы и построил стену вокруг города. Тем не менее у нас вызывает некоторые сомнения заявление, что фундамент его стены был поставлен на дне бездны, а ее вершина поднималась выше гор.

Рис. 2.1. Ближний Восток в древности

Тысячи глиняных табличек, найденных при раскопках и теперь бережно сохраняемых в музеях всего мира, являются более важными источниками информации. В основном они имеют размеры 3 на 4 дюйма, но есть и более крупные, размером с большую книгу. Многие из них датируются временами Хаммурапи. Клинописные записи по большей части относятся к проблемам практической математики и показывают знания и деятельность вавилонских инженеров. Они знали, что такое прямоугольный треугольник, вычисляли площади земельных участков, объемы каменных кладок, кубатуру земли при рытье каналов. Они решали простые алгебраические уравнения и применяли знания в работе. Они использовали не десятеричную, а шестидесятеричную систему, которую мы используем и поныне для измерения углов и времени.

Архитекторы Месопотамии могли делать рисунки своих построек. Сохранились статуи мелкого правителя Гудеа, жившего около 2200 года до н. э., которые показывают его сидящим с материалами для рисования и рисунком на коленях (рис. 2.3). Но все наброски, дошедшие до нас, являются очень простыми и нередко грубыми. И хотя существует вероятность создания более сложных планов на пергаменте или папирусе, они не сохранились, равно как и записи о них. Самые важные источники информации о Месопотамии – развалины городов. Археологи обнаружили в Уре, к югу от Вавилона, остатки зиккурата, или храмовой башни, которые дают нам очень хорошее представление о его изначальной форме. Поскольку камня было мало, строители использовали кирпич, как правило высушенный на солнце. Найти топливо для поддержания огня было далеко не просто. Высокие стены нельзя было строить из кирпича, всего лишь обожженного на солнце, – такая кладка не выдержит большого давления. Когда инженеры достигали опасного предела – можно предположить, что они довольно скоро узнали из собственного опыта, где этот предел, – они начали сооружать вторую стену, позади и выше первой, на высокой земляной насыпи. Нередко строили третью и четвертую стену, иногда даже больше. В плане высокие зиккураты, вероятно, были немного похожи на наши небоскребы со смещенными назад стенами.

Рис. 2.2. Реставрация Древнего Вавилона

Рис. 2.3. Гудеа с рисунком на коленях

Как и современные жители пентхаусов, цари Месопотамии часто строили серию плоских крыш. Висячие сады Вавилона, созданные Навуходоносором, считались одним из семи чудес света. И возможно, благодаря храмовой башне Мардука, обладавшей невероятной высотой, тем более для людей, живущих близко к земле, до нас дошла история о Вавилонской башне. Ее действительная высота, вероятно, была не больше 100 футов. Остатки в Уре показывают, что его зиккурат был многоугольной сплошной пирамидой размером примерно 200 на 150 футов и высотой около 70 футов. Он был сложен из высушенных на солнце кирпичей и облицован обожженными кирпичами и камнями (рис. 2.4). Там имелось несколько лестниц, по которым процессии священнослужителей и верующих могли подняться к святыне на вершине. Эта кирпичная башня пережила два тысячелетия, испытав значительные изменения и перестройки – храмы Месопотамии являлись общей работой многих веков. Для связывания каменной кладки обычно использовали природный асфальт, или битум. Его до сих пор можно встретить на кирпичах, уложенных двадцатью пятью веками раньше. Желанный приз многих международных столкновений до сих пор можно видеть выступающим из-под земли возле места раскопок Вавилона. Очевидно, ранние инженеры и не думали использовать эти материалы для покрытия дорог.

Рис. 2.4. Зиккурат Ура, нынешнее состояние и реставрация

Дворцы более поздних царей Ассирии и Персии строились из материалов, которые использовали древние шумеры на юге. К северо-востоку от Ниневии до сих пор можно видеть часть огромного дворца Саргона II, построенного в VIII веке до н. э. Изначально он состоял из трех групп построек, раскинувшихся на 25 акров. В нем было около 200 комнат. Стены были сложены из сырцовых или частично обожженных кирпичей, которые слипались в процессе высыхания и отвердения. Их облицовывали штукатуркой или глазурованным кирпичом. Но в нижних частях стен присутствуют крупные известняковые монолиты весом около 20 тонн каждый. Их инженерное и архитектурное назначение не очевидно. Дворы этого дворца были вымощены камнем или природым асфальтом. Существовала также ливневая канализация – вода стекала в выложенные кирпичом коллекторы, а оттуда – в главные каналы, покрытые плоскими каменными плитами или кирпичными сводами.

Жители Месопотамии создали два типа арок. Первый – ступенчатая или ложная арка, построенная из горизонтальных рядов кирпичей, каждый из которых слегка выступает над нижним рядом; в конце концов две стороны соединяются и закрывают пространство вверху. Принцип консоли не мог активно использоваться с такими материалами. Ступенчатые арки месопотамских инженеров имели поэтому относительно небольшие пролеты и не впечатляли ни высотой, ни шириной. Вторая форма арки – ворота в стенах – истинная арка.

Гидравлическая и санитарная инженерия

Хотя Тигр и Евфрат позволили создавать сельскохозяйственные поселения на земле, если их не контролировать, они были ужасными разрушителями. Библейская история о Потопе, судя по всему, дошла до нас из вавилонских источников. Это бедствие можно идентифицировать с наводнением в долине Евфрата. Жители Месопотамии, должно быть, с самых ранних времен столкнулись с проблемами гидравлической инженерии. Как они строили насыпи, чтобы удержать поток в русле? Как возводили дамбы, чтобы не давать воде разливаться? Как отводили воду в накопительные бассейны и рыли каналы для орошения полей в сухой сезон? Ранние строители Шумера и Вавилона добились существенных достижений в гидравлической инженерии.

Существует много легенд о Мардуке, величайшем из вавилонских богов, в одной из которых говорится о покоренном им драконе в водах на земле. Более надежными являются современные исторические тексты на глиняных табличках, датированных XV веком до н. э., в которых часто упоминаются каналы, вырытые по распоряжению разных царей. Каналы иногда служили границами. Также есть ссылки на резервуары, из которых те или иные города снабжались водой. В более поздних текстах (Третья династия Ура, примерно 2000 г. до н. э.) приводятся названия таких каналов и упоминаются рабочие, которые их ремонтировали и чистили. В письмах Хаммурапи (1800 или 1750 г. до н. э.) говорится об очистке каналов, а в знаменитом кодексе Хаммурапи есть разделы, посвященные «технической эксплуатации» ирригационных сооружений. В «Математических клинописных текстах» Нейгебауэр и Сакс ссылаются на таблички (большинство из них сейчас в Йеле), в которых речь идет о математических инструментах, использованных при строительстве каналов. Эти таблички датируются старым вавилонским периодом – примерно 1800 годом до н. э. Недавно расшифрованная глиняная табличка, датированная примерно 1200 годом до н. э., относится, вероятнее всего, к некой форме привода для подъема воды из ирригационного канала. Это документ, подтверждающий, что некий человек позаимствовал водяное колесо из семнадцати ступеней длиной десять футов, утратил его и был обязан возместить его стоимость.

То, что осталось от низких дамб и других речных сооружений в Месопотамии подверглось такому сильному разрушению, а русла рек настолько изменились, что современные инженеры не рискуют давать конкретные ответы на очевидные вопросы. Сохранившиеся холмы и водоразделы показывают, что насыпи и дамбы, защищавшие земли низовьев Евфрата, имели ширину 100 футов и длину сотни миль. Где это было возможно, существовали водосливы, по которым поднявшаяся вода отводилась в гигантские впадины в пустыне. Эти впадины занимали 650 квадратных миль, и глубина воды в них достигала 25 футов. Но как древние строители делали свои дамбы и насыпи водонепроницаемыми и не подверженными размыванию? Как их огромные резервуары открывались и закрывались, без утраты контроля над запруженной водой? На все эти вопросы археологам еще предстоит дать ответы.

Мы располагаем лишь небольшим объемом информации об одной из величайших дамб древней истории. На арабском побережье Красного моря, которое сегодня представляет собой пустыню, в течение двух тысячелетий или даже больше жили люди, которыми правила царица Савская, и процветало сельское хозяйство. Их сравнительно богатая жизнь в X веке до н. э. (дни Соломона), судя по всему, была возможна благодаря огромным дамбам, которые задерживали дождевую воду в холмах, предохраняли верхние слои почвы от эрозии и обеспечивали ирригацию. Только очень немногие западные исследователи, ни один из которых не имел инженерного образования, попали на раскопки самой крупной из них, Марибской, или Йеменской, плотины. Согласно одному из повествований, она, вероятно, была очень большой – длиной 2 мили, высотой 120 футов, шириной 500 футов (в основании). Она была построена из 15 миллионов кубических ярдов камня. Однако, согласно другому рассказу, плотина имела в четыре раза меньшие размеры и состояла из земли. Она продолжала использоваться до VI века н. э., когда разрушилась, вероятно, из-за пренебрежения. Откуда у людей царицы Савской знания о гидравлической инженерии – из Месопотамии, от египтян с другого берега Красного моря или они дошли до всего сами – неизвестно. Если самые восторженные рассказы верны, Марибская плотина была еще одним чудом света. Автор Джордж Хейралла повествует об арабах, которые в 1936 и 1947 годах исследовали остатки Марибской плотины. Они сообщили, что плотина длиной 650 метров, имела 5 водосливных и 14 ирригационных каналов. Эти исследователи обошли молчанием первоначальную высоту плотины, зато обнаружили остатки гранитной кладки очень высокого качества.

Низкий хребет Джерван, возвышающийся над Ниневией, издавна вводил в заблуждение археологов, считавших, что это либо дорога, либо дамба. Впоследствии при раскопках было доказано, что это акведук, который инженеры ассирийского царя Сеннахериба построили в VII веке до н. э. для снабжения Ниневии водой. Его самая примечательная черта – мост длиной более 1000 футов и шириной 70 футов. В одном месте он поднимается на 30 футов над водой и пересекает поток, опираясь на ступенчатые арки. На его сооружение ушло не менее двух миллионов известняковых плит. Русло акведука выложено известняковым покрытием, до сих пор сохранившим прочность. Объявив себя царем Ассирии и мира, Сеннахериб составил отчет об этом проекте для потомков, проявив небывалую для божественного представителя на земле скромность. «Я, Сеннахериб, царь Ассирии и мира, отвел на большое расстояние воды рек Хазур и Пулпуллия, воды источников близ городов Ханус и Гаммагара и воды горных источников справа и слева через канал, вырытый в долинах Ниневии. На глубоких вади построил я акведук из белых каменных блоков, через который потекла вода». Что еще удивительнее, он отдал должное инженерам и рабочим. Большой рельеф из алебастра на стене дворца Сеннахериба в Ниневии показывает, как тяжелые статуи перемещались в горной стране.

На Ближнем Востоке было обычной практикой, если источники оказывались неподалеку, доставлять воду по тоннелям в резервуары, расположенные в пределах городских стен, чтобы был запас воды на случай осады. Женщины с кувшинами на плечах сновали вверх-вниз по каменным лестницам, чтобы принести воды. В те времена вода в дома не подавалась по трубам. Следует отметить, что водопроводы в частных домах по сей день не являются повсеместными. Такого рода тоннель, построенный в VII веке до н. э., подавал воду из источника Гихон в Силоамский пруд в Иерусалиме. Трубопровод имел высоту 6 футов, длину 1750 футов и был прорублен в горе. Строительство началось с двух концов. К счастью, каждая бригада рабочих, трудившаяся в полной тьме, слышала звуки, производимые другой, и потому после нескольких неудачных попыток они в конце концов встретились. Надпись, повествующая об их опыте и радости по поводу удачного завершения строительства, была обнаружена в 1880 году мальчиками, купавшимися в пруду.

Ирригационная система, многие века пересекавшая равнины вдоль Тигра и Евфрата, давно исчезла под песками пустыни. Возможно, Киру в VI веке до н. э. удалось направить Тигр в 30 каналов, а потом перекрыть его главное русло земляной дамбой. В любом случае существуют остатки масштабной земляной конструкции, усиленной бревнами. Представляется, что когда-то ее верхняя поверхность была облицована кирпичом. Дамба была посвящена Мардуку и может датироваться тысячелетием до Кира. В 401 году до н. э. известный греческий полководец Ксенофонт видел сеть каналов и описал ее в «Анабасисе». Он постоянно встречал каналы, которые невозможно было пересечь без мостов. Иногда это были стационарные мосты из кирпичей и леса, иногда плавучие – из лодок. Ксенофонт утверждает, что каналы шли из Тигра и от одного до другого были прорыты траншеи. Первый канал был самым крупным, второй меньше, а последние – не более чем дренажными канавами.

Указанные каналы являлись важными инженерными сооружениями, однако жители Месопотамии и те, кто учился рытью каналов от них, не знали всего, что следует знать об этом процессе. По крайней мере, так следует из рассказа о канале, который персидский завоеватель Ксеркс, следовавший в Грецию, велел своим людям прорыть через Афонский перешеек в 482 году до н. э. Он желал переправить свою армию, не подвергая ее опасности, минуя штормовой регион, где в Эгейском море ранее уже потерпел крушение персидский флот. Геродот поведал, что начальнику строительства Артахею не хватало всего четырех пальцев до роста 8 футов и он имел самый громкий голос из всех строителей. Историк подробно описал инженерные детали строительства. Он рассказал, как вынутый грунт перемещали с одного уровня на другой и затем увозили со стройплощадки. Он указал, что большинство рабочих всеми силами старались сделать боковые стороны канала вертикальными с катастрофическими результатами. Финикийские инженеры из армии Ксеркса сделали верхнюю часть канала в два раза шире, чем его дно. Они понимали, что канал, прорытый в земле, должен иметь пологие склоны.

Покинутые города Хараппа и Мохенджо-Даро, что в долине Инда в Западной Индии, содержат превосходные свидетельства древних знаний гидравлической инженерии (рис. 2.5). Возможно, там жили те люди или родственники тех людей, чья ранняя культура оказала большое влияние на египтян и шумеров. Как бы то ни было, на территории Мохенджо-Даро, где уже проводились раскопки, найдены остатки канализационной системы, которую можно признать эффективной даже по современным стандартам.

Рис. 2.5. Канал Хараппы, долина Инда

В 2500 году до н. э. городские власти обеспечивали для домовладельца со средним достатком санитарные удобства, которые в других местах имели только цари. Каждый из крупных домов, даже если в нем не было окон, имел колодец и, в непосредственной близости, ванную, отхожее место, прачечную, сточный колодец и место для свалки мусора. Сточные воды из жилых домов и общественных зданий отводились по керамическим трубам в крытые вымощенные кирпичом дренажные канавы, расположенные вдоль каждой улицы, оттуда сливались в поля или реки. В городе был кирпичный резервуар размером примерно 23 на 40 футов. Как он наполнялся – загадка. То, что он был наполнен, очевидно, потому что его толстые стены были сделаны водонепроницаемыми с помощью глины и битума. Возможно, это был рыбный пруд. Хотя, вероятнее всего, это было место для ритуального омовения и очищения.

Дороги, мосты и суда

Твердое дорожное покрытие стало более ранним инженерным достижением, чем канализационные системы и водоснабжение. Люди ходили по мощенным булыжниками улицам в Ассирии еще за четыре тысячи лет до Рождества Христова, а позже – по кирпичным и известняковым тротуарам в Вавилоне. Знаменитая улица Процессий, ведущая к мосту через Евфрат, имела кирпичное основание, покрытое природным асфальтом – известняковыми плитами со скошенными стыками, установленными в битуме. Проезжая часть мостилась крупными камнями длиной и шириной 3–4 фута, тротуары – красной брекчией, состоящей из сцементированных обломков нескольких горных пород. На реке было найдено семь фундаментов опор моста. Этот самый древний мост, упомянутый в документах, был построен, вероятно, во времена Навуходоносора. Хотя его опоры сделаны из маленьких обожженных кирпичей, они были довольно прочными – каждая имела размеры примерно 30 на 70 футов. У них была разумная форма – заостренный конец направлен против течения, чтобы снизить силу течения, а скругленный конец – по течению, чтобы уменьшить водовороты, которые могли размыть фундамент. Представляется вероятным, что поверх этих опор было два ряда расположенных близко друг к другу деревянных продольных балок, по которым, собственно, и проходила дорога, согласно древним историкам вымощенная каменными плитами. Мост имел длину 400 футов. В рассказе Геродота упоминается своего рода разводной пролет – возможно, военная предосторожность. Он не описывает его конструкцию.

Все ранние цивилизации на Ближнем Востоке имели дороги того или иного типа, построенные и обслуживаемые преимущественно для административных и военных целей. Что характерно, записи, которыми мы располагаем, повествуют нам очень мало. В Ассирии были специальные люди – ummani, которые выравнивали землю для проезда телег и строили временные мосты. Дороги, которые ими создавались, были предназначены для коммерции и поездок как в мирное, так и в военное время. Перс Дарий в VI веке до н. э. имел Царскую дорогу от Сард в Малой Азии до Суз, что вблизи Персидского залива. Она имела протяженность более 1500 миль, и по ней беспрепятственно передвигались посланцы царя. Эта «магистраль» обеспечивала связь через горные проходы и обширные пустоши. Она открыла путь на запад к Эгейскому морю и историческому столкновению между персами и греками при Марафоне. Однако пока археологи не обнаружили никаких следов этой знаменитой дороги прошлого, и нет никаких источников информации о ее конструкции.

Рис. 2.6. Транспортировка обелисков

Водный транспорт во многих районах, таких, например, как Египет, имел большую важность, чем дороги по суше. До подъема цивилизации производителей продовольствия не было необходимости транспортировки по воде значительных объемов грузов. После 3000 года до н. э. появились суда значительных размеров, причем их создатели демонстрировали существенные знания деревообработки и строительства деревянных конструкций. Первоначально такие суда приводили в движение веслами, но уже до 3000 года до н. э. появились грубые паруса, так что, если ветер дул в нужном направлении, его сила помогала гребцам. Эти единичные паруса всегда крепились к мачте, установленной перед центром вращения судна, и являлись малоподвижными. В результате команды могли их использовать, только если ветер дул с кормы.

Самые крупные суда не были самоходными. Их буксировали более мелкие суда со своими командами гребцов и, возможно, одним парусом. Около 2400 года до н. э. египтяне построили крупное судно, которое, вероятно, имело длину около 100 футов. Иными словами, оно было длиннее корабля «Мейфлауэр», который в 1620 году привез отцов-пилигримов в Массачусетс. Оно имело длину 90 футов. Судно 1600 года до н. э., перевозившее два обелиска, уложенные на главной палубе, имело длину не менее 220 футов (рис. 2.6). Потребовалось три группы более мелких весельных судов, чтобы отбуксировать его с грузом вниз по Нилу. В общем, какими бы ни были размеры древних судов, они приводились в движение в основном мускульной силой человека.

Египетская инженерия

Оседлый земледельческий народ сформировался в плодородной долине Нила за много веков до того, как эти люди сумели изложить свои достижения в письменной форме. Подъем, расцвет и упадок египетской цивилизации можно проследить приблизительно с 4000 года до н. э. Государство после длительного периода междоусобиц объединилось. Одновременно с установлением безопасности начался рост населения и богатства. Чужеземные враги были или присоединены, или завоеваны и обращены в рабство. Египет медленно перерастал из царства в империю. Один важный этап в этом далеко не быстром процессе отмечен строительством пирамид, которые были воздвигнуты примерно в 2700–2200 годах до н. э. Ирригационные проекты двенадцатой династии 2000–1800 годов до н. э. идентифицируют второй этап, а великие храмы Луксора и Карнака – третий; эти памятники восемнадцатой династии в основном были построены в XVI–XIV веках до н. э. Поскольку воинственные цари того времени проводили агрессивную политику против захватчиков и расширили египетское правление от Сирии на севере до Ливии на западе, их народ жил в условиях относительной безопасности, изобилия и комфорта. А потом настало тысячелетие упадка и подчинения.

Рис. 2.7. Перемещение египетской статуи. Барельеф эпохи двенадцатой династии

Насколько известно из раскопок, надписей на памятниках и документах на папирусе, в этот период почти не было значительных прорывов в области инженерных техник. Египтяне третьего тысячелетия использовали строительные методы, обусловленные окружающей средой. Они продолжали использовать те же методы тридцатью или больше веками позже, когда их страна перестала существовать как отдельная империя. Три фактора определили характер египетской инженерии. Первые – неограниченные людские ресурсы. Все операции основывались на неограниченном использовании времени и сил рабов (рис. 2.7), захваченных во время войн или набегов на соседей. Тягловый скот играл небольшую роль в египетском строительстве. Лошадь – почитаемое животное на Востоке – никогда не использовалась для работы. Да ее и не знали в Египте до 1700 года до н. э.

Когда труд рабов был недоступен или его не хватало, на посменные работы призывалось местное население. Представляется, что оно обладало ничуть не большей свободой выбора, чем рабы. Но было бы ошибкой представлять египетских тружеников страдающими под бичом надсмотрщика, несмотря на библейский рассказ о Моисее и его сыновьях. Крестьянин был готов к привлечению на общественные работы в то время года, когда климат и поведение реки не позволяли ему работать на своем поле. Когда к нему не применялось насилие, он, судя по всему, работал охотно. Он даже гордился своим участием в проекте и подчинялся дисциплине, необходимой, чтобы управлять большим числом людей, выполняющих одну задачу. Если верить надписям, некоторые работы выполнялись без несчастных случаев, болезней и завершались вовремя. Вторым определяющим фактором в египетской инженерии было сосредоточение гигантской армии рабочих под началом одного человека и его помощников. Ни время, ни стоимость не играли роли для фараона, решившего построить для себя гробницу, которая будет стоять вечно, или повернуть русло Нила так, чтобы пустыня превратилась в цветущий сад. Египетское инженерное искусство отличалось пышностью; масштабы его достижений вполне соответствовали тому, кто считал себя царем и богом. Третий фактор, определивший характер египетской инженерии, – большие объемы строительного камня в долине верховьев Нила. В каменоломнях известняка, песчаника и гранита добывали экземпляры весом от 2,5 до 30 тонн для самых крупных и самых древних конструкций в мире. Из них также вырезали обелиски весом несколько сотен тонн. Как минимум одна добытая каменная глыба имела вес 1000 тонн.

Для такой работы египтяне использовали только простейшие механические принципы и приспособления. Отмечали желаемые размеры камня, делали канавки с использованием деревянного молотка и бронзовой стамески, вроде тех, что используются сейчас, и каменные глыбы откалывали от скалы с применением метода, известного сегодня как метод клиньев и перьев. Бронзовые клинья вставляют между двумя тонкими перьями и вгоняют в камень, пока он не раскалывается. Или вставляют деревянные клинья, которые расширяются за счет увлажнения и раскалывают камень. Таким способом египтяне обычно добывали известняк и песчаник. Для гранитных обелисков, обычно вырезавшихся горизонтально, египтяне вбивали клин твердым и грубым долеритом, необработанным базальтом, по кругу вдоль краев, пока не прорежут глубокую канавку и, в конце концов, откалывают камень нужного размера. Нет необходимости говорить, что этот процесс тяжелый и трудоемкий, требует физических сил, опыта и терпения. Посетители сегодняшних каменоломен Асуана могут наглядно видеть следы применения этого метода. Большой камень до сей поры лежит там, где его когда-то бросили из-за несовершенства.

Металл, который египтяне использовали для клиньев, пил и режущих инструментов, – твердая бронза. Как ранние люди ее впервые получили – неизвестно. Мы мало знаем о технике металлообработки в этой стране. Как и многие другие ранние народы, египтяне с самого начала их цивилизации знали ценность железа, содержащего никель, которое падает с небес в виде метеоритов, и относились к нему с большим уважением, чем к золоту. Незадолго до начала 600 года до н. э. они узнали, предположительно от хеттов из Малой Азии, как выплавлять металл из руды, которую они находили в земле, и металлургия стала намного эффективнее.

Кроме клиньев, деревянных молотков и стамесок, египтяне использовали прямые рычаги и наклонные плоскости. У них были ролики, сделанные из твердой древесины акации, и в 1800–1600 годах до н. э. они узнали от жителей Малой Азии колесо, лошадь и колесницу. Вероятнее всего, в Вавилонии шумеры умели пользоваться колесницами еще до Саргона, возможно, в XXV или XXVI веке до н. э. Представляется, что египтяне не знали винта и не могли поднимать тяжелые блоки с помощью винтовых домкратов. Не было у них и шкивов для канатов. Таким образом, не имея возможности увеличить силу, используя веревку и блок, они были вынуждены прилагать всю доступную мускульную силу человека непосредственно к грузу.

Поскольку каждый камень был вырублен и получал определенную форму еще в каменоломне, инженер должен был постоянно иметь в виду общий план конструкции и положение, которое должен занять конкретный камень. Древний египтянин, как и его современный преемник, работал с чертежами, сделанными на папирусе, известняковых табличках и, иногда, на древесине. К сожалению, до нас дошли очень немногие таблички, но очевидно, что древние египетские инженеры умели показывать детали в разных проекциях и выполнять модели в масштабе.

За много веков до того, как грек Пифагор продемонстрировал обобщенную взаимосвязь между сторонами прямоугольного треугольника, египетские землемеры, судя по всему, знали, что угол между двумя сторонами треугольника является прямым, если сумма их квадратов равна квадрату гипотенузы, и применяли это знание на практике. Папирус, ныне хранящийся в Британском музее, показывает, что они также понимали, как подсчитать объем твердых тел и определить уклон или понижение, когда речь идет о высоте пирамиды и длине ее стороны. Интересны и другие факты относительно их математических знаний. Они, как и мы, использовали десятеричную систему, хотя и без арабских цифр. Их дроби всегда имели цифру 1 в числителе, за исключением дроби ⅔. А при определении площади круга они использовали число пи (отношение между длиной окружности и диаметром), равное 3,16. Общепринятая величина этого коэффициента сегодня – 3,1416.

Пирамиды и храмы

Необходимы немалые знания и опыт измерений, чтобы перенести параметры такой конструкции, как пирамида, с плана на местность. Египетские инженеры-архитекторы оставили убедительные свидетельства того, что они такими знаниями и опытом обладали. Средняя длина сторон великой пирамиды Хеопса в Гизе – 755 футов 9 дюймов в основании. Две стороны отличались от этой цифры не более чем на 1 дюйм, и два угла были построены с ошибкой в 3 или 4 минуты. Подобная степень точности едва ли могла быть получена с использованием канатов – обычных инструментов землемера. Известно, что применялись рейки, градуированные в кубитах, ладонях и пальцах (египетский кубит – чуть больше 20 дюймов, ладонь – 3–4 дюйма, палец – около ¾ дюйма). Предположительно для углов использовали большую деревянную «рейсшину» длиной 8 или 10 футов. Вероятно, для выравнивания основания пирамиды использовалось некое приспособление, позволявшее смотреть вдоль или параллельно поверхности спокойной воды. Как ее смогли так точно ориентировать – ведь ее ось практически совпадает с меридианом – неизвестно.

После определения линий основания строительные проблемы только начинаются. Конструкция должна была подниматься вверх под одинаковым углом 51 градус 51 минута, точно сохраняя ориентацию ступеней каждого ряда кладки, чтобы избежать скручивания и поддерживать горизонтальность. Все это требовало знаний и опыта строителей – впрочем, как и сегодня. Одна трудность, которую не все принимают во внимание, заключалась в том, что лежащая в основе земля не была ровной. Скалы поднимаются вверх – никто не знает, насколько высоко – внутрь тела пирамиды.

Великая пирамида Гизы (рис. 2.8) датируется XXVII веком до н. э. В ней 206 горизонтальных рядов каменной кладки, которые достигают высоты 481 фут. Это гигантская груда из 2¼ миллиона выглядящих грубо, но аккуратно выровненных и прилаженных известняковых блоков средним весом 1½ тонны. Изначально она была облицована тщательно подобранными и обработанными плитами из того же материала, причем вес некоторых из них доходил до 15 тонн. Египетские каменщики установили эти облицовочные камни на строительный раствор из гипса и песка. При этом они добились невероятно плотных, почти непроницаемых соединений шириной не более 1/50 дюйма. Эти камни были как-то заякорены к центру – как именно, точно неизвестно, в результате чего стороны пирамиды стали едиными плоскостями сверху донизу. Шли века, и эти сияющие белые облицовочные камни постепенно перекочевали в другие постройки в долине Нила – вплоть до Каира.

Внутри великая пирамида – как и другие – представляет собой главным образом плотную каменную кладку. Но есть наклонный проход, достаточно большой, чтобы человек мог заползти внутрь. Он начинается на северной стороне и ведет внутрь и вниз под углом 26½ градуса к горизонтали. От него отходит еще один проход, ведущий вверх, в высокую, но узкую галерею, по которой можно добраться почти до царской погребальной камеры, расположенной под вершиной пирамиды. Странно, но добраться можно именно почти, а не до нее. В этой камере (17 на 34 фута) должен был вечно храниться саркофаг фараона Хуфу, или Хеопса. Она выложена гранитом и покрыта опирающимися на ступенчатый выступ гранитными плитами. Над крышей последовательно расположены пять больших разгрузочных камер, очевидно предназначенных для частичного снятия нагрузки от огромного давящего сверху веса более чем 300 футов каменных блоков. Кроме того, они могли предохранить от разрушений при землетрясении. Внутри пирамиды также есть наклонные шахты, вероятно предназначенные для вентиляции, «камера царицы» и еще одна – глубоко под основанием.

Рис. 2.8. Великая пирамида

Многие ученые считают, что эта пирамида являлась в каком-то смысле астрономической или астрологической обсерваторией. Некоторые авторы полагают, что нижние части пирамиды использовались для наблюдения за звездами еще задолго до завершения строительства. Однако больше всего вопросов вызывает именно процесс строительства. Как египетские инженеры перемещали тяжелые материалы? Как они транспортировали тяжеленные каменные блоки, поднимали их и укладывали точно на место, не имея кранов, талей и даже тягловых животных? Вопрос, зачем они это делали, интересует инженеров значительно меньше.

Сейчас преобладает следующее мнение. Египетские инженеры доставляли камни вниз по Нилу и через него по высокой воде на длинных баржах, имевших прочную связь поверху от носа до кормы. Баржу швартовали максимально близко к каменоломне и стабилизировали с помощью песка, а бригады рабочих затаскивали камень на деревянных салазках по наклонной плоскости на баржу. Эта плоскость, так же как и дорога до нее (иногда длиной милю и больше), должна

была быть твердой и гладкой. 20-тонный камень невозможно протащить по сыпучему песку. Поверхность укрепляли каменными блоками, тонкими пластинами из каменоломни или смесью влажного песка, ила и глины в пропорциях, полученных из опыта. Количество людей в бригаде подсчитывалось надсмотрщиком исходя из веса камня. При любых условиях использование двадцати или пятидесяти тысяч людей в бригадах разной численности для выполнения подобных работ требовало организации и дисциплины.

Насчет способа подъема блоков и их установки на нужное место общего мнения нет. Подобная конструкция может быть воссоздана сегодня за два или три года с использованием электроприводных машин, кранов, дерриков и относительно небольшого количества людей. Однако, как это делали египтяне, неизвестно до сих пор, несмотря на наличие красочных иллюстраций в популярных журналах. Эти иллюстрации поддерживают постоянный интерес к египетским пирамидам со стороны тех, кто любит красивые картинки, но не дают точной информации о том, как пирамиды строились. Из древности до нас дошли сведения о самых разных приборах и процессах, но никакой достоверной информации о возведении пирамид как не было, так и нет. Чем больше Кларк и Энгельбах изучали египетские методы строительства, тем больше они убеждались, что, если какая-то деталь объясняется использованием более или менее сложного инструмента, тогда объяснение неверно.

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.

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 3¼ 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 ⅗ 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.

Эллинистический период был и концом и началом. Греки стали использовать значительно более продвинутые техники строительства из камня, доведя постройки до архитектурного совершенства и инженерной законченности. Римляне продолжали строить в греческой манере, хотя и отошли от нее, когда начали создавать арки и своды, тем самым открыв дорогу для мусульман и людей из средневековой Западной Европы, последовавших за ними. Но эллинистические греки не остановились на архитектурном совершенстве. Их исследования и открытия в разных областях науки, которые не интересовали римлян, имели огромное влияние на будущее инженерного искусства.

Евклид, живший около 300 года до н. э., внес существенный вклад в математические знания своего времени. Он описал планиметрию – геометрию плоскостей, которая используется до сих пор. На его трудах основывались учебники, используемые в школах начала XX века. Что же касается собственно инженерии, другие ученые Александрии систематически обозначили некоторые основные принципы механики. Являясь в первую очередь представителями спекулятивной философии, они ставили вопросы и отвечали на них, но не решали никаких проблем, связанных с реальным строительством. Никто из них не был инженером-практиком, за исключением Архимеда (287–212 гг. до н. э.) из Сиракуз. Этот ученый прибыл в Александрию из Сицилии, но вернулся домой раньше, чем разработал известные принципы измерений и механической силы. Вклад Архимеда в прикладную математику, удельный вес, давление жидкостей и принципы действия рычагов является фундаментальным для сегодняшней инженерии. Ему приписывают открытие составного шкива и винта, хотя они могли некоторое время использоваться до того, как он сделал их известными. Его хвастливое заявление о том, что он сможет перевернуть весь мир при наличии рычага и точки опоры, является весьма уважаемой в истории легендой, вне зависимости от того, произносил Архимед когда-либо эти слова или нет. Хитроумные механизмы Архимеда, рычаги, краны и катапульты для защиты Сиракуз в 211 году до н. э. с суши и моря восхитили римского военачальника Марцелла. Должно быть, его гнев и разочарование были велики, когда, ворвавшись наконец в город, он узнал, что великий ученый и инженер был убит.

В эллинистический период были и другие, не менее важные изобретения в области приложения сил. Ктесибий Александрийский, возможно современник Архимеда, не оставил описания своих работ, и о них известно только из трудов его преемника Герона, который сам, вероятно, был изобретателем некоторых приспособлений. Другие приборы, возможно, являются детищами еще более туманной фигуры этого времени – Филона Византийского. Герон описывает гидравлические часы, гидравлический орган, пожарную машину, силовой насос, пневматическое оружие, паровую турбину и самое зрелищное – автоматический театр, где куклы поворачивались и танцевали, приводимые в движение паром или горячим воздухом.

Все это были не более чем механические игрушки, но концепции и принципы, использованные при их конструировании, оказались очень важными.

Турбина, приписываемая Герону, – это полый металлический шар, который мог свободно поворачиваться вокруг горизонтальной оси над котлом и жаровней (рис. 3.4). Две трубы, согнутые в противоположных направлениях, выступали из шара с противоположных сторон. Пар из котла проходил через неподвижные трубы, которые служили осью для шара, и выходил через наклонные трубы, поворачивая шар. Поскольку это движение было вызвано реакцией несбалансированных сил, а не расширением пара у подвижной поверхности, аппарат Герона, строго говоря, был реактивной турбиной, но представляется, что никакой полезной работы он не выполнял. Герон также пытался изобрести измеритель для потока воды и туманно объяснял, как определить количество воды, вытекающей из источника, умножив глубину на ширину потока, одновременно как-то наблюдая за скоростью с использованием солнечных часов. Ему был знаком принцип винта, и он описал инструмент, прилаженный к гребному колесу для обозначения скорости судна. Он написал многочисленные книги о стереометрии, об измерениях площадей и объемов, о пневматике, механике и землемерной съемке.

Рис. 3.4. Эолипил, или Геронова турбина

Нелегко определить влияние этих книг и приспособлений на работу инженеров-практиков того времени. В точности неизвестно, использовал ли римский инженер и автор Витрувий труды Герона. Не исключено даже, что Герон жил позже, чем Витрувий. Однако некоторые идеи Герона определенно использовались. Диоптра для измерения земли, которую он описал, водный винт, традиционно приписываемый Архимеду, составной шкив, одометр для измерения расстояний и, возможно, погружной насос стали стандартными инструментами римских инженеров.

Глава 4

Имперская цивилизация

Если не считать недолговечную империю Александра Великого, греческая цивилизация никогда не имела централизованного политического контроля. По большей части греческая политическая организация состояла из независимых городов-государств. В классические времена гениями политической администрации являлись римляне; именно они покорили большую часть цивилизованного мира и установили политический контроль над ним на века. В 500–300 годах до н. э., в период, когда греческая инженерная мысль достигла первых высот, жители города Рима покоряли итальянский полуостров. Укрепив свою политическую власть в Италии, они приступили к покорению других территорий. За следующие полтора века они завоевали средиземноморский мир и создали империю.

Политические, экономические и социальные нужды империи, в первую очередь ее городов, создали проблемы, которые должны были решить инженеры. Результатом стало поощрение развития инженерной мысли и крупные инженерные прорывы в строительстве, водоснабжении, строительстве мостов, дорог, гаваней и горном деле. Римские инженеры в первую очередь были инженерами классической древности. Любопытный факт: не было ни одного римского ученого первого порядка. В первые три века после включения греков в империю греческая наука продолжала процветать. Некоторые знаменитые греческие ученые работали именно в этот период. Один из них, Гален (130–201), даже несколько лет трудился в городе Риме. Таким образом, в империи существовало интересное разделение между греками и римлянами. Первые дали миру выдающихся ученых и компетентных инженеров, а вторые – только инженеров. Разница в культурных возможностях и традициях в Средневековье была весьма велика.

Самой важной для истории Запада в период, рассматриваемый в этой главе, была жизнь Иисуса из Назарета. Эволюция христианства от учений Иисуса повлияла на инженерию неким образом, ставшим очевидным только в последние века империи. Как это было с месопотамцами, египтянами и греками, главным источником энергии для римских инженеров стал рабский труд. Между тем в IV и V веках н. э. римские рабовладельцы-христиане все чаще освобождали своих рабов, причем по самым разным причинам, зачастую экономическим, но также потому, что новое христианское отношение рассматривало всех людей как равных перед Богом. Уменьшение использования рабского труда стало одной из важнейших причин, приведших к распаду империи. Постепенное раскрепощение повлекло за собой истощение практически единственного источника энергии. Только за несколько десятилетий до падения Рима инженеры начали ограниченно использовать энергию воды, чтобы заменить рабский труд.

Инженеры

Какими бы ни были причины, Рим возвысился до господства над миром от Шотландии до Персии. И каковы бы ни были источники, римские инженеры способствовали увеличению могущества и славы Рима. Когда люди переходят от сельской жизни к городской, они находят в себе интерес и способности к изобретению и конструированию вещей, иными словами, в них пробуждается тяга к инженерии. Или они начинают искать тех, у кого она есть. Потребность в инженерах становится настоятельной, когда люди начинают собираться в группы. Так усиливается понимание индивидуального заинтересованного отношения к общественному благосостоянию, и это вовсе не обязательно чувство морального долга перед согражданами. Возникает понимание того, что один человек тесно связан с остальными.

Как шумеры, вавилоняне, египтяне, минойцы и греки, римляне откликнулись на стимул городской жизни. Они существенно усовершенствовали постройки, связь и коммунальные услуги в республике. На самом деле рвение к общественным работам осталось и после того, как республиканские правительственные институты стали только прикрытием императорского режима.

В отличие от предыдущих периодов время Рима было временем немногих открытий и изобретений. Римляне мало увлекались теорией, зато проявляли склонность к учению и адаптации идей и практик других. В IV веке до н. э., покорив и поглотив соседей с севера, они переняли знания этрусков о подземных дренажных каналах, строительстве с использованием арок и каменных блоков. Они также переняли греческие архитектурные формы, материалы, инструменты и методы, даже использовали самих греческих инженеров, покорив их, живших в Южной Италии и на Сицилии. В середине III века до н. э. практически все, что древние римляне знали об инженерии, пришло к ним из цивилизаций Восточного Средиземноморья. Согласно археологическим свидетельствам, считается общепринятым, что этруски, хотя их записи еще не расшифрованы, прибыли на северо-западное побережье Итальянского полуострова из Малой Азии и что они были тесно связаны с Египтом.

Инженеры Рима были скорее организаторами, чем творцами. Они являлись практиками и, как заявлял Фронтин, экспертами в применении идей, расширении и увеличении их общественной полезности. При этом мы не утверждаем, что римляне думали только о функциональных целях своих работ и не ценили красоту. Их работы были мощными и впечатляющими, но также сбалансированными и пропорциональными. Они не подавляли своей мощью, а являлись приятными глазу. Слово «величие» всегда было связано с Римом с тех пор, как Эдгар Алан По написал свое стихотворение «К Елене». Хотя теперь ставшее избитым, оно все еще как нельзя лучше применимо и к архитектуре Вечного города, и к его инженерам.

Один историк объявил, что в городах Римской империи использовали системы осушения и водоснабжения. В них был обогрев домов, мощеные улицы, мясные и рыбные рынки, публичные бани и другие муниципальные удобства, которые способны конкурировать с современным оборудованием. Подобные обобщения могут стать причиной опасных заблуждений. Они связаны с другими факторами и условиями, которые могут не представляться читателю одновременно. Было бы ошибкой думать, что все римляне свободно пользовались возможностями своих городов. Тем не менее это утверждение ясно указывает на степень и эффективность римлян, активно применявших свои знания к проблемам повседневной жизни. В этом они были, согласно нашей концепции термина, исключительно способными инженерами. Их общественные бани – отличный тому пример.

Профессия римского архитектора, талантливого техника или инженера являлась в высшей степени уважаемой. Цензор Аппий Клавдий Красс прославился в римской истории своим акведуком, начатым в 313 году до н. э., и дорогой, построенной в следующем году. Юлий Цезарь всячески превозносил опыт инженеров, построивших мост через Рейн. Витрувий написал для своего патрона Августа трактат по архитектуре и инженерии, которым строители пользовались даже во времена Средневековья. Агриппа, министр Августа, был известным инженером. Император Клавдий активно интересовался общественными работами. Историк Тацит восхищался гением инженеров Нерона Севера и Целера. Император Адриан (76—138), сам хороший инженер, содержал целый штат экспертов, один из которых, Аполлодор из Дамаска, в рекордное время построил мост через Дунай, превзойдя достижения людей Цезаря и дав пример Карлу Великому.

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.

Строительство

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.

Водоснабжение

Витрувий в I веке до н. э. превозносил цемент из пуццолана за твердость. Его не могли разрушить волны и растворить вода. Тогда зачем римляне построили из камня, а не из бетона волшебные арки, которые до сих пор ведут через Кампанью в направлении Рима, пересекают ущелья Испании, вздымают ярус за ярусом Пон-дю-Гар (рис. 4.2), в 160 футах над рекой в городе Ним, во Франции? Для того, кто знаком с бетоном и каменной кладкой, ответ очевиден. Все дело в том, что для формовки бетона нужны сложные формы, а для каменной кладки – только подмости. Римляне знали и использовали дюкеры, по которым вода текла через долины, следуя рельефу земной поверхности. Почему они не строили трубопроводы большого давления из пуццолана вместо акведуков? Можно сомневаться, точно ли знали римские инженеры, насколько прочен их бетон. Возможно, они сознавали его слабость. Он, конечно, мог выдерживать давление, но не слишком большое, и не был способен противостоять разрушающему воздействию воды под давлением. Даже у лучшего современного бетона небольшая прочность на разрыв. Его следует усиливать металлом. Римляне с таким усилением не были знакомы.

Трубопроводы под давлением они строили из свинца. Трубы обычно сгибали из четвертьдюймовых листов на сердечниках. Швы предположительно соединяли расплавленным припоем. Последовательные участки по длине соединялись аналогичным образом внахлест. Римляне знали железо, но не имели чугунных труб. Им были известны бронзовые трубы, но они не использовали их широко. С бронзой было легче работать, чем со свинцом, и, безусловно, процесс был более дорогостоящим. Но прочность бронзы была несравненно больше, да и о деньгах вопрос, наверное, не стоял, поскольку стоимость каменных акведуков была все равно больше.

Рис. 4.2. Самый высокий сохранившийся древнеримский акведук Пон-дю-Гар

Домициан, император в 81–96 годах, едва ли думал о расходах, когда велел построить водопровод к своему дворцу на Палатинском холме. Его свинцовая труба имела диаметр 1 фут и пересекала равнину в 133 футах под резервуаром, который питался из акведука Аква Клавдия. Давление в нижней части дюкера достигало 60 фунтов на квадратный дюйм. Аналогичный дюкер был в районе Алатри, примерно в 50 милях от города. Он был построен в 134 году до н. э. и опускался вниз по вертикали на 340 футов, а значит, давление воды в нижней точке достигало 150 фунтов на квадратный дюйм. Судя по всему, диаметр трубы был 3,9 дюйма (10 см), а толщина свинцового листа – 0,4 дюйма (10 мм). Использование пуццолана для трубопроводов под водой было проблемой не давления, а удобства. С трубами, особенно из гибкого свинца, намного легче обращаться под водой, чем с бетонными. Недавно большой отрезок трубы из свинца, диаметром 6 дюймов и больше, лежащей на дне Нижнего Рейна в районе Арля, возраст которой пятнадцать столетий, был извлечен на поверхность судовым якорем.

Рис. 4.3. Итальянский полуостров

Витрувий объяснил способы снижения давления в свинцовых и глиняных трубах с помощью частых резервуаров, ровных участков, вентеров (невысокий мост, чтобы нижняя часть U-образного сифона была более плоской для уменьшения перепада высот) и других замедляющих устройств. Но римляне строили арочные мосты высоко над долинами, делали глубокие прорези и тоннели через каменные хребты, чтобы сохранить гидравлический градиент. Возможности металлов при этом ограничены. Самая крупная свинцовая труба, о которой упоминал Витрувий, была примерно 100 дюймов в окружности, а средние размеры акведуков – около 3½ фута на 6 футов. Кроме того, было довольно сложно контролировать утечки в каналах, находящихся не под давлением. По примерным оценкам, до того, как вода достигала города, половина воды, поступающей в акведук, терялась из-за утечек или воровства. Возможно, последнее было бы легче контролировать при использовании сифонов, но ремонт проще в случае арочных акведуков. Кроме того, римляне понимали, что загрязнение воды опасно, хотя и не знали ничего о бактериологии. Витрувий наблюдал отравление людей, работавших со свинцом, и предостерегал от использования свинцовых труб, рекомендовав вместо них глиняные.

Гидравлические инженеры Рима видели свою задачу так: иметь постоянный равномерный поток воды. Этого они могли добиться с использованием низких дамб, фидерных каналов и резервуаров-отстойников у источников, расположенных в 100 футах над уровнем моря. Потом воду можно было направить медленно по водоводам под землей в резервуары, расположенные в городе на высоте 200 футов. Холмы, понижавшиеся в сторону Кампаньи, обеспечивали равномерный уклон для акведуков; в хребтах проделывались тоннели, над низкими долинами строились мосты. Таким образом, римские акведуки оказывались в 10 милях от города. Только тогда они располагались на высоких конструкциях, идущих через Кампанью. Эти величественные арки занимали едва ли восьмую часть общей протяженности системы водоснабжения. Из соображений экономии более новый акведук нередко добавлялся к старому. Арки Аква Клавдия, к примеру, несли Анио Новус (рис. 4.4) через Кампанью. Аква Тепула и Аква Юлия были уложены на аркаду Марция.

Рис. 4.4. Два римских акведука: Анио Новус, построенный на аркаде Аква Клавдия

Римские акведуки с великолепными аркадами были самым впечатляющим римским достижением в инженерии. Древнеримский политический деятель I века н. э. Секст Юлий Фронтин с гордостью писал об акведуках: «Разве можно сравнить каменные громады акведуков с бесполезными пирамидами Египта или другими прославленными, но праздными сооружениями греков?» Их копировали во многих других областях империи. Сорок или пятьдесят амбициозных провинциальных городов имели системы водоснабжения, построенные по римскому образцу. Акведуки Сеговии в Испании, Афин и Константинополя до сих пор используются. Замечательный пример – акведук, снабжавший в римские дни водой Карфаген. Семь миль его частично разрушенных, но не утративших своего величия арок являются примечательной чертой африканского ландшафта. Инженеры Лиона, столицы Римской Галлии, использовали комбинацию арочных акведуков и водоводов с обратными сифонами – дюкерами. Понижая уклон более чем наполовину, они уменьшили и высоту, и длину арочной конструкции. Затем они переместили воду вниз по склону, по мосту через Рону и вверх по другому склону по восемнадцати 8-дюймовым свинцовым трубам, уложенным рядом. Вместе они были намного прочнее, чем одна труба такого же диаметра и пропускной способности.

В Риме насчитывалось 11 акведуков длиной от 10 до 60 миль. Первый был построен в 312 году до н. э., последний – в 226 году, пятью веками позже. По четырем акведукам осуществлялось ¾ водоснабжения. Хершель подсчитал, что восемь акведуков во времена Фронтина, 97 год, доставляли 220 миллионов галлонов воды ежедневно, или 110–120 галлонов на душу населения. Сегодня в Нью-Йорке и современном Риме потребление на душу населения составляет около 130 галлонов. Мы не имеем возможности точно указать, какая часть воды предназначалась для промышленного использования, санитарии, питья, пожаротушения и т. д. Некоторые современные города, такие как Париж и ряд американских городов, имеют двойное водоснабжение. В Риме было три практически независимые службы. Ключевая вода переправлялась по акведукам Марция, Клавдия и Вирго из распределительных резервуаров в общественные фонтаны, откуда большинство римлян ежедневно носили воду в свои дома для питья и хозяйственных нужд. Но следует помнить, что римляне, как и современные европейцы, не использовали воду в своих домах так свободно, как американцы. Вода со взвешенными частицами по акведуку Анио Новус доставлялась в общественные бани, на мельницы и в прачечные, где стирались белые или серые тоги, отличавшие жителей Рима. Излишки воды из всех резервуаров текли по улицам и заполняли коллекторы ливневой канализации.

Для личного употребления воды было немного. Самые богатые горожане правдами или неправдами проводили трубы в свои дома. Власти, судя по всему, никогда не думали о продаже воды, хотя они давали право взимать плату за использование общественных туалетов и вывоз бытовых отходов для удобрений. Вода в Риме была бесплатной, часто она считалась даром императора или богатого горожанина, который использовал для ее обеспечения добычу, захваченную в войне. Акведук Аква Марция длиной 55 миль был построен в 144 году до н. э. на доходы от победы над Коринфом и Карфагеном. Его стоимость по современным оценкам составляет около 9 миллионов долларов.

Мосты

Поскольку каменные мосты с полукруглыми арками и многие короткие пролеты являются типично римскими, существует тенденция считать, что римские инженеры больше ничего не строили. Они действительно проявляли талант и опыт и удивительно удачно вписывали свои арки в окружающий пейзаж. Они построили семь мостов через Тибр из тесаного камня с одинаково низкими полукруглыми арками. Шесть из них стоят и сегодня, хотя была произведена масштабная реконструкция – почти перестройка. Римляне построили виадук длиной более 600 футов через каменистое ущелье в Нарни, что на Фламиниевой дороге. Самая длинная из его четырех арок имеет пролет 138 футов. Они построили еще одну арку с более длинным пролетом в Оренсе, Испания, и огромный мост – вероятно, ставший их рекордом – через реку Тахо в Алькантаре. Его высота 175 футов. В нем шесть арок, две центральные, имеющие пролет 118 футов каждая, поддерживают дорогу длиной 600 футов. Инженер, руководивший его строительством во времена императора Траяна, в 98 году, искренне верил, что его творение будет стоять вечно. Однажды мост был частично разрушен, но восстановлен, часто ремонтировался и до сих пор открыт для движения транспорта.

В менее населенных районах римляне строили мосты типа «спина мула». Так они экономили расходы на обустройство подходов и уклонялись от сооружения удерживающих стен. Дорога шла по склону самой арки, как в случае с мостом Марторель в Испании (рис. 4.5), который приписывается маврам, но известно, что он был перестроен на месте римского. Там, где реки неглубокие, как часто бывает в Англии и других местах, римские строители вообще не строили мосты. Они мостили брод большими камнями и устанавливали предохранительные ограждения из горизонтальных брусьев на сваях с обеих сторон.

Рис. 4.5. Мост через реку Льобрегат в муниципалитете Марторель, Каталония, Испания

Главная трудность, с которой римлянам пришлось столкнуться и которая не перестала тревожить инженеров и сегодня, – обеспечение мостов фундаментом, который может противостоять всем капризам течения. Иногда они пытались преодолеть эту трудность исключительно весом кладки. Но только тяжелые опоры и арки с коротким пролетом, по сути, перегораживали поток, существенно увеличивая скорость течения вокруг опор. Как объяснил Витрувий, было недостаточно устраивать крепление из каменной наброски вокруг фундамента, потому что течение промывало отверстия ниже и подтачивало тяжелую конструкцию. По той или иной причине римские инженеры зачастую не беспокоились о создании адекватного фундамента, но, когда они это делали, старались проникнуть под самое капризное течение, даже если им приходилось докопаться до подстилающей породы. Один способ – забить сваи с железным наконечником, расположенные вплотную друг к другу, вокруг места, где должна стоять опора. Механизм, который они для этого использовали, не был подробно описан, но, вероятнее всего, это была обычная машина для забивки свай – тяжелый груз, поднятый лебедкой внутри поддерживающей рамы. Материал между сваями выбирался до твердого основания. После этого строили опору из пуццолана.

Рис. 4.6. Мост Фабричо (справа), построенный в 62 г. до н. э. и до сих пор стоящий, Рим

Если глубина была слишком велика для этого метода, римляне, вероятнее всего, окружали нужный участок крепью из свай, переплетенных ивовыми прутьями, сделанной водонепроницаемой с помощью глины – если пуццолан оказывался недоступным. Потом пространство внутри крепи осушалось с помощью водяных колес или винтов, и устраивалась прочная сухая кладка из тесаного камня – прямо на каменистом основании или на сваях, забитых в дно намного ниже уровня воды. Считается, что свайные основания моста Элия (ныне мост Святого Ангела) построены именно таким образом, поскольку они уходят более чем на 16 метров под Тибр. Однако, если судить по числу римских мостов, снесенных наводнениями, римские инженеры нечасто прибегали к столь трудоемким и дорогостоящим процедурам. Мост Фабричо, возведенный в 62 году до н. э., стоит до наших дней.

Мост Юлия Цезаря (рис. 4.7), построенный через Рейн в 55 году до н. э. в районе Мозеля и дальше – у Бонна, хорошо известен школьникам из-за причиняющей большое беспокойство латыни, которой он его описал. Инженеры Цезаря завершили строительство за десять дней после того, как собрали все материалы на берегу. Он имел длину ¼ мили, был построен на древесине, уложенной на сваи, забитые пучками на расстоянии 25 футов. Как крепилась древесина – не сказано в книге IV его «Записок». Цезарь, должно быть, очень спешил, иначе построил бы более прочную конструкцию. Между прочим, всего лишь через восемнадцать дней он приказал уничтожить мост. Более поздние римские мосты через Рейн тоже были из дерева. Никаких арочных камней не было обнаружено в их развалинах в Майнце, Треве или Кёльне. Дерево укладывалось на массивные опоры из каменных блоков, скрепленных между собой скобами и запечатанных свинцом. Опоры были установлены на пучках из 150–200 свай, забитых глубоко. Те, что в Кёльне, пришлось взрывать, чтобы извлечь из дна реки. Инженеры Константина построили мост в 310 году.

Рис. 4.7. Мост Цезаря через Рейн, построенный и уничтоженный в 55 г. до н. э.

Мост через Дунай возле Железных Ворот был самым претенциозным из всех римских мостов. По крайней мере, таковым его мнил Траян, поскольку велел изобразить его в барельефе на колонне в Риме в честь достижений императора. Он был построен в 104 году греком Аполлодором из Дамаска, который был самым прославленным инженером империи после Витрувия и Фронтина. Его портрет дошел до нас, вырезанный на колонне Траяна. О его творении нам известно лишь то, что изображено на колонне, а также из редких ссылок современных историков и рассказов о фундаментах опор, до сих пор видных в воде.

Рис. 4.8. Мост Аполлодора через Дунай на колонне Траяна

Мост имел длину около 3720 футов и ширину 40–50 футов. В нем 21 пролет размером 120 футов, или 177 футов от центра до центра опор. Представляется вероятным, что Аполлодор создал в середине реки большой искусственный остров, чтобы облегчить перегрузку материалов. Он построил фундаменты из трещиноватого камня, удерживаемого водонепроницаемой крепью, и поднял опоры высотой больше 60 футов. Можно было ожидать, что они построены из колотого камня, но в реке не было найдено никаких следов такой кладки. Как бы ни были построены опоры, очевидно, что их соединяли деревянные арки, поскольку это показано на колонне Траяна. Аполлодор выполнил работу всего за два или три сезона – удивительное достижение, даже если в его распоряжении для этого была вся армия. Как или почему мост Аполлодора через Дунай был разрушен, неизвестно. По одной версии, преемник Траяна Адриан приказал его разрушить, чтобы варвары не могли перейти по нему в империю.

Дороги

Римские дороги известны по праву. Римские государственные деятели рано поняли, что хорошая связь жизненно необходима для экспансии, управления, обороны и даже повседневной жизни государства. Они переняли навыки дорожного строительства у своих соседей этрусков, позаимствовали идеи у карфагенян и усовершенствовали их все. На вершине власти Рим имел транспортные артерии, протянувшиеся до самых дальних провинций и соединявшиеся со второстепенными дорогами. Вместе они составляли хорошо спланированную разветвленную дорожную систему протяженностью около 50 000 миль. Наличие такой дорожной сети позволяло быстро перемещать легионы с одной границы на другую, ускоряло и удешевляло передвижение путешественников и доставку грузов. Наряду с контролем Средиземноморья после того, как рухнуло морское господство Карфагена, эта система позволила создать империю, которую иначе создать было невозможно – или, по крайней мере, намного труднее, и уж точно ее нельзя было удержать. Без дорог город Рим вряд ли стал бы и остался метрополией.

Между тем многие рассказы о римских дорогах стали легендами, граничащими с абсурдом. Римские инженеры, разумеется, тратили меньше сил и энергии на строительство горной тропы, чем на Аппиеву дорогу – королеву длинных дорог, начатую Аппием Клавдием в 312 году до н. э. Идущая на юг и восток к Бриндизи на Адриатическом море, она стала транспортной артерией для перевозок и путешественников в Грецию, Египет, Левант, на восток и обратно. Инженеры в наше время классифицируют дороги по их предполагаемому использованию и строят их соответственно, так же поступали и римляне. Двенадцать таблиц Древнего Рима, датированные 450 годом до н. э. (самый ранний римский законодательный кодекс), официально классифицировали дороги по ширине: semita – узкая проселочная, предназначенная для пешеходов, шириной всего 1 фут; iter – для всадников и пешеходов, шириной 3 фута. Дорога, имевшая название actus, – для проезда одного экипажа – имела ширину 4 фута, а двухрядная via – 8 футов. Позднее эти размеры утратили свое значение. Самыми широкими из имперских дорог были крайне дорогостоящие Аппиева дорога и Фламиниева дорога. По Фламиниевой дороге шло движение за Альпы или вокруг головной части Адриатики в балканские регионы и далекую Византию (Стамбул). Менее важными, узкими и дешевыми были гравийные дороги в Альпах, дороги из булыжника, уложенного в землю, вдоль германской границы, и поверхности, отвержденные пеплом из расположенных по соседству литейных мастерских.

На всех важных дорогах, будь они в Италии, Африке, Англии или в других местах, определенные инженерные практики считались стандартными, независимо от того, какие местные материалы использовались при их строительстве. Земляное полотно осушалось дренажными канавами и штольнями, чтобы оставалось твердым. Дорожное полотно поднималось вверх и имело выгнутую форму, чтобы с него стекала дождевая вода. Римские дороги почти всегда были толстыми, а современные редко бывают толще 1½ фута. Некоторые римские дороги имели толщину 3–8 футов и состояли из 4–5 слоев. Там было 2-футовое основание из каменных плит, уложенных в раствор на земляное полотно и выровненное песком. Над этим располагался второй 9-дюймовый слой из щебня, смешанного с раствором и утрамбованного. Третий слой, тоже толщиной 9 дюймов, состоял из бетона с мелким гравием, и четвертый слой состоял из твердых каменных 2- или 3-футовых блоков толщиной около 5 дюймов, уложенных вплотную. Участки Аппиевой дороги (рис. 4.9) были построены именно так. Также существовали боковые дорожки шириной от 1½ до 8 футов, отделенные от главной транспортной артерии возвышением (бордюрным камнем) высотой 18 дюймов. Вдоль отдельных участков дороги стояли украшенные мильные столбы, гробницы и памятники.

Более дешевая дорога в Англии имела 5-дюймовый нижний слой из булыжника, 18-дюймовый слой смеси мягкого известняка, песка и земли, другой 18-дюймовый слой утрамбованной земли и верхний слой из каменных глыб и щебня. Еще одна дорога в Лондоне имела слой бетона с гравием толщиной 7½ фута, уложенный между удерживающими каменными стенами, поверх – белые глиняные плитки. Дорога через болото устраивалась на 4-футовых сваях, на которые последовательно укладывались слои кремня, известняка, гравия и земли, каменные плиты и мелкий гравий. Общая толщина – около 10 футов, хотя изначально могло быть меньше. Уотлинг-стрит, самая известная римская дорога в Англии, шла из Дувра через Кентербери к переправе через Темзу возле Лондона, оттуда, возможно, в Честер и далее на север, в Ланкастер и за его пределы. Ее конструкция по всей длине не была одинаковой. Некоторые части этой дороги недавно были раскопаны в Лондоне.

Рис. 4.9. Вдоль Аппиевой дороги в 1912 г.

О прямоте римских дорог говорят слишком много. Они выглядят прямыми на карте, хотя в действительности идут в одном направлении, не являясь идеально прямыми. Грома – инструмент, использованный римскими инженерами, не приспособлен для землемерной съемки на больших расстояниях. На самом деле они, вероятно, спрямляли свои дороги не с помощью специальных инструментов, а глядя вдоль ряда прямых реек или используя дымовой сигнал, заметный над встретившейся на пути возвышенностью. Даже если так, некоторые римские дороги в Англии не отклоняются от прямой линии больше чем на четверть или половину мили на протяжении 20 или 30 миль. Дорожные строители Рима допускали более крутые уклоны, чем сегодня, иногда достигая градиента в 1 фут на 5, или 20 процентов. Прорези в скалах часто очень глубокие. Есть запись о 117-футовой врезке в мраморную скалу на Аппиевой дороге возле Террачино. Такие прорези, вероятно, делались вручную, поскольку римляне не знали взрывчатки. Возможно, они расщепляли камень нагреванием с последующим резким охлаждением водой. Иногда они прокладывали тоннели через горные хребты. Тоннель Фурло на Фламиниевой дороге в Апеннинах имел длину 984 фута. Если строители чувствовали необходимость повысить уклон, независимо от длины, они делали это без колебаний. Насыпь через понтийские болота, что недалеко от Рима, протянулась на 18 миль.

Знаменитые римские дороги следует оценивать по адекватному выполнению ими функций, для которых они строились. Нет никаких сомнений в том, что в свое время они были в высшей степени эффективны. А в некоторых отношениях их достоинства вне времени. Римские viae строились надолго и выдержали испытание временем. На некоторых участках Аппиевой дороги изначальное дорожное полотно продолжало работать и в конце XIX века. Если верить римским рассказам, оно было не больше изношено, чем через 30 лет после его укладки. Поэт Гораций упомянул о своем путешествии из Рима в Бриндизи по Аппиевой дороге.

Хотя римские дороги были построены на века, им не хватало гладкости армированного бетона и упругости щебня XIX века. Их инженеры использовали щебень и, возможно, дорожные катки. Им был знаком природный асфальт, и они знали, как вавилоняне строили с его помощью. Но они не совмещали асфальт со щебнем. Этот лучший тип дорожной поверхности не использовался еще много веков. Римляне знали, что из их пуццолана получается превосходный цемент, но они никогда не наливали его в формы, чтобы изготовить плиты для дорожного строительства. Да и мысль о соединении металла и бетона для придания ему большей прочности, вероятно, их не привлекала, хотя греки укрепляли каменные кладки железными прутками. Если провести сравнение с современными дорогами, будет справедливо уподобить самые важные римские viae с мостовыми из гранитных блоков на некоторых наших городских улицах.

Озера, реки и гавани

В римские времена существовали некоторые проекты, которые мы сегодня назовем мелиорацией, регулированием речного стока, мерами против наводнений. Дамба Кар-Дайк шириной 60 футов и длиной 40 миль сделала возможным осушение плодородной территории вокруг Уоша, Англия. Сложное хитросплетение дренажных каналов под Римом, причем некоторые из них достаточно большие, как канализационные трубы в Париже в более поздние времена, сохраняло городские фундаменты прочными, хотя они стояли на болотистой почве. Юлий Цезарь потребовал, чтобы Понтийские болота и озеро Фучино были осушены и засеяны, чтобы увеличить снабжение города продовольствием. Эти болота до недавнего прошлого являли собой большую угрозу для здоровья жителей. Многие авторитеты уверены, что малярия добавила слабости римскому народу и в конечном счете способствовала его падению. Понтийские болота должны были осушить по требованию Цезаря, но причины этого требования нам неизвестны. На протяжении веков делались соответствующие попытки по приказу императоров, пап и других властей, но, только когда за дело взялся Бенито Муссолини, проект был наконец завершен. Его стоимость составила 35 миллионов долларов.

Мелиорация земель велась в бассейне озера Фучино по указанию императора Клавдия и через 100 лет после смерти Цезаря. Озеро располагается высоко в Апеннинах, в 50 милях к востоку от Рима. Из-за отсутствия адекватного водостока уровень воды в нем поднимался и опускался с дождями, часто разрушая крестьянские хозяйства на берегу. Инженеры Клавдия решили пробить тоннель в горе и отвести избыток воды в реку, расположенную в 3,5 мили к западу. Тоннель был пробит в скале на 1000 футов ниже вершины и тянулся на средней глубине 300 футов, пока не достиг реки. Общее снижение составило 28 футов на 3½ мили. Площадь поперечного сечения тоннеля – около 100 квадратных футов. Было построено приблизительно 40 шахт, самая глубокая – 400 футов. Многие из них были выложены древесиной, камнем или кирпичом. Кроме того, целая сеть наклонных галерей вела с поверхности к шахтам и тоннелю. Общая длина галерей и шахт по меньшей мере вдвое превышала длину главного тоннеля. Трудности с освещением и вентиляцией, вероятно, были весьма существенными. Две трети расстояния приходились на твердый камень, а оставшаяся треть – на грунт, который даже сегодня считался бы проблемным. Строители пробивались сквозь скалу, используя зубило и расщепляя камень, обливая нагретые поверхности холодной водой – древняя практика горных работ, кое-где сохранившаяся до нашего времени. Они поднимали осколки через шахты в медных ведрах, окованных железом, с помощью канатов и воротов, приводимых в движение мускульной силой. Согласно историку Светонию, работа потребовала усилий 30 000 человек на протяжении 11 лет. Ее стоимость была оценена в 1876 году и составила 70 миллионов долларов. Это был самый длинный искусственный подземный путь в мире до открытия в 1876 году тоннеля Мон-Сени.

Имя талантливого инженера, разработавшего проект Фучино, осталось неизвестным. Его первоначальные планы были отчасти нарушены подрядчиком, который носил красивое имя Нарцисс и был фаворитом императора Клавдия. Судя по всему, с ходом работ его одолела жадность. Тоннель не был четко выверен ни по направлению, ни по уклону, шахты располагались неравномерно, а поперечное сечение во многих местах было меньше, чем предполагалось. В результате тоннель работал не так, как должен был. Последующие императоры ремонтировали его в течение века или двух, они даже усовершенствовали его, но потом он все же вышел из употребления. Новый тоннель был проложен в 1875 году. Недостатки прошлого были исправлены, и уровень воды в озере Фучино понизился больше, чем по римскому плану.

Река Тибр представляла собой большую проблему для римских инженеров-гидравликов. Имеются в виду меры против наводнений. В I веке до н. э. они предприняли шаги для решения проблемы, которые работают и сегодня. Они ограничили реку стенами, поставленными с интервалами с каждой стороны. Таким образом, в период низкой воды река течет в узком русле, когда вода прибывает, она оказывается в более широком канале, а во время разлива – в самом широком. Считалось, что усиливающееся течение при низкой воде будет очищать канал и его не придется драгировать. План работал в верховьях реки, но в низовьях усиливал заиливание и уничтожил естественную гавань в Остии.

Римляне по своей природе не были мореплавателями, как их враги финикийцы и карфагеняне или как англичане елизаветинских времен, но они установили бесспорное морское господство на Средиземном море, которое было не менее важно для империи, чем военные дороги. Они понимали значение морского господства и необходимость порта для Рима. Клавдий, как и Траян бывший великим строителем, в 42 году велел создать искусственную гавань (рис. 4.10) в миле или около того к северу от устья Тибра. Там был создан резервуар площадью около 3000 футов, наполовину выкопанный на берегу, наполовину образованный молами или волноломами, выступающими в море. Вероятно, выполнились дноуглубительные работы в мелких местах, однако нет свидетельств существования у римлян драг. Молы или волноломы строили из трещиноватого камня или каменной наброски, сброшенной за борт в воду глубиной 15 или 18 футов. Клавдий соорудил на входе в гавань впечатляющий маяк. Одно из самых крупных судов того времени, которое использовалось для доставки обелиска и почти 1000 тонн чечевицы из Египта, стало на якорь у прохода в одном из волноломов. Его наполняли бетоном, смешанным с камнями, пока оно не затонуло. Стены из тесаного камня были поставлены на фундамент. Маяк, смоделированный по образу и подобию Фаросского, возвышался почти на 200 футов. Его свет – от горящей смолы – был виден за много миль в море.

Жилые дома Остии указывают на плотность населения в этом порту. В складах и на причалах кипела жизнь. В следующем веке император Траян добавил новые постройки, создал внутренний бассейн и соединил гавань с Тибром каналом. Все это свидетельствует об интересе римлян к морю. Но несмотря на их силу на море и ее важность для империи, римляне не стали мировой морской империей. Да и римские инженеры не внесли большого вклада в инженерное искусство, связанное с морем.

Рис. 4.10. Гавани Клавдия и Траяна

Среднее римское судно, которое входило в эти гавани, имело почти такие же размеры, как «Мейфлауэр»: ширину 26 футов, длину 90 футов, грузоподъемность 180 тонн. Между тем римские суда, которые везли из Египта в Италию пшеницу, были намного больше. Сохранились записи об одном судне грузоподъемностью 250 тонн и длиной 95 футов. Судно, которое доставило обелиск и впоследствии было затоплено в Остии, став частью волнолома, вероятно, было в несколько раз больше зернового судна, если верить описанию Плиния. Как и ранние средиземноморские торговые суда, римские суда были главным образом парусниками. Но римляне на своих судах ввели одну важную инновацию. В дополнение к грот-мачте они добавили еще одну мачту в носовой части. Эта передняя мачта, аналогичная бушприту, была наклонена над водой и несла прямой парус. Он увеличивал скорость и остойчивость судна, но не позволял плыть против ветра. Крупные римские торговые суда могли существенно продвигаться вперед, только если ветер дул позади траверза.

Измерения

Римляне не пользовались инструментами и оборудованием, которых можно было бы ожидать, учитывая их творения. Витрувий считал, что инженер должен иметь глубокие знания науки и ремесел, однако он увещевал своих коллег, а не описывал состояние их образования. Они не использовали, хотя могли бы, математику Евклида, Архимеда и др. Не исключено, что математические знания многих из них не шли дальше арифметики и даже умножение было для них сложным. Они не применяли тригонометрию, а основывали свои измерения на прямоугольной системе решеток. Несомненно, римские инженеры имели некоторые эмпирические знания геометрической перспективы, потому что многие рельефы в бронзе и мраморе, которые они сохраняли как административные документы, показывают горизонтальные проекции, виды спереди и сбоку и косые проекции, или виды с высоты птичьего полета их зданий.

У нас почти нет свидетельств того, что они использовали в более или менее значительной степени конические сечения, параболы, гиперболы или другие кривые, к примеру спираль Архимеда, свойства которых уже изучались. Римляне неизменно выбирали полукруги для арок, но никогда не строили параболические или эллиптические арки, хотя применяли эллипс для горизонтальных конструкций. Гигантский каменный Колосс, открытый императором Титом в 80 году, имел эллиптический план. Были и более ранние амфитеатры, эллиптические в плане, построенные из дерева. План римского амфитеатра в Поле, возможно, построенный в первые годы нашей эры, тоже эллипс. Проверка современными инструментами показывает среднее отклонение от истинного эллипса не более 6 дюймов. Подобная точность удивительна. Поражает то, что римские инженеры могли выполнять такие работы, ничего не зная о свойствах по крайней мере одного конического сечения. Возможно, они знали, что в эллипсе сумма расстояний от любой точки на кривой до двух фокусов постоянна. Не исключено, что они также строили эллипс, как многие делают сегодня, определив его фокусы, а затем проведя маркером вдоль ненатянутого шнура, концы которого прикреплены к фокусам.

У римлян, по-видимому, не было систематической теории касательно напряжений, нагрузок и распределения весов. До 1500 года, иными словами, до эпохи Ренессанса, не существовало науки статики, или равновесия сил. Римские инженеры не делали количественных тестов для определения сопротивления материалов под нагрузкой на сжатие, изгиб, разрыв и сдвиг. Они не понимали, что прочность балки зависит от ее формы, так же как от площади поперечного сечения. Они не знали, что изменением формы поперечного сечения можно уменьшить вес балки, не снижая ее прочности. Можно предположить, что римские инженеры были бы удивлены, выяснив свойства наших двутавров и железнодорожных рельсов. Они строили свои гигантские акведуки и мосты прочно и надежно, проявляя осторожность и здравый смысл. При этом оставались в пределах соответствующих границ безопасности – или своего невежества, можно и так сказать. Некоторые их конструкции простояли двадцать веков при полном отсутствии технического обслуживания.

В то же самое время, однако, римляне намеренно возводили до опасных высот жилые дома, которые часто рушились. Над роскошными апартаментами на нижнем этаже эти дома были заселены в основном бедняками. Возможно, это объясняет их шаткость и непрочность. Сатирик Ювенал высмеивал жадность домовладельцев. Возможно, эти дома строили с целью получения быстрой выгоды, потому что нередко их сносили раньше, чем они успевали разрушиться сами. Как утверждал Витрувий, Рим рос очень быстро, расчетливо балансируя между ценой и здравым смыслом. Стоимость труда не принималась в расчет, как в любом современном инженерном проекте. Рабов следовало где-то держать и кормить, но, пока римские генералы выигрывали сражения, недостатка в людской силе не было. Римские государственные деятели не испытывали угрызений совести, порабощая военнопленных.

Для землемерных работ римские инженеры могли использовать два греческих инструмента. Они назывались грома и диоптра. Грома была проще для проведения прямых линий и прямых углов. Как и крест ранних американцев, этот инструмент состоял из двух спиц, закрепленных под прямым углом друг к другу. С каждого конца свисали свинцовые отвесы. Спицы горизонтально лежали на подставке. Глядя вдоль любой пары отвесов с противоположного конца спицы, можно было определить точку, расположенную на удалении 100 футов или около того, с ошибкой не более 6 дюймов на 100 футов.

Рис. 4.11. Римская грома

Конечно, если ветер не раскачивал отвесы. Описания этого инструмента были настолько расплывчатыми, что его не удавалось представить до 1912 года, когда в руинах Помпеи была раскопана контора землемера, где обнаружились неповрежденными металлические части громы. Диоптра (рис. 4.12), предок теодолита, имевшая примитивный уровень, закрепленный на ней, была точнее. Герон утверждал, что с ее помощью можно измерять расстояние между звездами и определять затмения солнца и луны. Но как именно это делать, он не уточнил. Витрувий понимал ограниченность инструмента. Его металлический брусок, установленный на подставке, мог свободно поворачиваться по горизонтальной или вертикальной дуге. Визиры на обоих концах бруска позволяли определить точку и провести к ней прямую линию.

Рис. 4.12. Диоптра Герона

Для фундаментов мостов и длинных акведуков римляне предпочитали другой нивелир – хоробат. Вероятно, в их руках он был точнее, чем предполагает его простейшая конструкция. Ведь это была всего-навсего 20-футовая линейка, установленная на двух одинаковых опорах под прямым углом к ним. На поверхности линейки проделан желоб для воды. Наблюдая за прикрепленными к балке отвесами или наклоном воды в желобе, можно определить горизонтальное положение прибора. При коротких расстояниях римляне использовали инструмент libella – отсюда слово level – уровень. Инструмент напоминал прописную букву А с отвесом, подвешенным к вершине, который совпадал с вертикальной

отметкой на перекладине при достижении уровня. Римляне умели также определять подъем или уклон от установленного возвышения. Линейные измерения небольших расстояний выполнялись градуированными шестами высушенного дерева с металлическими наконечниками. Для больших расстояний использовались канаты и веревки, покрытые водонепроницаемым составом, чтобы не допустить усадки. И еще было вращающееся устройство, которое сегодня называется одометр или мерное колесо.

Точность, которой достигали лучшие римские землемеры с помощью этих простых инструментов, не может не удивлять, потому что у них не было телескопических визиров, верньеров, спиртовых уровней и другого оборудования, без которого не могут обходиться современные геодезисты. Согласно законодательству начала XIX века, границы секций в западной части Соединенных Штатов должны были замыкаться каждые 6 миль с возможным отклонением не более 33 футов. В действительности ошибка была даже меньше. Римская граница в Бадене, Германия, отклонялась от прямой линии не более чем на 7 футов с каждой стороны на расстоянии почти 20 миль по неровной поверхности.

Римский agrimensor, он же землемер, в его время пользовался большим уважением и восхищением. Известный историк и церковный деятель VI века Кассиодор, когда ему потребовался землемер для урегулирования пограничного спора, грозившего войной, восхитился его деятельностью и заявил, что «профессора этой науки» достойны более серьезного внимания, чем любые другие философы. Греческая и римская землемерная съемка была первой прикладной наукой в инженерии и практически единственной на двадцать веков.

Машины

Современная технология использует большое количество энергии, чтобы заменить мускульную силу человека. Сложные машины снабжаются энергией из природных источников. Некоторые из этих машин неэкономичны, потому что неэффективны. Но римские инженеры удивились бы их мощью и скоростью, поскольку в сравнении с ними римские машины были медленными и имели ничтожные возможности. Эти медленные и сравнительно простые устройства обычно приводились в действие человеком – его руками и ногами, иногда животными и очень редко водяными колесами. Величайшие постройки, описанные ранее, возводились с использованием рудиментарных форм механической энергии и большим расходом человеческой энергии. Это вовсе не означает, что римляне не интересовались приборами, экономившими человеческие усилия и повышающими эффективность работ. Ведь они все же использовали противовесы и рычаги, как и греки до них. Впрочем, они не больше, чем египтяне или другие древние народы, заботились о массе людей, физическую силу которых использовали. В общем, источником энергии римского инженера и всех его предшественников были физические усилия человека. О разрушительных римских военных катапультах, таранах и осадных машинах известно больше, чем о строительных механизмах, однако разумно предположить, что некоторые военные машины могли быть адаптированы к строительству. Витрувий описал несколько таких механических инструментов. Среди них – деррик с тремя шкивами. Этот trispastos – триспаст (рис. 4.13) приводился в действие человеком с помощью кабестана и большого колеса, вращавшегося на горизонтальной оси – своего рода беговая дорожка или топчак. Сохранился барельеф с изображением такого крана. Непонятно, для чего использовалась беговая дорожка – для поворота крана или для подъема груза. Возможно, обе операции выполнялись одновременно. Если так, римлянам был знаком принцип современного грузоподъемного двигателя. Им не хватало механической энергии.

Располагая только такими простыми инструментами и неограниченными человеческими ресурсами, римские инженеры поднимали египетские обелиски и переместили 18 кубов из паросского мрамора – каждый весил более 50 тонн, – из которых была построена колонна Траяна. Таким образом они также поднимали тысячи тонн камней, которые шли на строительство акведуков. На строительство акведука Клавдия, имевшего в высшей точке высоту 75 футов, ушло 560 000 камней, что составляет более 40 000 груженых повозок в год в течение четырнадцати лет работ.

Рис. 4.13. Триспаст, используемый на строительстве гробницы

У римлян было три типа машин для подъема воды; tympanum, или барабан, cochlea, или архимедов винт, и силовой насос. Они приводились в действие ручным (или ножным) управлением. Сохранилось много образцов tympanum – барабана, особенно в римских шахтах Испании. Они были разных размеров: в среднем диаметр 14 футов, имели четыре ступеньки для ног вдоль ободов на спицах и были оборудованы четырьмя открытыми коробами или ведрами для зачерпывания воды. Обычно их делали из дерева, но иногда они имели бронзовые оси. Последовательно вращаясь, они могли поднимать воду. Но каждый барабан требовал усилий по крайней мере одного человека, сидящего над ним и толкавшего ступеньки ногами. Барабаны, очевидно, хорошо зарекомендовали себя в римских шахтах. Нет никаких записей о том, что шахты были оборудованы машинами, приводимыми в действие животными, до XIV века.

Cochlea – машина, известная грекам, упомянута здесь, поскольку была стандартным оборудованием римских шахт. Архимедов винт римлян имел длину 10–12 футов и представлял собой деревянный сердечник с полоской дерева или меди, прикрепленной к нему по спирали. Все это было заключено в цилиндр из планок. Устройство устанавливалось в наклонном положении под углом 20–45 градусов, и вращение осуществлялось с помощью рукояток. Их располагали последовательно одно над другим, и можно было поднимать воду на такую высоту, какую позволяли местные условия. Трудно предположить, что подобным образом могла быть достигнута высокая скорость или эффективность, однако широта распространения архимедова винта предполагает, что он обладал немалыми преимуществами. Представляется, что cochlea была эффективнее tympanum. Винт поворачивал только один человек, в то время как вес барабана требовал усилий двух или трех работников, да и поток воды был равномернее и устойчивее. Согласно авторитетному автору Оливеру Дэвису, cochlea олицетворяла собой самое эффективное применение силы к задаче осушения шахт до того, как человеку пришла в голову идея использовать вместо себя животных.

Далее мы переходим к описанию насоса, поднимающего воду на высоту. Мы поместили его в эту главу о Древнем Риме, потому что инженеры эллинского мира ничего не делали с его использованием, в отличие от Витрувия. Судя по детальному описанию Витрувия, римские инженеры хорошо знали принципы действия силового насоса и технологию его изготовления. Он называет его водоподъемной машиной Ктесибия: «Ее делают из меди.

Рис. 4.14. Cochlea с коленчатым рычагом

В ее основании на небольшом расстоянии друг от друга ставят парные цилиндры с трубками, соединяющимися наподобие вилки и сходящимися в сосуд, помещенный посередине. В этом сосуде в верхних соплах трубок делают точно пригнанные клапаны; они, закрывая отверстия сопел, не дают вернуться тому, что было выжато в сосуд вдуванием…» Далее следует столь же подробное описание: «Ни прямолинейное движение без кругового, ни круговое движение без прямолинейного не могут поднять груз». Его собственные наброски к манускрипту не сохранились, однако описание настолько ясное, что вопросов относительно конструкции водоподъемных механизмов не возникает. Их можно было соединять с водяным колесом или «беговой дорожкой». Насколько широко распространено и эффективно было их использование, точно не известно. Витрувий писал, что они применялись для подъема воды из расположенных внизу резервуаров к общественным фонтанам, но не уточнил, насколько широко. Он также ничего не сказал о необходимой для них энергии, а другого свидетельства римских времен не существует. Фронтин, писавший около 100 года об огромных акведуках и системе водоснабжения Рима, не упоминал о конструкции или использовании водоподъемных механизмов – насосов.

Рис. 4.15. Мукомольная мельница и подливное водяное колесо

Римляне периодически использовали энергию воды, чтобы дополнить или даже заменить людей и животных. Они усовершенствовали ручную мельницу, на которой древний человек получал муку. Верхний камень стал вогнутым и приобрел форму песочных часов. Его нижний раструб был насажен на коническое основание, а верхний стал воронкой для зерна. С обеих сторон крепились рычаги. В руинах Помпеи, уничтоженной Везувием в 79 году, был найден барельеф с изображением осла, привязанного к подобной мельнице. Плиний Старший, завершивший написание «Естественной истории» за два года до катастрофы, в которой он погиб, утверждал, что итальянцы мололи зерно в таких мельницах, так же как и в ручных. Водяные мельницы были более сложно устроены. Витрувий дал ясное описание зубчатых барабанов, зацепляющихся под прямыми углами и передающих энергию от подливных водяных колес, вращающихся на горизонтальных осях, к мельничным жерновам, вращающимся, разумеется, вокруг вертикальных осей.

Других ссылок на водяные колеса в римской литературе немного, но достаточно, чтобы доказать важность водяных мельниц (рис. 4.15) для Рима. Их было много на склоне Яникула, чтобы использовать поток из резервуара Аква Траяна, стекающий вниз. Там, безусловно, применялись подливные колеса, которые было легко поместить в поток, однако есть свидетельства того, что римлянам были известны наливные колеса, устанавливаемые под мельничным лотком и поворачиваемые и весом, и толчками падающей воды. Каменная кладка римского водяного колеса до сих пор находится в афинской Агоре. Оно имело диаметр около 10 футов, и мельничный лоток располагался на 4½ фута выше. Дата постройки 457–474 годы.

Между тем самыми известными водяными колесами в римской истории были подливные колеса, которые византийский военачальник времен императора Юстиниана Велизарий установил в реке Тибр в период обороны Рима в 537 году. Готы перерезали акведуки на дальней стороне Тибра и остановили городские мельницы. Велизарий протянул ряды тросов через реку и попарно пришвартовал к ним баржи. Водяное колесо было установлено между баржами и соединено с мельничными жерновами на баржах. Утверждают, что таким образом Велизарий использовал течение реки и обеспечил население города мукой на протяжении всей осады.

Добыча полезных ископаемых и металлургия

Римляне активно искали полезные ископаемые и были практически так же примитивны в своих методах добычи, как и другие народы древности. Но в 50 году до н. э. их сенат ограничил разработку месторождений в Италии. Плиний Старший заявил, что в стране изобилие металлов. По его словам, сенат предпринял это действо, чтобы сохранить полезные ископаемые Италии. Более поздние историки с ним не согласились, посчитав, что в основу этого решения положены сложные военные и политические причины.

Римляне часто оставляли завоеванные территории местным жителям, обязав их платить дань, но месторождения – никогда. Даже будучи общественной собственностью и отданные в аренду пришельцам поля плодоносили и для местного населения, и для римлян. Но с полезными ископаемыми все было иначе. Республика присвоила себе практически все минералы: те, что принадлежали бывшим правителям, – по праву победителей, те, что находились в частном владении, – посредством конфискации или принуждения к продаже. И преемники республиканцев, императоры, отождествлявшие себя с государством, поступали так же, в первую очередь думая о личном обогащении, а уж потом об общественном благе.

Независимо от изменения титула и уровня дохода, римские власти, республиканцы и императоры, не сомневались, что природные ресурсы – монополия государства и должны разрабатываться государством для себя. Так оно в целом и было, хотя некоторые месторождения не самых ценных металлов оставались в частном владении или позже, после упадка республики, были отданы в собственность семействам фаворитов-патрициев, которые аккумулировали огромные состояния, якобы работая на государство. Едва ли можно было ожидать от этих, по сути, мародеров обеспечения прогресса и охраны рабского труда – разве что проводилось минимальное содержание и техническое обслуживание. Владельцы месторождения стремились как можно скорее и дешевле извлечь металл из земли. Человеческая жизнь практически ничего не значила для римлян, тем более когда речь шла о рабах, трудившихся в шахтах. Понятно, что они использовали водяные винты и барабаны для очистки галерей и штолен, но они должны были работать постоянно, чтобы разработка не была затоплена и сами рабочие не утонули.

Нет никаких сомнений в том, что в Риме были опытные и умелые металлурги. Это наглядно показывает их продукция, которая сейчас хранится в разных музеях мира. Но нет никакой современной литературы, описывающей методы их работ и формулы. Такие технические сведения передавались только устно от поколения к поколению мастеров. Практически все сведения получены на основе исследования образцов готовой продукции. Римляне творили волшебство из металла, но как они это делали – никто не знает. По-видимому, не было налажено сотрудничество между теми, кто писал, и теми, кто работал с металлом, по крайней мере до того, как монах Феофил около 1050 года написал трактат о металлургии – руководство для рабочих. Плиний Старший попытался сообщить некоторую информацию в «Естественной истории», завершенной в 77 году, но его наблюдениям не хватало как технических знаний, так и практического опыта. Его теория относительно вреда меди в железе просуществовала до недавнего времени, хотя сейчас медь успешно используется в стали там, где необходимо повышенное сопротивление коррозии. Витрувий также писал о металлах, особенно об использовании свинца для изготовления труб, но его вклад в наши знания о римской металлургии ничтожен в сравнении с его информацией об архитектуре и машинах.

Византийская инженерия

Представляется очевидным, что инженерное искусство вошло в новую стадию повышенного интереса к себе и практической важности, когда лидерство в западном мире в VI веке переместилось от Рима к Константинополю. Стены византийской столицы, поднимающиеся ряд за рядом на высоту свыше 40 футов, – одна из европейских достопримечательностей. В течение тысячелетия они успешно отражали нашествия варваров. Во многих местах их толщина достигает 14 футов, при этом сердцевина делалась из бетона. Прочная каменная кладка не требовала особой облицовки и на отдельных участках покрыта обычными кирпичами. Однако в самых уязвимых местах имелись тесаные камни, скрепленные железными скобами. В дополнение к этим фортификационным сооружениям в разные времена через бухту Золотой Рог были протянуты тяжелые железные цепи. Части цепи, которая использовалась в 1453 году, когда город в конце концов сдался туркам, до сих пор можно увидеть в церкви Святой Ирины в Стамбуле.

Для организации водоснабжения инженеры Константинополя копировали римские работы. Их наиболее впечатляющие творения – акведук, названный в честь Юстиниана, хотя он, вероятнее всего, был построен двумя веками раньше при Константине и после этого перестраивался. Константинопольские инженеры продемонстрировали свое мастерство при создании подземных резервуаров внутри городских стен. Историк Прокопий описал, как император Юстиниан велел вырыть котлован на очень большую глубину – до скальной породы, чтобы обеспечить запасы воды на сухой сезон и на случай осады. Украшенная цистерна, известная как 1001 колонна, располагается на глубине 50 футов ниже уровня земли и вмещает более 9 миллионов галлонов воды. Остатки другой цистерны, названной подземным дворцом, имеют 336 колонн в 28 рядах.

Рассказ Прокопия, датируемый примерно 560 годом, является одним из самых ранних описаний инженерии, практиковавшейся в течение многих веков. У Юстиниана была защищенная гавань там, где раньше не было ничего. Его инженеры опустили на дно огромные срубы, или ряжи, а поверх – тяжелые камни, расположив все это в виде сходящихся линий, протянувшихся с берега. На этих основаниях – кессонах – строились волноломы из грубо обработанных камней. Метод был, по сути, тем же, что использовали инженеры Клавдия в Остии пятью веками раньше.

Дамба в районе византийского города Дара на персидской границе была намного важнее, поскольку демонстрировала отход от установившихся инженерных практик. Подобный тип можно видеть в каньонах запада Соединенных Штатов. Хрис из Александрии, один из инженеров Юстиниана, соединил концы дамбы в Даре со скалами и повернул ее вверх по течению полумесяцем или аркой, так чтобы давление воды шло горизонтально вдоль арки к краям. Ворота плотины на верхнем и нижнем уровнях давали возможность сбрасывать излишки воды. Как эти ворота открывались и закрывались, Прокопий не объяснил. Он счел более важным сообщить, что, когда Хрис услышал новость о катастрофическом наводнении в Даре, он отправился спать, крайне огорченный, и видел сон. Результатом стал план, чудесным образом совпавший с тем, что пришел в голову императору, безусловно вдохновленному свыше. Инженерам Анфимию и Исидору оставалось только скромно замолчать, поскольку Бог стал партнером императора во всех делах, которые приносили пользу государству, и план Юстиниана и Хриса был принят.

Рис. 4.16. Структура собора Святой Софии, Стамбул

Анфимий из Тралл, что в Лидии, и Исидор из Милета оставили видный след в истории реконструкцией церкви Святой Софии, точнее, Хагия София, церкви Божественной мудрости (рис. 4.16). Реконструкция началась в 532 году по распоряжению императора Юстиниана. Как и Архимед, Анфимий был математик и опытный экспериментатор в области механики и оптики. Он описал, как Архимед сжег корабли с помощью системы зеркал, и, как утверждают, изучал параболу. Традиционно считается, что он открыл использование пороха. До нас дошли только отдельные фрагменты его трудов. Об Исидоре известно лишь то, что он был известным математиком, а также коллегой и преемником Анфимия в реконструкции собора Святой Софии.

Византийские инженеры расширили и развили принцип арки. Речь идет о фиксации напряжений от более или менее постоянной нагрузки с тем, чтобы распределить по отдельным точкам опоры, между которыми останется свободное пространство. Византийская конструкция, ушедшая далеко вперед по сравнению с трудами египтян, греков и римлян, состояла из купола или полой полусферы, опиравшейся на углы квадратной башни, диагонали которой равнялись диаметру основания купола. Части купола, которые иначе должны были свисать, переходили в плоскости боковых стен башни, образуя полукруглые арки и оставляя над каждым углом башни перевернутый сферический треугольник, известный в архитектуре как тромп купола, который передавал вес купола и того, что на нем располагалось, башне и далее фундаменту. В некоторых случаях вертикальный цилиндр, находившийся на главном куполе, венчал меньший.

Основываясь на этих принципах, Анфимий, Исидор и их коллеги возвели конструкцию, считающуюся одним из величайших творений человеческого гения. Она стоит на каменном основании, и ее сложнейшая крыша поддерживается на высоте 180 футов над землей четырьмя арками с пролетом 100 футов и колоннами толщиной 25 футов. Святая София простояла более четырнадцати столетий. Нам неизвестен точный состав раствора, который использовался в этом сооружении, так же как и, вероятно, в других постройках этого периода. Георгий Кодинос, известный автор XIV–XV веков, утверждал, что раствор состоит из битой черепицы, вареного ячменя, извести и рубленой коры ильма. Чтобы замедлить его схватывание, использовалась тепловатая вода. Он утверждает, что в конечном счете раствор стал твердым, словно железо. Не исключено, что ему можно верить, потому что автор, как известно, имел доступ к древним манускриптам. Очевидно, никому не пришло в голову провести современные испытания прочности раствора из Святой Софии на разрыв.

Глава 5

Революция в энергетике

Линн Уайт в ставшей теперь классической статье «Технологии и изобретения в Средние века» писал: «Главным достижением Средневековья были не его соборы, не его этика или схоластика, а построение впервые в истории сложной цивилизации, не основанной на применении тяжелого труда рабов или кули». Средневековая энергетическая революция определенно является одним из ярких и важных событий в истории. Тем не менее столетия, последовавшие за упадком Римской империи, часто называют на западе Темными веками, и многие полагают, что никого, кроме церковнослужителей, не интересовали проблемы улучшения условий жизни людей в это время. Однако все же были инженеры, успешно применявшие свои знания, чтобы удовлетворить потребности современников. Они занимались изобретательской деятельностью, делали важные открытия. Было бы ошибкой считать, что западная цивилизация в эти времена вернулась к примитивным условиям, предшествовавшим даже шумерам и египтянам, поскольку, когда римские границы ослабели, Западную Европу захлестнули волны кочевников. На самом деле варвары принесли с собой многие новые знания и внесли весомый вклад в развитие западной цивилизации. Варвары доставили не только такие инженерные инновации, как компактный дом и высокий деревянный шпиль, но также показали нам такие вещи, как штаны, масло и мыло.

Цивилизация, которой варвары отдали свои знания и опыт, унаследовала в основном традиции греко-римского мира. Понятно, что, если речь идет о науке и технологии, христианский Запад придерживался римских традиций, которые предпочитали инженерию, а не чистую науку. Зато ислам унаследовал и поддерживал в Средние века греческую науку и технологии. На Западе практически не было научной деятельности до XII–XIII веков, когда западные ученые стали переводить арабские научные труды на латынь. Мусульмане перевели большинство греческих научных книг на арабский язык пятью веками раньше. Таким образом, две разные традиции, возникшие с подъемом римлян в классической древности, продолжались раздельно приблизительно до XIII века. Когда латинский Запад начал принимать греческие научные знания, которые мусульмане передали и дополнили, две традиции начали сливаться.

Большое значение для стимулирования развития источников энергии, не связанных с человеком, имели упадок института рабства и продолжающийся рост христианства. Как указал Линн Уайт, история средневековой технологии в определенной степени является историей религии. Христианский идеал вечной ценности человека и соответствующее нежелание заставлять людей выполнять работу, не требующую ни интеллекта, ни проницательности, были среди главных факторов, которые спровоцировали эволюцию механической энергии как замену человеческим мускулам. Не будет преувеличением утверждать, что христианская этика частично обусловила подъем энергетики. Вместе с тем именно энергетика сделала возможной более масштабную реализацию христианских идеалов и внесла большой вклад в развитие человеческого достоинства и свободы на Западе.

Средневековые инженеры, конечно, не ограничивали себя только энергетикой. На самом деле они продвинули многие формы римской инженерии, с такими исключениями, как бетонные конструкции и дорожное строительство. Важные успехи были достигнуты в строительстве зданий, мостов и каналов. Также были сделаны некоторые муниципальные усовершенствования. Тем не менее только новая энергетика впервые в человеческой истории начала освобождать людей, прежде бывших главными источниками энергии. Именно она была ответственна за перемены в образе жизни человека, начавшиеся в Средние века.

Энергия

Вода, ветер и сила животных стали главными источниками энергии, не связанными с мускульной силой человека, которые развивали средневековые инженеры. Новые движущие силы использовались для эксплуатации новых типов машин, изобретенных в Средние века. Современное машиностроение в большой степени произошло от примитивной ручной мельницы, сделанной из двух жерновов – один вращался на другом, которые приводились в движение вручную. Витрувий объяснил, как появились передаточные механизмы из штырей и углублений, так чтобы движение могло передаваться под любым углом относительно вращающейся оси. Некто в высшей степени изобретательный придумал коленчатый рычаг для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Коленчатый рычаг – кривошип – определенно использовался около 850 года, поскольку его изображение упомянуто в Утрехтском псалтыре (рис. 5.1). Водяное колесо, вероятно, было изобретено в I веке до н. э., и аналогичные приспособления, которые называли норвежскими мельницами, были широко распространены в Северной Европе. Есть свидетельство существования ранней водяной мельницы в Индии. Горизонтальные колеса с вертикальными осями не могли быть эффективными, если только не поместить их на границу течения или в водоворот. Но когда появились передаточные механизмы и колеса начали устанавливать в потоке воды вертикально, под прямым углом к оси жернова, широкое распространение получило вертикальное водяное колесо с горизонтальной осью.

Римляне познакомили разные регионы Европы с вертикальным водяным колесом в последние века империи. Поэт Авсоний писал о нем в IV веке, утверждая, что оно шумно мелет зерно и пилит камни на реке Рур, притоке Мозеля в Германии. Колеса часто крепили к баржам, стоящим на якоре на реках, как в классическом примере, когда Велизарий в 537 году защищал Рим от готов. К XI веку водяные мельницы уже широко применялись для разных целей. Они мололи муку, двигали кузнечные меха, приводили в действие пилы, использовались в сукновальных машинах, для производства бумаги, для нагнетания воды (рис. 5.2). Они работали в соляных шахтах, в пивоварнях, на фабриках.

Рис. 5.1. Самое раннее известное изображение коленного рычага для обеспечения вращательного движения, около 850 г.

В английской Книге Судного дня, датированной 1086 годом, сообщается о нескольких тысячах водяных колес разных типов, использованных на острове, которые обслуживали население, насчитывающее около 2 миллионов человек. Такие колеса часто устанавливали под мостами, чтобы использовать преимущества более быстрого течения там, однако вибрация разрушала мосты. Мост Нотр-Дам в Париже, построенный из дерева в 1413 году, по этой причине был полностью перестроен в 1440 году. Колесо также было приспособлено для использования течения под Лондонским мостом.

Рис. 5.2. Трехступенчатый насос в шахте рудника, приводимый в движение подливным колесом

Неизвестно, когда кому-то пришло в голову использовать энергию падающей воды, а не течения. Поток энергии может быть постоянным, пока остается постоянным напор воды, которая льется на жернов. В главе 4 упоминается о римском колесе в афинской Агоре, в котором использовалась энергия падающей воды, однако нет никаких указаний на то, что этот тип более или менее широко распространялся до XIV века. Хотя Бирингуччо довольно подробно описывает разные приспособления, используемые в металлургии, он говорит только о «водяных колесах» и считает само собой разумеющимся, что читатели знают, о чем идет речь. В 1556 году Агрикола изобразил верхненаливное водяное колесо (рис. 5.3). Грубые наброски такого колеса периодически появлялись на протяжении XIV века, а значит, люди постепенно оценили его превосходные качества. Водонепроницаемые дамбы и каналы для мельничных потоков было трудно строить и очень дорого обслуживать. Кроме того, население зачастую выступало против, особенно в Англии. Людям не нравилось, что общественные реки запруживаются частными дамбами. Свобода от подобного вмешательства и общий свободный доступ к рекам Англии был определен в Великой хартии вольностей. Подливные колеса

Рис. 5.3. Реверсивное верхненаливное колесо для подъема материала из рудника

в боковой части реки не мешали движению и часто являлись общественной собственностью, поэтому им отдавалось предпочтение. Тем не менее верхненаливные колеса обеспечивали большую энергию и потому мало-помалу вытеснили подливные.

Вторым важным источником энергии, который можно было использовать, являлся ветер. Первые ветряные мельницы в Европе появились в конце XII века. Самые ранние из них имели горизонтальные оси с вертикальными крыльями и, в силу необходимости, были очень маленькими, потому что вся мельница должна была поворачиваться, чтобы поместить крылья против ветра. К XV веку инженеры создали мельницы с наклонными осями и крыльями, установленными так, чтобы эффективнее улавливать ветер. В конце XV века появились так называемые башенные мельницы (рис. 5.4), что дало возможность строить мельницы больших размеров, ведь для перемещения крыльев достаточно было двигать только подвижный верх постройки. Как и водяные колеса, ветряные мельницы приводили в движение разные типы машин, и они были особенно популярны, а наибольшее распространение получили на равнинах северо-запада Европы, где не так уж много водопадов или быстротекущих рек. Ветряные мельницы избавляли от необходимости строить дорогостоящие дамбы для верхненаливных водяных колес.

Другим важным прорывом в использовании энергии ветра стало изобретение рангоута и такелажа для парусных судов, что позволило им менять направление по отношению к ветру, тем самым сделав суда независимыми от направления ветра и мускульной силы гребцов. В самом начале нашей эры жители Северной Европы строили суда с прямыми парусами, что позволяло им в какой-то степени плыть против ветра. Они имели возможность менять галс, потому что ставили мачты ближе к корме, чем средиземноморские судостроители, и команда могла повернуть парус почти вдоль диаметральной плоскости судна. Парусное вооружение совершенствовалось в период Средневековья, и, когда Вильгельм Завоеватель в 1066 году пересек Английский канал, он плыл на судах с прямыми парусами, которые не требовали наличия гребцов.

Рис. 5.4. Ветряная мельница и цепной насос XVII в.

(из Strada, Kunstliche Abriss, 1617–1618)

Пока эти усовершенствования шли в Северной Европе, на Средиземноморье появились косые паруса. Треугольный латинский парус возник в Юго-Западной Азии, откуда его принесли мусульмане во время завоеваний VII века. Греческие суда использовали латинский парус в IX веке, а суда итальянских городов – в XI. Когда на средиземноморских судах появились латинские паруса, весла им больше не потребовались. После XII века латинское парусное вооружение начало использоваться по всей Европе. В XV веке треугольный парус объединили с северным прямым парусом, и такая комбинация парусов позволила великим авантюристам того времени в конце XV и начале XVI века совершать грандиозные географические открытия. Новое парусное вооружение увеличило расстояние, которое может пройти судно, существенно снизив численность команд, более чем в два раза увеличив скорость и освободив людей от тяжелейшего труда – гребли.

Третьим новым источником энергии стала лошадь. В древности лошадь была самой неэффективной тягловой силой, поскольку ярмо, тогда использовавшееся, при увеличении усилия душило животное. Более того, без прибитых гвоздями подков лошадь нередко ломала копыта и становилась бесполезной. К X веку люди изобрели хомут, который опирался на плечи лошади и не душил ее. Также появилась подкова и двойная упряжь, позволявшая тащить груз нескольким лошадям. Лошадь быстрее и эффективнее быка, поэтому постепенно стала бесценным источником энергии в сельском хозяйстве и для приведения в действие машин.

Водяные колеса, ветряные мельницы, паруса и лошади были первыми «первичными двигателями», заменившими человека в качестве источника энергии. После изобретения в конце XV века башенной ветряной мельницы больше не было важных открытий в этой области до появления паровой машины.

Строители и постройки

Начиная с эпохи Средневековья и до появления мостов, предназначенных для тяжелых нагрузок, в начале XIX века, главные инновации в строительстве появлялись в процессе сооружения монументальных церквей. Интересные открытия в Средние века, разумеется, совершались и в гражданском строительстве, но удивительная эволюция строительной инженерии церквей представляется наиболее важной. В этот период сформировалось два архитектурных стиля – романский и готический. Оба они ставили задачи, решения которых оказывались шагом вперед.

Особые требования христианского поклонения обусловливали конструктивные особенности церквей – дополнительный объем у алтарей для апсид и ризниц. Первым важным примером христианской архитектуры стал собор Святого Петра в Риме, освященный в 326 году. Являясь, по сути своей, базиликой старого греко-римского стиля, окруженный колоннами неф храма Святого Петра был вдвое шире, чем в готических соборах спустя тысячелетие, однако почти той же длины и высоты. Обычно он имел деревянную стропильную крышу. В плане он был выполнен в форме буквы Т, имел открытый поперечный неф, который тянулся по обе стороны алтаря, а позади него – полукруглую апсиду. Появление сводчатого крестообразного в плане помещения в трансепте привело к стилю Святой Софии. На Западе, однако, добавление высокого шпиля к традиционной христианской базилике создало первую типично средневековую церковь. Башня не была римским или восточным вкладом, она пришла с севера Европы.

Большим недостатком базилик с деревянной крышей и башней была уязвимость перед огнем. Очевидно, именно из-за постоянных разрушительных пожаров – или случайных, или намеренных – инженеры в VIII веке начали строить церкви с огнеупорными каменными сводами и перестраивать старые. Поскольку эта «первая романская архитектура» появилась в регионах, где еще уцелели римские сводчатые постройки, представляется вероятным, что римское строительство повлияло на развитие нового стиля. В ранних романских церквях только относительно узкие пролеты были сводчатыми, потому что тонкие колонны нефа не могли поддерживать тяжелые каменные своды. Со временем, когда колонны стали прочнее, весь неф стал сводчатым. Сначала своды нефа и проходов были бочарными, но вскоре инженеры придумали крестовые своды, которые являются пересечением двух бочарных сводов под прямыми углами. В XI веке крестообразный план церквей стал вытеснять Т-образный, использовавшийся с IV века. Куполы и своды появились вскоре после принятия крестообразного плана. Широкие своды в некоторых купольных церквях стали настоящим триумфом средневековой инженерии.

Эволюция, описанная в предыдущих параграфах, является по большей части заслугой римских строителей. Только в XI веке, когда средневековые инженеры изобрели ребристый свод, им удалось обойти римских строителей. Арочные ребра строились независимо от свода и обеспечивали опору для каменного свода. Ребристый свод с большим пролетом имел тенденцию провисать, и, чтобы предотвратить это провисание, средневековые инженеры придумали ребра, которые приобрели особенно большое значение в последующих готических постройках. Одна из величайших романских построек – третье аббатство Клюни, освященное в 1130 году. Это было огромное сооружение длиной почти 300 футов. Его ребристые своды возвышались над землей на высоте 100 футов. Хотя остальная часть сооружения была романской, аркады проходов были типично готическими с заостренными арочными ребрами, тонкой каменной паутиной и декоративными стенами. Между тем большой купол нефа опирался на стены, которые не были предназначены для боковых нагрузок. Таким образом, из-за недостатка понимания принципов статики инженерам приходилось строить прочные боковые подпорки, когда часть свода в 1125 году рухнула. Очевидно, они считали, что свод будет давить строго вертикально на внутреннюю часть стены.

Готские строители в парижском регионе, где расположены самые известные готические соборы, вероятно, учли строительные ошибки в Клюни, хотя, похоже, не сразу поняли, что подпорки все равно будут необходимы. Первое систематическое использование арочных контрфорсов – аркбутанов – имело место в парижском Нотр-Даме в 1180 году, хотя последовательное использование готского стиля отмечено в Сен-Дени в 1137 году. Инженеры парижского региона XII века понимали важность изучения строительного опыта Клюни. К концу века они приобрели новые важные знания статики из опыта и научились уравновешивать горизонтальные силы со значительной экономией материалов.

Готический собор парижского региона – это, по сути, сооружение, в котором опорные колонны иногда имеют высоту 100 футов или более. Между этими колоннами располагаются экранные стены (большую часть площади которых занимают окна), поддерживающие только собственный вес и структурно не встроенные в колонны. От колонн отходят заостренные арки – строительный элемент, прибывший с Востока в начале XII века. Заостренная арка эффективнее с точки зрения статики, чем полукруглая, поскольку больше соответствует линии действия нагрузки. Поэтому в заостренной арке возникает меньшее внутреннее напряжение и ее можно строить из более мелких камней. По этой же причине паутина между поддерживающими свод ребрами может быть легче, если использовать аккуратно вырезанные и подогнанные камни. Некоторые паутины сводов имеют толщину всего 6 дюймов. Своды собора в Бове поднимаются над землей на 158 футов. Крыша деревянная стропильная. Защита от дождя и снега установлена на высокой несущей стене, которую поддерживают опоры. Крышу нередко строили до того, как своды начинали защищать внутренние помещения от суровой погоды.

Несмотря на облегчение веса сводов, колонны не могли противостоять боковой нагрузке от сводов, хотя являлись вполне адекватными для передачи вертикальной нагрузки на фундамент. Чтобы передать боковую нагрузку вниз на землю, средневековые инженеры изобрели арочные контрфорсы – аркбутаны (рис. 5.5), передававшие боковое усилие распора от сводов постройки. Аркбутаны также помогали противостоять ветровой нагрузке на здание.

Хотя в этой книге используется словосочетание «средневековые инженеры», люди, управлявшие строительством готических соборов, не были ни инженерами, ни архитекторами в современном смысле этого слова. Скорее, они были опытными мастерами-каменщиками, которые осуществляли инженерный и архитектурный надзор за строительством. Опытным мастерам-строителям платили в три, а то и в четыре раза больше, чем ремесленникам, и они занимали довольно высокое социальное положение. Многие из них были неграмотными, и все они обучались профессии, пройдя длительный период ученичества. Кое-кто, несомненно, мог прочитать некоторые манускрипты, к примеру, Витрувия, но человеку надо было знать намного больше, чем изложено у Витрувия, чтобы руководить строительством готического собора.

Рис. 5.5. Арочные контрфорсы, хоры, Сент-Уэн, Руан

Есть свидетельства того, что средневековые инженеры использовали бумагу, пергамент и древесину для чертежей, но эти архитектурные планы до нас не дошли. Между тем до сих пор существует горизонтальный план монастыря Сен-Галлен, Швейцария, который государственный деятель и биограф Карла Великого Эгинхард разработал сразу после 800 года. В Британском музее и других европейских коллекциях есть и другие, более поздние планы. Самый известный альбом рисунков находится в Парижской национальной библиотеке и принадлежит Виллару де Оннекуру, архитектору XIII века. Тридцать три его рисунка на пергаменте с пояснительными надписями сохранились до наших дней. Возможно, архитектор планировал использовать свой альбом как учебное пособие для молодых строителей. На одном из рисунков показано приспособление для отпиливания свай под водой (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Машина для отпиливания свай под водой

Представляется в высшей степени сомнительным, что средневековые архитекторы использовали в работе модели целых зданий и даже крупных секций. Однако они постоянно применяли шаблоны и крупномасштабные чертежи мелких секций. Есть много свидетельств того, что мастера-каменщики делали деревянные и тканевые шаблоны, которые отправляли в каменоломни, чтобы облегчить придание камню нужной формы, и найдено по меньшей мере два свинцовых шаблона. Есть несколько полномасштабных чертежей на стене Реймсского собора, по которым мастера строили отдельные части здания. Средневековый архитектор делал так много чертежей, рисунков и шаблонов, что у него было для этого специальное помещение – предшественник современного архитектурного бюро.

Основными материалами, использованными в строительстве, были камень, раствор, железо, древесина и гвозди. Средневековые инженеры имели обширные знания о свойствах материалов, с которыми работали. В некоторых великих соборах участки ненесущих стен выполнены из мягкого камня, а поддерживающие столбы – из твердого. Строители иногда использовали атмосферостойкий камень для наружной облицовки и, как правило, использовали разные методы, такие как покрытие белой известью, для предотвращения разрушения камня. Их раствор, однако, являлся сравнительно неэффективным, иногда ему требовалось несколько лет, чтобы затвердеть, и часто он обладал низкими адгезивными свойствами. В большинстве готских соборов много кованых железных скоб, дюбелей, анкеров и даже цепных тяг с проушинами. Детали из кованого железа кипятили в жире, чтобы предотвратить появление ржавчины. Для крыш средневековые строители использовали древесину, и, если применяли гвозди из кованого железа, их тоже варили в жире для сохранности. Средневековые строительные инструменты отличались от римских. Средневековые инженеры использовали в качестве подъемных механизмов ступальные колеса и нечто вроде токарных станков для вытачивания дерева и камня. В середине XIII века широко распространились ручные тележки, дающие экономию в рабочей силе.

Дороги и мосты

В Средние века стало меньше путешественников и торговцев, но торговля и путешествия не прекратились. Римские дороги, хотя и заброшенные, продолжали использоваться. Мостов было мало, но паромы были широко распространены, и нередко мостились броды. Существуют свидетельства того, что новые дороги отвечали изменившимся условиям. По-видимому, они не имели твердого покрытия, которое не было необходимо, пока дороги использовались только при погодных условиях, подходящих для путешествий. В некоторых частях центра и запада Европы мосты сносили, чтобы дать жителям естественную защиту в виде реки. Но люди продолжали передвигаться по Европе, и искусство мостостроения не исчезло.

Император Карл Великий, как Юлий Цезарь до него, построил большой деревянный мост через Рейн у Майнца. Это было около 800 года. Его строили десять лет, а сгорел он всего за три часа. Император планировал построить новый мост из камня, но умер, и его план не был осуществлен. Цезарь оставил подробный рассказ, но о труде Карла Великого мы можем строить только догадки. По-видимому, это был мост на тяжелых сваях. Их фундамент под водой можно было увидеть еще в 1881 году, хотя некоторые авторитеты считают, что это были остатки римского моста. Да и случайный характер пожара подвергается сомнению. По одной версии, грабители уничтожили мост, захватив там товары. По другой – его сожгли перевозчики, чтобы укрепить свой бизнес. По третьей версии, разрушить мост приказал епископ Майнца, чтобы остановить грабежи и убийства, ставшие там обычным явлением, в результате чего многие несчастные исчезли в реке. Трудно поверить, что Карл Великий санкционировал такое решение после того, как мост строился десять лет, да и епископ вряд ли мог принять такое решение без согласования с императором. В любом случае каменный мост в этом месте появился только в 1862 году.

Испанские мавры строили достойные каменные мосты, да и в центре Европы они периодически появлялись – в Италии и Германии. Обычно мосты состояли из полукруглых арок, массивных опор и жестких линий типично римских конструкций. В XI веке строительство мостов, так же как церквей, активизировалось. И мосты стали появляться самые разные. Можно выделить мосты с заостренными арками, как тот, что был построен через реку Тарн в районе города Альби, Франция, и мост Марторель в Испании (рис. 4.5). Для большинства мостов все еще использовались полукруглые арки; пример – мост через Дунай в Регенсбурге, построенный в 1135–1145 годах. Но все чаще появлялись более плоские сегменты окружностей большего радиуса. Пролеты больше не были одинаковыми на всем протяжении, например, симметрично возрастали к центру. Стали возникать довольно-таки причудливые конструкции. Особенно это касалось уклона дороги. Римляне строили равномерно выгнутые мосты, называя их «спина мула», а средневековые строители могли устроить высшую точку в любом месте, там, где это было удобно – например, где проходил судоходный канал. Их мосты отличались друг от друга еще больше, чем от римских предшественников. Подвижные деревянные заграждения пролетов – их можно было поднять, чтобы пропустить лодки, или, наоборот, опустить, тем самым остановив движение, что являлось распространенной мерой обороны, – использовались на мостах через рвы средневековых замков. Одни поднимались на цепях, другие представляли собой обычные платформы, которые выдвигались, как сходни. Также были pons a bascule (сбалансированные, уравновешенные мосты), небольшие деревянные конструкции, обычно использовавшиеся во французской сельской местности.

Пусть крестовые походы не изгнали мусульман со Святой земли и не способствовали привлечению научных знаний мусульман в Европу, однако они определенно стимулировали передвижения по Европе, и, как следствие, появилось много каменных арочных мостов. Поскольку местные власти часто не были заинтересованы в развитии связей с другими регионами, эту задачу взяли на себя энтузиасты и религиозные ордены. Freres Pontifes, или мостостроительное братство, поставило перед собой задачу помогать путешественникам, обеспечивая их жильем и переправой, и строить мосты. Это было одновременно общество помощи путешественникам и организация профессиональных инженеров. Что касается отдельных энтузиастов, можно упомянуть некого Бенезе. Утверждают, что он начал свою карьеру пастухом, а завершил – святым. Ему приписывают строительство моста через Рону у Авиньона в 1178–1186 годах. Из свидетельств его современников невозможно определить, кем он был: пропагандистом и популяризатором или инженером. Он не оставил ни записей, ни чертежей. Сохранились только четыре из двадцати одной арки, построенной изначально (рис. 5.7). Они имеют приблизительно эллиптическую форму, но резче изогнуты в верхней части, чем в линии пят. Форма представляется весьма необычной.

С именем Бенезе и его мостом связан ряд легенд. Покинув пастбище, он пришел в Авиньон и сказал жителям: «Иисус Христос послал меня в этот город, чтобы я построил мост через Рону». Он получал помощь свыше. Он поднял камень, который не могли сдвинуть с места тридцать человек, тем самым убедив епископа и городские власти в своей миссии и получив 5000 су от потрясенного населения. Представляется, что всего Бенезе совершил восемнадцать чудес. Он помешал дьяволу, пожелавшему его убить, однако дьявол вроде бы сумел повредить одну из опор. Утверждают, что Бенезе получил индульгенции для жертвователей на свой мост от римского папы.

Рис. 5.7. Руины Авиньонского моста

Местное население зачастую не проявляет энтузиазма относительно проектов, выходящих за пределы их местности, особенно если те требуют расходов. В XIV веке Piers Plowman – Петр-пахарь – призывал богатых купцов Англии ремонтировать дороги и отстраивать мосты. Епископ Дарема обещал индульгенцию всем, кто примет участие в финансировании восстановления моста Botyton. Но в 1439 году жители Орлеана продемонстрировали больший интерес. Они посетили строительство моста и оценили фундамент. Потом было дано объявление, и контракт заключили с теми строителями, которые представили самое заманчивое предложение.

Со временем появилось разнообразие. Инженеры получили возможность свободно выбирать из арок разных форм (сегментная, заостренная, эллиптическая). Они могли использовать камень или кирпич. Они варьировали ширину и высоту опор по своему усмотрению. Украшенные башенки, дома и другие беспорядочные постройки образовывали неповторимый силуэт на фоне неба и больше ничем не напоминали римские акведуки. Мост Сент-Эспри (мост Святого Духа) через Рону, построенный в 1265–1309 годах орденом, известным как Hospitaliers Pontifes – госпитальеры-мостостроители, – имеет длину 2700 футов и 26 арок. На протяжении многих лет этот мост считался самым длинным в мире. Длина пролетов составляла от 85 до 110 футов, толщина опор – от 10 до 50 футов. Мост в Треццо, Италия, поднятый на 1375 футов, имел самую длинную в мире арку – более 230 футов. Но при всех вариациях и адаптациях не было существенных перемен в мостостроении, пока итальянец Палладио в XVI веке не начал экспериментировать с фермами.

Мы не знаем, когда был построен первый деревянный мост через Темзу на месте знаменитого Лондонского моста. Мост уже существовал, когда король Свен из Дании попытался отобрать Лондон у Этельреда в 994 году. Много людей Свена утонуло в реке, потому что во время бегства они не пользовались мостом. Мост существовал до 1176 года, когда священник и инженер Питер, капеллан церкви Святой Марии, начал возводить каменный мост (рис. 5.8). Строительство велось тридцать три года. Его главный строитель умер за четыре года до завершения постройки в 1209 году. Работы завершили три лондонских купца, Мерсер, Олмейн и Боутрайт. Они не были инженерами и потому привезли французского инженера брата Иземберта, обученного в традициях Бенезе. Питер был похоронен в часовне на мосту.

Кроме подъемника мост имел 19 заостренных арок из обтесанного камня. Опоры были установлены на фундамент, достаточно прочный, чтобы противостоять течению реки. Согласно «Описанию Лондона» Джона Стоу, впервые опубликованному в 1598 году, во время сооружения моста Темза была отведена в канал на участке от Редриффа до Баттерси, то есть на протяжении 4 миль. Если так, это было выдающееся инженерное достижение, поскольку Темза на этом участке широка и подвержена приливам. Архиепископ Кентерберийский выделил некоторую сумму на расходы. Король тоже выделил средства, жители Лондона устроили подписку, и обитатели окрестных графств делали добровольные взносы. Свободные земли в Лондоне были экспроприированы для новых зданий, чтобы получать доходы. Карьера печально известного короля Иоанна имела и другие искупительные черты, не связанные с его принятием Великой хартии вольностей. Именно он занимался экспроприацией этих земель и назначил Иземберта преемником Питера в должности инженера.

Рис. 5.8. Лондонские мосты 1209 и 1831 гг.

Лондонский мост был создан для того, чтобы умные люди проходили по нему, а глупые – под ним. После завершения постройки мост уже при Генрихе III стал быстро разрушаться. Согласно записям, в результате сильных морозов и снегопадов 1282 года открылись большие трещины в каменной кладке и пять арок обрушились. Да и строители не уделяли должного внимания прочности, точнее, слабости использованных материалов. На мосту строились магазины, дома, башни. Как-то раз целый ряд построек рухнул в воду. Естественно, это было опасно для глупых людей, которые шли под мостом. Кроме того, на определенных стадиях отлива воды в реке было так мало, что судоходство прекращалось. Русло составляло не более трети длины моста, который стали называть дырявой дамбой, а не мостом. Тем не менее, несмотря на своеобразный характер и недостатки, старый Лондонский мост был неплохо спроектирован и простоял 600 лет. Новый мост был построен только в 1831 году.

Если говорить об инженерном искусстве, строительство средневекового моста не может сравниваться с постройкой собора. Собор – сооружение огромное, но одновременно изящное, а мост – тяжелое, громоздкое. Фундамент моста, как правило, был надежнее, чем у собора, но соображения экономии всегда играли первостепенную роль. Он, как правило, обеспечивал движение над рекой только в одну сторону – то есть был узким. Мост обычно не был приспособлен для движения тяжелого транспорта. К мосту не обеспечивались удобные подъезды. Почти не было опасности, что кто-то окажется застигнутым на мосту во время разлива и его унесет течением. Реки разливались вширь в обе стороны и затапливали окрестности. Даже если средневековый мост был каменный, он все равно не был атмосферостойким и подвергался разрушительному воздействию погодных условий.

Каналы и тоннели

Ранние китайские инженеры строили каналы для перевозок внутрь страны. При жизни Конфуция в V веке до н. э. началось строительство Великого канала, который венецианский путешественник Марко Поло видел почти достроенным в 1290 году. Он протянулся на 860 миль от Ханчжоу на реке Янцзы на север к Тяньцзиню. Для того чтобы поднимать лодки с одного уровня на другой, китайцы веками использовали одно и то же приспособление – наклонную плоскость, оборудованную катками и лебедками, приводимыми в движение мускульной силой человека. У римлян баржи, предназначенные для перевозки по системе каналов, мулы перетаскивали через Понтийские болота. Но римляне довольствовались путешествиями по рекам и морю, потому что имели свободный выход к воде, как греки, и не испытывали острой необходимости в перетаскивании тяжестей внутрь территории. Римляне построили несколько небольших каналов в Англии, Нидерландах и Северной Италии. Однако все они, вероятнее всего, были предназначены для ирригации и осушения, а не для перевозок.

Император Карл Великий, очевидно, был первым монархом в Западной Европе, пожелавшим построить канал для судоходства. Он вынашивал идею соединить Дунай с Рейном. Работы начались осенью 793 года, и император лично со всей свитой явился, чтобы увидеть это начало собственными глазами. Канал должен был стать таким же важным в его имперском плане торгового и военного контроля, как и мост через Рейн. Идея была грандиозной, а попытка ее претворения в жизнь оказалась неудачной. У Карла Великого и его строителей было слишком мало инженерных знаний. Весьма сомнительно, что они обладали информацией о соответствующих уровнях воды в двух речных системах. Они не смогли справиться со сложной местностью. Некоторое время вели земляные работы, но довольно быстро их свернули из-за болотистой почвы, постоянных дождей и зыбучих песков. Строители были уверены, что им мешают злые силы, возможно, даже сам дьявол. Иначе как объяснить, почему за ночь пески поглощали весь грунт, вынутый за день. Да и окрестные монахи были против строительства и постоянно заявляли об этом. По ночам строителей преследовал ужасный шум, крики и смех. Трудно сказать, был Карл Великий испуган или раздражен, однако проект он свернул. Сегодняшний канал между Рейном и Дунаем начали строить уже в начале Второй мировой войны.

После неудачной попытки Карла Великого прошло много лет, прежде чем начались другие работы по строительству каналов, заслуживающие внимания. Только в самом конце XII века стали предприниматься некоторые шаги в этом направлении. А тем временем основные усилия инженеров

были направлены на реставрацию римских каналов для ирригации, осушения и водоснабжения. Затем в Южной Франции и Северной Италии практически одновременно начались работы. В 1171 году граф Тулузский даровал епископу Кавайона право повернуть воды реки Дюранс для мукомольных мельниц. Епископ, в свою очередь, позволил жителям региона использовать отработанную воду на своих полях. Это привело к сооружению множества боковых каналов от главного. Так появилась ирригационная система для общины.

В Италии инженеры задумали канал Навильо-Гранде, чтобы он нес воды и лодки из Тичино через 30-мильную равнину в Милан. Строительство началось в 1179 году и завершилось в 1258 году. Таким образом, альпийские реки Сен-Готарда и Симплона, которые текли из озера Маджоре, были повернуты, чтобы сделать город Милан процветающим. По этому каналу в 1438 году перевезли бело-розовый мрамор для внутренней отделки Миланского собора. Чтобы построить эффективный канал, требовалось нечто большее, чем простое восстановление римских сооружений. Необходимы были дамбы и другие приспособления для регулирования потока и поддержания одинаковой глубины, так же как относительно постоянного уровня на длинных участках. Какими были эти приспособления, мы не знаем. Итальянские слова sostegno, или поддержка, и conca, или палата, описывающие эти приспособления, предполагают какие-то барьеры или ворота. В любом случае в это время началось создание современного шлюза (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Ранний камерный шлюз

Средневековые инженеры строили тоннели в крепостях и замках, но нет никаких свидетельств проведения таких работ на строительстве каналов до самого начала XVII века. Иными словами, они продолжали придерживаться римского метода использования огня и воды для выемки скальных пород и кирки и лопаты в других местах. Роджер Бэкон (1214–1294), английский философ и естествоиспытатель, любивший размышлять о будущем науки, в 1248 году писал о порохе: «Возьмите 7 частей селитры, 5 частей древесины ореха (древесного угля), 5 частей серы… и с этой смесью вы можете получить яркую вспышку и громовой шум, если знаете прием. Вы можете сами провести эксперимент и узнать, пишу ли я для вас чепуху или чистую правду». Заметим, что писал он как имея соответствующие свидетельства, так и без оных. А Альберт Магнус, известный немецкий теолог, философ и естествоиспытатель, доминиканец, преподававший в Париже, по-видимому, знал тайную формулу в 1250 году. Появление пушки датируется XIV веком. Однако нет свидетельств того, что порох использовался при прокладке тоннелей или других земляных работах до XVII века.

Дамбы, гавани, пристани

Драги в гавани Бостона июльским утром 1945 года всасывали тонны глины и гравия с морского дна, чтобы заполнить промежуток между двумя островами и расширить городской аэропорт. Их черпаки, приводимые в действие электричеством, отправляли в 30-дюймовую трубу массы грунта, который под давлением перемещался на расстояние мили до берега. Средневековые инженеры были бы впечатлены сочетанием гидравлической инженерии с электрическими двигателями.

Некоторые гавани, такие как Остия, порт Рима, были заброшены из-за заиливания, и у инженеров не было способов их очистить. Также следует отметить, что большинство судов имели такую маленькую осадку, что их было довольно легко вытащить на берег. В Средиземном море, учитывая отсутствие приливов, не было острой необходимости в глубоководных гаванях и пристанях. Но бездеятельность не была всеобщей. Доступ к морю становился нужным. Жители английского Бристоля, после того как лондонцы отвернули реку в сторону для постройки моста, выкопали траншею, чтобы дать реке Фрум (Фром) более широкий канал от места ее слияния с рекой Эйвон. Они начали трудиться над созданием этого глубоководного бассейна в 1239 году и закончили в 1247 году. Городу это стоило 5000 фунтов, огромные деньги для того времени. Из этой большой усовершенствованной гавани отправлялись в плавание многие английские исследователи, купцы, колонизаторы и пираты.

Строительство адекватных доков началось, когда в этом появилась нужда. Древние суда были легкими и имели небольшую осадку. Для ремонта их без особого труда вытаскивали на берег и кренговали. С ростом тоннажа – а рост был очень быстрым в XV веке – появилась острая необходимость в сухих доках. Крупный английский военный корабль в 1434 году имел водоизмещение 400 тонн, а в 1474 году – 900 тонн («Мэри и Джон», Бристоль). Ранний метод, использованный в 1434 году в Саутгемптоне, что на южном побережье Англии, где высота приливов превышает 13 футов, заключался в следующем: судно подводили близко к берегу по высокой воде, а во время отлива окружали его стеной из древесины, веток и глины. В результате образовывался бассейн, который можно было поддерживать сухим, пока производился ремонт. К 1496 году в Портсмуте был построен постоянный сухой док из древесины и камня. И только после появления тремя столетиями позже паровых двигателей воду из доков стали откачивать. Раннее упоминание о мокрых доках для поддержания постоянного уровня воды в гаванях со значительной высотой приливов, пока идет погрузка или выгрузка, мы находим в дневнике Сэмюэла Пипса от 28 апреля 1667 года. К этому времени уже получил существенное развитие шлюз – неотъемлемая черта такого дока.

Нидерланды на континенте отодвигали от себя море, миля за милей, начиная с X века. Они использовали дамбы против 20-футовых приливов, ветряные и водяные мельницы для осушения болот и каналы для дренажных работ в низинах. Нищие крестьяне, богатые бюргеры, цистерцианские монахи – все они работали на себя, но имели общую цель – получение плодородных земель. Катастрофы, которые несли с собой штормы и наводнения, лишь укрепляли дух жителей и подталкивали их к новым свершениям. Они строили все более честолюбивые планы расширения и охраны своих земель. В этой борьбе со стихией был достигнут инженерный успех, принесший благо людям во всем мире. Никто точно не знает, где впервые появился шлюз – в Нидерландах, Италии или, может быть, в Китае. Кто бы ни совершил это открытие, оно было с большим успехом использовано в Нидерландах.

Фламандский город Брюгге, порт Северной Европы, был важен для континентальной торговли того времени, так же как Венеция на Адриатике. Но у Брюгге был доступ к Северному морю только по каналу, открытому всем штормам. Для его защиты была построена дамба на севере, в районе Дамме, но канал невозможно было закрыть полностью. Кто-то предложил построить две пары ворот в плотине, своего рода шлюз, так чтобы первые ворота можно было закрыть за судном до того, как вторые откроются и море хлынет внутрь или наружу, в зависимости от направления движения. Эта камера, очевидно, была сделана из дерева. Ее проект неизвестен, да и никто толком не знает, как навешивались ворота, как они открывались и закрывались.

Судя по записям 1234 года, был ecluse a sas, камерный шлюз. Устройство ремонтировали в 1353 году, потом в 1371 году и ближе к концу века заменили каменным. Если фламандские инженеры не были первыми строителями шлюзов, они определенно являлись прославленными строителями гидротехнических сооружений, и в их советах нуждались во всей средневековой Европе.

Одна средневековая муниципальная программа была выполнена Филиппом II Августом, королем Франции, в 1180–1223 годах. Двадцатилетнему Филиппу не понравились клубы пыли от повозок на дороге, мешавшие ему любоваться видом Сены из окна его дворца. Он вызвал мэра и велел вымостить улицы Парижа. Это было сделано в 1185 году с использованием крупных каменных плит, некоторые из которых можно до сих пор увидеть в саду музея Клюни. И здесь совершенно неуместно сравнение с римскими мостовыми. Плиты не были предназначены для выравнивания дороги или обеспечения тишины в близлежащих домах. Но они фиксировали уровень дороги, и на них было запрещено сбрасывать мусор. Жителям было велено собирать мусор перед своими домами и вывозить за пределы города.

Средневековые сообщества имели системы водоснабжения. Римские акведуки использовали на протяжении всего Средневековья, при этом только немногие подверглись модернизации. Были созданы резервуары и установлены водяные насосы. Олдрик, епископ Мана в 832–857 годах, имел акведук и сводчатый резервуар для снабжения водой двух городских фонтанов. Ламбер, аббат Сен-Бертена в 1095–1123 годах, имел «водный подъемник», связанный с мельничными колесами аббатства. Цистерцианские монахи были весьма опытны в гидравлической инженерии. Честерский женский монастырь в Англии в 1285 году снабжался водой из свинцовой трубы длиной 3 мили. В Кентерберийском соборе много лет действовала система доставки воды. Красивый готический акведук в Кутансе (рис. 5.10) был построен в 1277 году. Все это верно, но все же обычно города и деревни снабжались водой без всяких систем. Жители ведрами носили воду из ближайшего источника. Так было в древности – аналогичное положение в некоторых местах сохраняется и сейчас. Да и вода нередко загрязнялась.

Рис. 5.10. Готический акведук XIII в. в Кутансе, Нормандия

Помои, вылитые на улицу, довольно быстро находили путь в реку или колодец, и никакие меры для очистки не принимались. Уборные, канализационные коллекторы и выгребные ямы в средневековых городах строились и периодически очищались, но они располагались вблизи источников воды. Их содержимое практически наверняка во время наводнений смешивалось с речной водой и попадало в резервуары, а оттуда в дом жителей. Римляне Витрувий и Плиний Старший указывали на связь между загрязненной питьевой водой и болезнями. Жан Питар, королевский хирург Людовика IX Французского, и преемники короля предвосхитили в 1310 году санитарные инженерные мероприятия, ставшие общепринятыми пятью веками позже. Питар вырыл колодец у себя в погребе, очевидно поместив его ниже уровня реки. Независимо от уровня воды в реке он и его соседи пили прозрачную и относительно чистую воду, профильтрованную через песок. Возможно, ему повезло, и он наткнулся на отдельный подводный поток. В любом случае этот колодец активно использовался в течение следующих трехсот лет. Правда, данных о смертности среди употреблявших эту воду нет. Городская санитария дожидалась XIX века.

Между тем предприимчивые средневековые горожане составляли весьма разумные планы жилых окрестностей и новых городов. В средневековых сообществах имелись опытные мастера, которых мы сегодня назвали бы городскими инженерами. В Дуэ существовал совет, состоявший из двух каменщиков и двух плотников. Согласно записям Амьена за 1292 год, такие же чиновники были на службе в городских управлениях. Позже появились caticheurs – инспекторы по строительству и материалам. И были дорожные строители. Существование этих чиновников указывает на стремление горожан поддержать свое сообщество. Новые города – окрестности за пределами городских стен – демонстрируют весьма неплохое городское планирование. Они задумывались как образцовые населенные пункты со всеми удобствами, в которых люди будут с радостью селиться. Конрад, герцог Церинген, основал Фрайбург-им-Брайсгау в 1120 году на пустыре, примыкающем к его замку. Каждый поселенец получал надел 50 на 100 футов, за который платил герцогу ежегодную ренту в 1 су. Расположение главной дороги через Шварцвальд от Рейна до Дуная было удачным для торговли, и город процветал. Вскоре появились и другие энтузиасты. Примеры – аббат Сугерий и его коммуна Вокрессон во Франции, Генрих I и его Ньюкасл-он-Тайн в Англии.

Новый город – ville neuve – важен в истории, потому что оказывал разрушительное влияние на феодальную систему лорд – вассал. Он способствовали переходу к капиталистической системе и индустриальному обществу. Он известен гражданскими свободами, личными и экономическими, которые его вдохновитель был рад предложить в ожидании доходной отдачи для себя, если люди станут там селиться. Эти гарантии были аналогичны правам, привилегиям и иммунитетам древних торговых центров и римских городов, которые феодальные лорды не смогли ликвидировать. И новый город также важен своей инженерией. Разумеется, планы и методы строительства варьировались в зависимости от местности. Но в целом существовала тенденция прокладывать улицы по прямоугольникам, если возможно, и делать их шире или уже, в зависимости от ожидаемой интенсивности движения и их сравнительной важности, как подходов к центру города. Торговые площади размещались в увязке с жилыми массивами. Позади домов предусматривались служебные проходы. Церкви и общественные здания располагались так, чтобы к ним был максимально удобный доступ. То же можно сказать о площадях – инженеры планировали их с учетом удобства и эффективности. Не забывали они и об общем архитектурном впечатлении. Гипподам бы одобрил их деятельность.

Городом, ставшим самым ярким примером гражданской сознательности и триумфом муниципальной инженерии в эпоху позднего Средневековья, стал не древний торговый центр, переживший феодализм, и не новый город, выросший, чтобы его уничтожить. Основатели Венеции бежали от гуннов и лангобардов на острова и лагуны в головной части Адриатического моря. К 568 году они закрепились под защитой болот и песчаных отмелей и стали, по сути своей, республиканской нацией. Хотя Венецианский совет постепенно перешел под контроль аристократии, венецианский дож так и не стал наследным монархом. Венецианцы процветали. Они сумели столкнуть византийского императора с Карлом Великим, оставшись независимыми от обоих. К 1000 году они справились с далматинскими пиратами и стали господствовать на морском пути к Святой земле. И далее, уже после подъема западных наций – Испании, Франции и Англии – город Венеция, могущество которому давала торговля с Востоком, был силой, с которой не могли не считаться европейские государства.

Венецианцы засыпали обширные болота и укрепили берега lidi – низких островов, расположенных между эстуарием и морем. Их мосты, часто каменные, соединяли острова. Знаменитый мост Риальто, спроектированный в 1178 году Николо Баратьери, правда, из дерева, был расширен в 1255 году и снабжен подъемником. Их первые деревянные жилища, построенные на платформах, как хижины доисторических озерных людей, в XV веке уступили место мраморным дворцам на вбитых вплотную сваях, которые не разрушались водой. Сваи были необходимы, поскольку почва из ила, тины, глины и песка была мягкой до глубины свыше 100 футов, после чего шел слой твердой глины толщиной 10 футов. Любые конструкции, имеющие хотя бы какой-то вес, следовало приспосабливать к столь особой почве. Проблема заключалась в том, что вес должен был распределяться равномерно, чтобы постройка стояла ровно и прочно. К тому же весь регион был сейсмоопасным. Здесь были нередки землетрясения и высокая вулканическая активность. Остров Маламокко, расположенный в нескольких милях к югу, затонул в Страстную пятницу 1102 года, когда из-под земли вырвалось пламя и на берег хлынуло море. Жителям едва хватило времени бежать.

Строительство базилики Сан-Марко в Венеции началось в 830 году на древнем римском фундаменте. После пожара 976 года базилика была восстановлена в XI веке в византийском стиле в форме греческого креста. В храме было более 500 мраморных колонн, центральный купол диаметром 42 фута располагался на четырех опорах, каждая 21 на 28 футов. Стены были сложены из кирпича и облицованы мрамором. Особенность храма, которая привлекает туристов не меньше, чем бронзовые кони и голуби, – волнистый пол. Его появление вызвано недостаточным выравниванием конструкции: в некоторых местах неровности достигают 10 дюймов. А сваи забиты на глубину всего 7 футов.

Неустрашимый или ничего не знающий о состоянии подпочвы Николо Баратьери в 1180 году построил кампанилу собора Святого Марка в Венеции высотой почти 200 футов, при этом фундамент был установлен на глубине менее 17 футов. Он шел почти вертикально с небольшим расширением внизу, а вверху был менее чем на 4 фута шире, чем кирпичная шахта. Пожары, землетрясения и молнии повреждали кампанилу, которая часто перестраивалась. В 1517 году она была поднята на высоту 300 футов. Но в отличие от Пизанской башни, которая постепенно проседала, пока не отклонилась от вертикали на 16½ градуса, венецианская кампанила стояла ровно. Ее тщательно осмотрели в 1885 году и нашли, что все в порядке. Она стала памятником инженерному искусству Николо Баратьери и его преемников. А 14 июля 1902 года около 10 часов утра она рухнула. Некий оператор успел сфотографировать момент падения. В постройке открылись две широкие вертикальные трещины. По мнению некоторых, обрушение было вызвано старостью и «усталостью» каменной кладки, и состояние фундамента тут ни при чем. Тем не менее в 1903 году, когда началось восстановление кампаниям, фундамент укрепили.

Рис. 5.11. Венецианская кампанила

К 1328 году в Венеции появились чиновники, ответственные за все каналы, порты, набережные, работы по контролю над реками и предотвращению заиливания лагуны. В нужный момент были изменены естественные русла рек и ручьев, чтобы они впадали прямо в море; вода, приводящая в движение мельничные колеса, была направлена в специальные каналы, чтобы сделать водяные колеса эффективнее. На континентальных берегах построили дамбы, дабы пресная вода не смешивалась с морской. Венецианцы считали, что такая смесь вызывает малярию. До X века единственной водой, которую они использовали, была дождевая. Они собирали ее в глубокие pozzi – колодцы, после фильтрации через много слоев песка, который периодически промывали для очистки. Со временем республика построила канал от реки Брента до Моранцани, ближайшего города на материке. Здесь воду закачивали насосами на лодки и отправляли в город – в pozzi. Общий объем воды от дождя и с канала, предназначенный для личного пользования горожанами, не превышал 3 галлонов в день на человека, при численности населения в 1563 году 183 000 человек.

Довольно часто в Венеции, как и в других средневековых городах, содержимое канализационных коллекторов выплескивалось на улицы и попадало в каналы. Но власти старались соблюдать санитарию с помощью законов и штрафов. Похороны строго регулировались, нездоровые производства выводились за пределы жилых кварталов, открывались больницы для прокаженных и жертв других страшных болезней. Узкие опасные переулки освещались за общественный счет, некоторые улицы были вымощены. Таким образом, горожане превратили Венецию в исключительное место для жизни. Тем временем Европа переходила от Средневековья к эпохе Возрождения, а история инженерного искусства продолжала уверенно двигаться по восходящей линии на протяжении обоих периодов.

Глава 6

Фундамент для промышленности

Хотя венецианцы по праву гордились достижениями своей инженерной мысли, самый известный инженер того времени, Леонардо да Винчи, жил во Флоренции. Он родился в 1452 году и стал самой разносторонней фигурой эпохи Возрождения. Он был художник, скульптор, философ, ученый, практикующий военный и гражданский инженер. Свою мать, крестьянку, он знал только в младенчестве. Отец, обеспеченный флорентийский нотариус, дал ему имя и начальное образование в области искусства под руководством Андреа Верроккьо. Очень скоро ученик превзошел своего учителя. Леонардо был левшой и писал справа налево. Более того, он продемонстрировал феномен зеркального письма, который сегодня считается препятствием для интеллектуального развития детей-левшей. Но на Леонардо он не оказывал отрицательного воздействия, скорее даже помогал ему. Наброски на полях его трудов показывают, что его рука творила все, что он хочет, в то время как мозг работал над чем-то другим.

Леонардо да Винчи ни по рождению, ни по воспитанию и способностям не был обычным человеком. Великий флорентиец прославился еще при жизни. Он много лет служил герцогу Миланскому в качестве военного и гражданского инженера. После участия в работах по отводу реки Арно занял лидирующее место среди инженеров. Когда Франциск I вторгся в Италию, он взял Леонардо с собой во Францию в качестве советника. Но гений эпохи Возрождения заслужил славу скорее не как практикующий инженер, а как пророк инженерного будущего. Кроме пулеметов, пушек, заряжающихся с казенной части, танков, подводной лодки и летающей машины, Леонардо сделал наброски токарных станков, насосов, кранов, домкратов, водяных колес, шлюза, подъемных мостов, тачки, водолазного шлема с воздушным шлангом и многого другого. Все его приборы были разнообразными и изобретательными. Его идеи записаны на более чем 5000 листов чертежей и заметок. Но они были разбросаны по европейским частным коллекциям, к которым не имели доступа практикующие инженеры. К тому же они не публиковались еще несколько веков после его смерти. Только сравнительно недавно стали предприниматься попытки собрать их и опубликовать. Но далеко не все они найдены, и, к сожалению, многие наверняка уничтожены.

Другие великие умы эпохи занимались научными исследованиями, несмотря на предостережения церковных властей. Представляется странным, что у христиан возникали проблемы с христианской церковью, когда они опровергали идеи великого язычника Аристотеля. Но так было. Процесс Галилео Галилея (1564–1642) перед семью кардиналами в 1633 году сегодня показался бы абсурдным, не стань он трагической демонстрацией того, что может случиться в любое время в результате конфликта между тем, что человек узнает от других, и тем, что видит сам. Так же он доказал способность могущественного нетерпимого невежества подавлять факты. Галилей доказал ошибочность утверждения Аристотеля о том, что скорость падающего предмета зависит от его веса и что есть два типа движения – «естественное» и «насильственное». Производя наблюдения, Галилей сделал обоснованный вывод, что есть только один тип движения. Силы, вызвавшие это движение, могут быть разными, но не само движение. Тем не менее часто повторяемая история о его экспериментах – наблюдениях за падением предметов разного веса с вершины Пизанской башни – сегодня считается безосновательной.

Научное исследование движения привело Галилея к выводу, что Аристотель также ошибался в отношении движения Земли, а поляк Николай Коперник был прав. В 1543 году Коперник писал, что Земля вращается вокруг Солнца. Но здесь он вступал в противоречие со Священным Писанием относительно физических взаимоотношений небес и земли. Кардиналы объявили гипотезу Коперника «абсурдной, философски ложной и противоречащей вере». Мы не станем говорить о муках, испытанных великим ученым, обвиненным в подрыве основ религии, которую он исповедовал. Галилей публично отказался от своего утверждения относительно движения Земли, хотя после этого сказал, будто самому себе: «И все-таки она вертится». Лучше мы положимся на суждение Леонардо да Винчи о том, что «любой, кто ведет дискуссию, обращаясь к власти, не использует свой интеллект, а использует свою память», и приведем следующую его цитату: «Тот, кто критикует высшую определенность математики, питает беспорядок и никогда не сможет усмирить противоречия сложных наук, что ведет к вечному шарлатанству». Можно сказать со всей определенностью: несмотря на гонения и кровопролитие, в XVI и XVII веках возникали и выражались новые идеи, появлялись новые приспособления, и это, так или иначе, изменило устои общества.

Как и рождение греческой науки, подъем современной науки в XVII веке оказал всеобъемлющее влияние на инженерию. Великие научные открытия, которые начали совершаться в XVII веке, были основаны на греческой науке. Между тем в современной науке появился новый ингредиент, экспериментирование, который отличал ее от греческой науки, где практически не было экспериментов, за исключением разве что биологии. Собственно экспериментальная наука началась с работ Роберта Гроссетеста в XIII веке, но в XVI и XVII веках ученые начали эмпирические эксперименты, которые инженеры и ремесленники уже использовали.

Многие ученые того периода посещали инженеров и учились у них. Галилей начал свой «Диалог о двух главных системах мира» следующими словами: «Постоянная деятельность, которую вы, венецианцы, демонстрируете в своем арсенале, предлагает старательному уму обширное поле для исследований. В первую очередь речь идет о той части работ, которая включает механики, потому что именно в этой области новые типы инструментов и машин постоянно создаются множеством мастеров, среди которых найдутся те, кто, отчасти на основе собственных наблюдений, стали настоящими экспертами». Ученые не только переняли экспериментаторское отношение у инженеров и техников, но также стали использовать продукты инженерной мысли, такие как насосы и весы, так же как телескопы и микроскопы. В XVII веке инженеры стали использовать некоторые знания ученых, но только в XIX веке они получили возможность систематически применять науку для ускорения достижений в отдельных областях. Инженерия помогла стимулировать подъем современной науки в XVII веке и, в свою очередь, изменилась благодаря рождению прикладной науки в XIX веке.

Инженерные инструменты

Многие концепции, жизненно важные для современного инженерного искусства, зародились очень давно, еще задолго до Леонардо да Винчи. Автор XIII века Иордан Неморарий в труде De ratione ponderis исследовал вес предмета, помещенного на наклонную плоскость. Его идеи развил фламандец Симон Стевин (1548–1620) в 1586 году, выдвинув гипотезу «параллелограмма или треугольника сил». Тем самым он продемонстрировал, что три силы в равновесии в данной точке могут быть представлены и по величине, и по направлению сторонам треугольника. Стевин, бывший уже старым человеком, когда паломники «Мейфлауэра» еще жили в Лейдене, назвал свой треугольник «чудом, и все же не чудом». С его помощью он установил некоторые принципы в статике, или равновесии твердых тел, которые инженеры должны применять, если заранее знают, что их конструкции экономичны, будут стоять вертикально и в равновесии.

В 1586 году Стевин опубликовал результаты своих экспериментов по падению двух свинцовых шариков, один в десять раз тяжелее другого, с высоты 30 футов на твердую поверхность. Два шарика упали на поверхность вместе, вопреки мнению Аристотеля, который был уверен, что более тяжелый шарик упадет раньше. Используя наклонные плоскости, Галилей дальше развил законы падения тел и сообщил в своих «Диалогах», что, вне зависимости от веса, они получают одинаковое ускорение и их скорость пропорциональна квадрату времени – факты, чрезвычайно важные для инженеров. Впоследствии Гюйгенс вычислил значение ускорения свободного падения. Галилей также исследовал прочность материалов и создал первые элементарные приспособления для испытаний. Он подвешивал грузы на медных стержнях или на консоли, выступающей из стены. Он измерял прочность – почти наверняка сплава – с вполне достойной точностью. Его испытания консоли были не столь успешными, поскольку он не принял в расчет тот факт, что волокна нижней части выступающей консоли сжаты, а верхней части находятся под напряжением, что доказал Эдм Мариотт в 1680 году. Тем временем Роберт Гук определил, что любой материал под нагрузкой в большей или меньшей степени деформируется.

Вдохновленный Галилеем, его секретарь Эванджелиста Торричелли (1608–1647) сделал большой шаг вперед. Изучая гидростатику Стевина, он обнаружил, что давление воды пропорционально глубине. Торричелли соединил гидростатику и динамику и показал, что под гидростатическим давлением жидкость, такая как вода, течет через отверстие практически с той же скоростью, как если бы она падала с высоты, равной глубине жидкости над отверстием. Следующий шаг был сделан современником Торричелли французом Блезом Паскалем (1623–1662). Он свел все предположения к закону, который носит его имя и известен – или должен быть известен – всем, кто изучает элементарную физику: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку во всех направлениях без изменений. Используя этот принцип, гидравлические прессы сегодняшнего дня могут производить или сокрушительное давление, или легчайшее прикосновение – в зависимости от требований производства.

Торричелли, а впоследствии и Паскаль были ответственны за создание барометра, который уравновешивал вес воздуха с помощью столба жидкости в трубе, запаянной с одного конца. У этого опыта было «побочное явление» – наличие безвоздушного пространства, торричеллевой пустоты. Это был первый случай получения вакуума. Так была доказана ошибочность утверждения Аристотеля, что природа избегает вакуума. В верхней части трубки Торричелли в 1643 году осталось пространство, куда вес атмосферного столба не мог «загнать» ртуть. А в 1648 году Паскаль продемонстрировал, что на уровне моря ртуть поднимается в трубке выше, чем на вершине горы, где вес атмосферного столба меньше. По этой же причине невозможно поднять столб воды больше чем на 33 или 34 фута на уровне моря, выкачивая воздух над ним всасывающим насосом. Такой столб воды является весовым эквивалентом весу столба воздуха над ним. Экспериментируя с давлением воздуха и его отсутствием, немец Отто фон Герике (1602–1686) в 1650 году создал воздушный насос. С его помощью он сумел настолько полно выкачать воздух из знаменитой магдебургской сферы, что шестнадцать лошадей, по восемь с каждой стороны, не смогли разъединить ее полушария. Таким образом, была подготовлена почва для открытий Томаса Севери, Томаса Ньюкомена и других ученых, работавших над инженерными проблемами, касавшимися давлений ниже атмосферного.

Два французских математика, Пьер Ферма (1601–1665) и Рене Декарт (1596–1650), независимо друг от друга открыли аналитическую геометрию, которая имела значительное влияние на инженерию. Поскольку изложение Декартом новой геометрии являлось более систематическим и доходчивым, чем у Ферма, именно Декарту, как правило, приписывается открытие, которое в его честь иногда называется картезианской геометрией. Величайшая заслуга Декарта заключается в том, что он соединил алгебру и геометрию, тем самым привнеся в геометрию аналитический метод представления кривых с помощью алгебраических выражений, и наоборот. Для инженера аналитическая геометрия облегчает анализ отношений между такими переменными, как температура и давление, скорость и сила, и бесчисленных других групп переменных количественных величин.

Четыре человека, родившиеся во второй четверти XVII века, внесли исключительный научный вклад, имевший очень большое значение для инженерии. Двое из них дожили до XVIII века, но работа всех четырех принадлежит к веку Стевина, Галилео, Торричелли, Паскаля и Декарта. Трое из них – британцы, и один – житель Нидерландов. Их имена: Роберт Бойль, Роберт Гук, Кристиан Гюйгенс и Исаак Ньютон. Роберт Бойль (1627–1691) изучал процесс сжатия газов и в 1661 или 1662 году сформулировал закон, носящий его имя. Этот же закон независимо открыл Эдм Мариотт. «При постоянной температуре объем находящегося в замкнутом сосуде идеального газа обратно пропорционален давлению». Иными словами, объем уменьшается, когда давление возрастает, а произведение давления на объем есть постоянная величина. Таким образом, Бойль и Мариотт установили фундаментальный принцип для инженеров – хотя инженеры никогда не работают с идеальными газами. Бойль, работая в своей лаборатории в Оксфорде вместе с Робертом Гуком, создал первый воздушный насос современной конструкции.

Роберт Гук (1635–1703) самостоятельно экспериментировал в лондонском Грешем-колледже с упругими деформациями и сформулировал закон, носящий его имя: «Деформация, возникающая в упругом теле, пропорциональна приложенной к этому телу силе». При растяжении упругое тело удлиняется, при сжатии, соответственно, становится короче. Закон Гука справедлив только для упругой деформации и выполняется при малых деформациях. Кроме того, у каждого тела своя жесткость; чем больше жесткость, тем меньше оно изменяет длину. Некоторые материалы, такие как стекло и некоторые виды стали, имеют точно определенный предел упругости, другие, такие как пластилин или даже медь, нет. В любом случае предел упругости любого материала проверяется опытным путем. Гук проанализировал некоторые силы, действующие в арке, и создал также универсальное соединение – соответствующая идея была предложена еще Леонардо да Винчи. Через него сила в стержне или оси может быть передана другой оси, связанной с первой, но расположенной под углом.

Тем временем Кристиан Гюйгенс (1629–1695), более невозмутимый человек, чем Гук, и более разносторонний, преобразовал часовую пружину в спираль, изобрел маятник и использовал его для измерения ускорения свободного падения. Маятник данной длины раскачивается, как заметил еще Галилей, с одинаковым периодом, независимо от веса и амплитуды колебания. Гюйгенс применил математический гений к изучению механики. Именно он вывел формулу определения радиальной или центростремительной силы, необходимой, чтобы заставить тело двигаться по криволинейной траектории, – бесценный вклад и в науку, и в инженерное искусство. Кольбер, всесильный министр финансов Франции и покровитель искусств, пригласил голландского ученого на открытие Французской академии наук в 1666 году.

Последним и самым выдающимся из великолепной четверки был Исаак Ньютон (1642–1727). Возможно, лишь немногие инженеры вдумчиво читали его труд Principia, но профессия потеряла бы очень многое без его фундаментальных положений. Его германский современник Готфрид Вильгельм Лейбниц тоже заслуживает величайшего уважения за участие в разработке дифференциального исчисления, или того, что Ньютон называл фдюентами и флюксиями. Ньютон, скромный англичанин, которому было на роду написано стать фермером, разработал три основных закона движения, которые не может игнорировать ни один инженер. 1. В инерциальных системах отсчета тело движется равномерно прямолинейно или находится в покое, если на тело не действуют другие силы или действие всех сил скомпенсировано. 2. В инерциальных системах отсчета ускорение, приобретаемое материальной точкой, прямо пропорционально вызывающей его силе, совпадает с ней по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки. 3. Материальные точки взаимодействуют друг с другом с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению.

Инструменты для измерений в XVII веке мало чем отличались от римских. Диоптра использовалась с небольшими изменениями – около 1616 года к ней была добавлена градуированная астрономическая дуга с подвижным визиром. Деревянные шесты продолжали использовать для измерения коротких расстояний. Размеры поля или длину дороги часто получали, используя мерное колесо. Этот метод был пригоден на ровной местности, но отличался неточностью для картографии. Проволочная цепь из девяти звеньев, появившаяся в Англии около 1600 года, после 1620 года была заменена мерной цепью Гюнтера из 100 звеньев длиной 66 футов. Компас, используемый с XVII века (вероятно, в Китае еще раньше), продолжал помогать и мореплавателям, и землемерам.

Молодой голландский математик Виллеброрд Снелл ван Ройен (1581–1626) первым применил систему триангуляции в измерениях земной поверхности. В 1615 году он использовал серию треугольников на расстоянии около 80 миль. Таким образом, он первым применил на практике геодезические или сферические измерения, в отличие от плоскостных измерений. Пьер Вернье (1580–1637) в 1630 году изобрел приспособление, настолько полезное для инженеров, что оно долгое время носило его имя. Верньер представляет собой две шкалы, установленные рядом. Вспомогательная шкала скользит вдоль основной, что позволяет точнее определить число долей делений основной шкалы. Телескоп, изобретенный в 1608 году и использованный в 1669 году Жаном Пикаром (1620–1682) для триангуляции региона между Парижем и Амьеном, начал систематически использоваться в измерениях только после 1800 года.

Были усовершенствования в вычислениях. Если не считать введение мусульманами и индусами зеро и появления арабских числительных, методы вычислений почти не изменились со времен древних египтян. Сдвиг произошел, когда Стевин в 1586 году написал трактат о десятичных дробях. Тем самым он помог инженерам повысить скорость и точность вычислений и заложил фундамент для метрической системы, появившейся двумя веками позже. Джон Напье (Непер), строгий протестант и шотландский лэрд, около 1594 года изобрел логарифмы и в 1614 году впервые опубликовал таблицу логарифмов. Генри Бриггс (1561–1630), друг и ученик Непера и первый профессор математики в Грешем-колледже, разработал десятичные логарифмы. Логарифм данного числа – это показатель степени, в которую надо возвести основание, чтобы получить данное число. В системе Бриггса 3 – это логарифм 1000 (10 х 10 х 10). Уильям Отред (1574–1660), священнослужитель английской церкви, но в значительно большей степени математик, в 1622 году изобрел логарифмическую линейку. Отред также был учителем Кристофера Рена, архитектора собора Святого Павла, и писал книги, которые изучал Исаак Ньютон. Паскаль и Лейбниц изобрели вычислительные машины.

Сегодняшние инженеры составляют планы быстро и эффективно, потому что точно знают, как измерять и вычислять. Заслуга в этом в значительной степени принадлежит ученым рассматриваемого периода. Расстояние и вес измерялись еще с 3000 года до н. э. Надежные и точные измерения времени начались с Гюйгенса и его маятника и Гука с его часовой пружиной. Наука о прочности материалов берет начало от Галилея и Мариотта. Стевин показал, как складывать силы. Измерения давления воды и воздуха начались со Стевина, Торричелли и Бойля. Среди многих других Непер, Бриггс, Отред, Декарт, Паскаль, Ньютон и Лейбниц внесли важный вклад в сложную систему вычислений, от которой зависит современная инженерия.

Эти европейцы, горожане западного мира, жили в постоянном контакте друг с другом. Они свободно встречались и переписывались. Их идеи быстро менялись, обогащались друг от друга, часто вызывая зависть и возмущение, однако в противоречиях рождались новые идеи. Эти люди создавали научные общества по образу и подобию Академии Платона, Лицея Аристотеля и Александрийского музея. Утверждают, что Леонардо основал академию. Джованни Баттиста делла Порта в 1560 году открыл академию в Неаполе и назвал ее Академией тайн природы, но быстро закрыл ее под давлением церкви. Академия деи Линчеи (Рыси) появилась в 1603 году. Ее создатели поклялись изучать природу глазами зоркими, как у рыси. Ее закрывали, но тем не менее она существует до сих пор. Ее членами были делла Порта и Галилео. Лондонское Королевское общество оформилось в 1662 году. Его членами были Бойль, Гук, Ньютон, Гюйгенс, один из основоположников микроскопической анатомии растений и животных Мальпиги, конструктор микроскопов Левенгук, создатель парового двигателя Дени Папен и другие выдающиеся личности. Французская академия начала работать в 1666 году, Берлинская академия – в 1700-м. Основателем последней стал Лейбниц.

Не отставало и книгопечатание. После Библии Гуттенберга стали выходить книги по самым разным предметам. Несмотря на неодобрение церковнослужителей, широко публиковались научные труды. В 1485 году вышел труд флорентийского архитектора Леона Баттиста Альберти о зодчестве. Также были напечатаны некоторые труды Витрувия. Основываясь на них, Джон Шут в 1563 году выпустил первую книгу по архитектуре на английском языке. Книга Бирингуччо о металлургии Pirotechnia была опубликована в 1540 году, а шестнадцатью годами позже увидел свет более известный труд о горных работах и металлургии De re metallica, написанный Агриколой. Обе эти публикации стали посмертными.

Работа Стевина о статике вышла в 1585 году, Гилберта о магнетизме – в 1600 году, труды Непера и Снелла – в 1614 и 1617 годах. Декарт опубликовал свои «Рассуждения о методе» в Лейдене в 1637 году. «Диалоги» Галилея увидели свет там же в 1638 году. До 1687 года были напечатаны труды Бойля, Паскаля, Гюйгенса, Лейбница и Ньютона. Только заметки и рисунки Леонардо да Винчи не были напечатаны ни при жизни гения, ни вскоре после его смерти. Начали печататься иллюстрированные книги о машинах, одни фантастические, другие вполне практические. Среди них можно назвать Cos-mographiae universalis Мюнстера, 1550 год, Theatrum instru-mentorum et machinarum Бессона, 1578 год, Le diverse et artificiose machine, Рамелли, 1588 год и другие. В наше время эти книги почти не переиздаются, но многие оригинальные издания можно видеть в крупнейших библиотеках мира.

Здания и мосты

Перемены в мышлении медленно проникают в повседневную жизнь. Архитекторы и строители XVI и XVII веков продолжали использовать привычные идеи и практики. Будучи современником Стевина и Галилея, архитектор Доменико Фонтана (1543–1607) умело применял методы прошлого, даже не помышляя об инновациях. История об известном перемещении Фонтаной обелиска, установленного во времена Калигулы, из цирка Нерона, где умирали христианские мученики, на площадь перед собором Святого Петра (рис. 6.1), то есть на расстояние около 800 футов, дает наглядное представление о методах работы итальянских инженеров. Как и в далеком прошлом, инженеры того времени были вовлечены в политику и религию.

Фонтана предложил поднять обелиск вертикально с фундамента, уложить горизонтально на платформу, доставить на новое место, снова поднять его в вертикальное положение и установить на фундамент. В октябре 1585 года он получил полномочия командовать рабочими, использовать оборудование и древесину, собирать продовольствие, решать, какие дома придется снести, чтобы освободить путь к площади, и так далее. Весь ущерб собственности населения, разумеется, подлежал возмещению, однако никто не мог отказать Фонтане и рабочим, не навлекая на себя штрафы и недовольство папы. Любой, кто осмелится «говорить, плевать или шуметь» во время перемещения, мог быть приговорен к смерти. Правда, судя по всему, так сурово никто наказан не был.

Рассказ, написанный Фонтаной в 1590 году, сохранился. Из него следует, что он разработал очень толстый канат, предназначенный специально для этой задачи, и заранее оценил, какую нагрузку тому предстоит выдержать. Он распределил весовую нагрузку между 40 кабестанами с оснасткой пропорционально прочности на разрыв, которую он тоже определил заранее. Он достал 50-футовые рычаги, способные поднять и удержать 375-тонный вес, так чтобы оснастка не находилась под постоянной нагрузкой. Также подготовил клинья, которые следовало вгонять под обелиск по мере его подъема. Зодчий не уделил должного внимания напряжению сдвига в металлических лентах вокруг обелиска и неверно оценил нагрузку на детали подъемных тяг. В конце концов пришлось использовать связывание канатами.

Для деррика Фонтана построил башню вокруг колонны. Каждая из четырех 40-дюймовых угловых стоек была сделана из древесины с болтовыми соединениями, чтобы башню можно было разобрать. Стойки входили в тяжелую деревянную платформу. Они были скреплены и связаны, чтобы предотвратить изгиб. Для поддержки всего веса колонны, когда она будет уложена горизонтально, а потом снова установлена вертикально, Фонтана установил на одной стороне деррика подвижную подпорку, способную выдержать весь вес, управляемую с помощью оснастки внизу. От цирка до площади уклон был всего лишь 4 фута, так что Фонтана получал практически ровную дорогу или виадук, который он построил из грунта в деревянных ряжах.

Рис. 6.1. Перемещение зодчим Фонтаной в 1586 г. обелиска, установленного во времена Калигулы

30 апреля 1586 года, за два часа до рассвета все было готово. 907 человек и 75 лошадей были у 40 кабестанов, 5 рычагов и клинья оставались в резерве. Еда была приготовлена, толпу оттеснили подальше, люди исповедовались, получили благословение, прослушали две мессы. Потом, стоя на возвышении, откуда ему было видно все, Фонтана дал команду приступать. Люди и лошади пришли в движение, канаты натянулись, башня заскрипела, и, если верить Фонтане, даже земля дрогнула. Обелиск слегка накренился. Прозвенел звонок, все остановилось. Фонтана осмотрел конструкцию, обнаружил, что верхняя металлическая лента порвалась, и приказал заменить ее канатами. К четырем часам дня, после дюжины попыток подъема, колонну приподняли на два фута над пьедесталом, что было необходимо для подведения под нее платформы. Пушечный залп сообщил об успехе городу. Прошло восемь дней напряженной работы, прежде чем колонна была уложена горизонтально на платформу и все было готово для начала движения к площади.

Месяцы ушли на подготовку нового фундамента, перевозку пьедестала на новое место и его монтаж. Подпочва площади оказалась неудовлетворительной. Фонтане пришлось выкопать котлован со сторонами 45 футов и глубиной 24 фута и вбить 9-дюймовые дубовые сваи на глубину еще 18 футов. После этого он велел закопать котлован и накрыть его полом из древесины каштана, чтобы предотвратить попадание влаги. Поверх был положен бетон из щебня, кирпича и пуццолана.

К 10 сентября 1586 года работы на площади были закончены. Там тоже собралась огромная толпа, прошли необходимые богослужения. На этот раз Фонтана использовал на 40 кабестанах 800 человек и 140 лошадей. За тринадцать часов, после 52 грузовых операций, языческий трофей римских завоеваний был водружен невредимым на то место, где он стоит и поныне, – перед христианской церковью Святого Петра. В течение тринадцати веков, предшествовавших рождению Христа, он являлся памятником, поставленным египетским фараоном Менептахом себе самому или божествам, которым он поклонялся. Более странную смесь религиозной символики и человеческой слабости трудно себе представить. В рассказах современников о перемещении обелиска Фонтаной подробно изложены методы, использованные в строительстве в Италии XVI века. Однако не стоит забывать, что в 41 году, то есть пятнадцатью веками раньше, аналогичная, если не более сложная, работа была выполнена римскими инженерами. Они благополучно переправили обелиск с того места, где он спокойно стоял в течение десяти веков, на берег Нила, погрузили его на баржу, перевезли по Средиземному морю к побережью Италии, затем переправили по суше в Рим и установили в цирке Нерона, где им спустя полтора тысячелетия занялся Фонтана. При этом древние римляне не допустили ни одного повреждения. К сожалению, записей о том, как им это удалось, не сохранилось.

Архитекторы и инженеры эпохи Возрождения хотели двигаться вперед, но довольствовались тем, что оставляли основные черты построек такими, как они были раньше. Не было никаких существенных прорывов в техниках строительства, которые можно было бы назвать важными изменениями в инженерии. Исключение составило возобновление использования полного купола на пандативах – тромпах, как в храме Святой Софии в Константинополе. В 1436 году Филиппо Брунеллески построил восьмигранный купол диаметром 42 метра, состоящий из двух оболочек, связанных 24 ребрами и 6 горизонтальными кольцами. Такая конструкция, при таком же расходе материала, как на одну оболочку, придавала дополнительную жесткость. Купол возвышается над собором Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции. Фонтана вместе с Джакомо делла Порта (1541–1604) завершил строительство купола собора Святого Петра, который спроектировал и начал расписывать Микеланджело. Формы быстро менялись. Устав от готики, зодчие отправлялись в Рим за вдохновением. Брунеллески (1377–1446) и Донателло (1386–1466) использовали Пантеон как модель для собора Санта-Мария дель Фьоре. Другие тоже находили для себя новые источники вдохновения, и потому архитектура Ренессанса существенно отличается от романской и готической. Изменения шли от простого и прямого к сложному и изысканному. И архитектура Ренессанса стала даже излишне причудливой. Потом имело место возвращение к простоте и сдержанности. Так родилось итальянское барокко, после чего началось общее возрождение классической архитектуры.

У инженеров нередко есть много общего с художниками – зачастую даже больше, чем они осознают. Это определенно относится к строителям Тадж-Махала в Индии. Его остроконечный купол поднимается на 200 футов, на 20 футов выше, чем в соборе Святой Софии. Однако он опирается не на тромпы. Это истинная арка, установленная на квадратном основании. Детали конструкции просты. Отличительной чертой является виртуозное искусство, в котором простота инженерных деталей сочетается с замысловатостью украшений. Тадж-Махал раскрывает в материальной форме внутренние мысли и надежды людей. Он стал совершенным воплощением безграничной любви шаха Джахана к его любимой жене Мумтаз. Он также стал художественным выражением ожиданий, возлагаемых на строителей, и они оказались на высоте.

Аналогичные эстетические требования на протяжении двух веков Ренессанса предъявлялись к строителям мостов. Многие конструкции, разные по дизайну, строились с использованием установившихся принципов арочной каменной кладки. Среди них мост Святой Троицы во Флоренции, мост Риальто в Венеции, парижский Пон-Неф и Заксенхой-зерский мост во Франкфурте. Многие до сих пор используются. Но были и новые идеи и эксперименты, связанные с мостостроением. Андреа Палладио (1518–1580), архитектор, известный возрождением классического стиля и созданием палладианского окна, вероятно, первым внедрил фермы в строительство мостов (рис. 6.2). Он говорил, что слышал о подобной конструкции в Германии, однако существовала ли она в действительности, неизвестно. Инженеры давно понимали, что треугольник невозможно разрушить, не изменив длины хотя бы одной его стороны, и использовали стабильность этой геометрической фигуры для поддержки крыш. В работе Палладио, опубликованной в 1570 году в Венеции, было показано четыре деревянных фермовых моста, которые он, скорее всего, сам и спроектировал. Об одном из них – через реку Цисмон на границе Италии и Германии – он писал, что мост не имеет опор в воде и потому не разрушается течением и не подвергается ударному воздействию стволов деревьев и камней с гор. Он утверждал, что такие мосты прочные, поскольку все их части взаимно поддерживают друг друга.

Рис. 6.2. Фермовый мост конструкции архитектора Палладио

Мосты Палладио являлись инновацией. Они строились из коротких деталей, которые собирались вместе и образовывали длинный пролет. Им не нужны были тяжелые опоры, чтобы выдержать нагрузку арок. Было заявлено, что Палладио допустил ошибку, оставив центральные панели только с одной диагональной связью. Напряжение там может стать слишком большим, когда по мосту станут перемещаться грузы. Следует отметить, что вторые диагонали, или разгружающие связи фермы, не являются необходимыми, если единичные диагонали панели могут выдержать и сжатие, и растяжение. Хотя Палладио, вероятно, не владел теорией, он заслужил славу и почет за изобретение и постройку фермового моста. Его мосты отлично зарекомендовали себя в эксплуатации.

За много лет до Палладио Леонардо да Винчи заинтересовался применением в строительстве мостов деревянных ферм, которые давно использовались при постройке других сооружений. Рисунок в одной из его тетрадей (рис. 6.3) показывает фермовый мост относительно современного вида.

Рис. 6.3. Изображение ферм Леонардо да Винчи (из его Manuscritti e i disegni)

Надпись под рисунком гласит: «Мост сломать невозможно, если основные балки ab и cd прочные и хорошо связаны». В 1595 году и снова в 1617 году Фаусто Веранцио (1551–1617), далматинский епископ, проиллюстрировал свою концепцию фермового моста с металлическими стержнями и проушинами. Он не был построен, да и вообще фермовые мосты из дерева или железа, за исключением моста Палладио, очевидно, не строились еще на протяжении многих лет. Веранцио также планировал подвесной мост с цепными тягами и ровным полом (рис. 6.4).

Французский математик и инженер Франсуа Блондель (1618–1686) в 1665 году усовершенствовал римский метод устройства фундаментов мостов. Его конструкция для защиты фундаментов мостов от размывания уникальна. Это своего рода ложное речное дно. Римский мост в Сенте разрушился, потому что река Шаранта размыла опоры. Блондель пробурил несколько скважин, причем ему пришлось углубиться на 66 футов, прежде чем он добрался до твердой глины. Он использовал водонепроницаемую крепь, чтобы удерживать воду, и поместил каркас из дубовых бревен квадратами от берега до берега на 7 футов ниже речного дна. Блондель заполнил эти квадраты камнями, смешанными с раствором.

Рис. 6.4. Изображение Веранцио китайского подвесного моста (из его Machinar novae, 1595)

Затем он закрепил дубовые платформы на каркасе и на них построил опоры высотой 5 футов. Течение не размывало эту конструкцию, и мост благополучно простоял, пока его не снесли в 1845 году. Метод Блонделя был слишком трудоемким и дорогостоящим, чтобы стать всеобщей практикой. Его усовершенствовал Франсуа Ромен (1646–1735), доминиканец, уроженец Гента, когда в 1685 году закладывал фундамент для Королевского моста в Париже. Ромен использовал открытые кессоны, до сих пор применяющиеся для некоторых подводных конструкций. Он соорудил вместилище из тяжелых бревен и выложил каменную кладку опоры внутри. По мере роста и увеличения веса опоры кессон вдавливался в грунт, в конечном счете достигая твердого дна. До этого Ромен использовал драгирование при строительстве фундамента опор в Маастрихте, Голландия.

Каналы и гавани

Итальянские, фламандские, голландские инженеры того времени рыли каналы с основательностью и рвением, которые можно приписать патриотизму. Места, на которых велось

строительство, являлись стратегическими, экономические цели – национальными по размаху. Жители Нидерландов стремились сохранить выход к морю для Брюгге, некогда крупного европейского порта, когда глиной занесло реку Звин. Канал Слёйс стал бесполезен. Голландцы попытались в 1622 году добраться до глубоководья в Остенде, потом в 1640 году через Дюнкерк. Однако упадок Брюгге остановить было невозможно. Порт для района низин появился на Шельде, после того как канал Виллебрек дал Брюсселю доступ к морю через Антверпен. Строительство канала началось в 1531 году и завершилось в 1561 году. Этот канал длиной 17 миль был достаточно широким и глубоким, чтобы по нему могли ходить небольшие прибрежные суда. Чтобы преодолеть подъем в 40 или 50 футов, на нем было пять шлюзов. Ворота с косым стыком к тому времени уже использовались широко. Они оставались водонепроницаемыми благодаря давлению воды. Их открывали и закрывали с применением живой силы – людей или животных.

Адам де Краппонн (1525–1576), прославившийся своими инженерными трудами во Франции, родился вскоре после того, как завершилась карьера Леонардо да Винчи на службе у Франциска I. Краппонн расширил ирригационную систему в южной части страны. Перегородив в 1554 году реку Дюранс к северу от Марселя, он отвел ее воды на юго-запад, на равнину Крау. Он спланировал еще много каналов для Генриха II. Считается, что он первым предложил канал между Луарой и Соной, сегодня являющийся основным звеном навигационной системы внутри страны. Возможно, Краппонн даже руководил первым этапом строительства. Однако строительство канала было завершено только в 1792 году, когда Эмиланд-Мари Готи (1732–1806) отдал ему девять лет жизни. При нем канал строило большое подразделение французской армии. Краппонн умер в 1576 году. Считается, что его отравили подрядчики, работу которых он отверг.

Другой канал из французской системы судоходных каналов соединяет Луару с Сеной южнее Парижа. Строительство Бриарского канала началось в 1605 году под надзором ревностного чиновника Генриха IV Сюлли, а завершилось в 1642 году под руководством кардинала Ришелье. Обоих этих государственных деятелей французский народ будет помнить и ценить еще долго после того, как позабудет своих королей. Бриарский канал был первым французским каналом со шлюзами, внедренными Франсуа Андреосси (1633–1688), который много лет провел в Италии. Это был первый канал в западном мире, пересекший водораздел. Марко Поло видел Великий канал в Китае в 1290 году: «Широкий и глубокий канал, прорытый от реки к реке, от озера к озеру, образуя большой поток, по которому могут плавать крупные суда». Несомненно, он пересек не один водораздел между Ханчжоу на реке Янцзы и Тяньцзинь на реке Хайхэ.

Кольбер, другой дальновидный французский государственный деятель, убедил Людовика XIV построить еще одну водную артерию. Южный канал (он же Лангедокский), протянувшийся от реки Гаронна в районе Тулузы до Средиземного моря, пересек возвышенности возле старого укрепленного города Каркассон. Людовик должен был заплатить половину, провинция Лангедок – вторую. Экспертные оценки его стоимости варьировались от 2½ до 6 миллионов долларов. Инженер и вдохновитель строительства Пьер-Поль Рике (1604–1680), владевший землями вдоль канала и вложивший все свое состояние в строительство, должен был получить герцогский титул, но умер за год до завершения строительства, и его потомки получили дивиденды только в 1724 году. Андреосси тоже активно участвовал в строительстве, но не имел доли во владении. Жители древнего Каркассона были против вторжения этого коммунального сооружения, находившегося в частной собственности, потому что его следовало поддерживать и осуществлять техническое обслуживание, возможно, также из-за налогов, которые им надо будет платить на строительство, поэтому канал был повернут в обход города. Сегодня он проходит через его северные пригороды.

Южный канал поднимался на 200 футов на протяжении 24 миль до верхней точки в районе Каркассона, после чего плавно опускался на 620 футов к побережью Средиземного моря в районе Сета. На 148 миль, построенных при Рике, приходилось 100 шлюзов. Несколько акведуков были построены через реки. Тоннель Мальпас длиной 500 футов был первым, при строительстве которого использовался порох. Водохранилище Сан-Фериоль некоторое время

считалось одним из чудес света, как из-за его восхитительной конструкции, так и из-за количества воды в нем. Оно имело длину 7200 футов, ширину 3600 футов и глубину 132 фута и могло подавать в канал каждую минуту в течение шести месяцев года более 8 кубических футов воды. На сооружение плотины перед ним пошло огромное количество земли, которую ежедневно доставляли 2000 рабочих. Впоследствии Лангедокский канал протянулся вдоль Гаронны до Бордо и удлинен у берега Средиземного моря. Таким образом, он стал внутренним водным путем протяженностью более 300 миль через Южную Францию, и французские суда грузоподъемностью до 100 тонн могли избежать долгого морского пути вокруг испанского полуострова, его гибельных туманов, пиратов и английских военных кораблей.

Во время Тридцатилетней войны Густав-Адольф из Швеции нашел время подумать о чем-то еще, кроме победы над Валленштейном и расширения своего королевства. Он был лично заинтересован в строительстве канала Арбога, чтобы дать Центральной Швеции водный путь к морю. Согласно проекту, в нем должно было быть двенадцать шлюзов. Письмом из военного лагеря в Виттенберге в 1631 году король поручил министру Палатину проследить, чтобы крестьяне трудились на совесть, а если инженеры не поймут, что такое шлюз, можно послать одного или двух в Голландию, чтобы посмотреть на него. Король обещал оплатить расходы на дорогу и еще некоторую сумму за беспокойство. Он понимал, что работы могут затянуться, но не сомневался, что потомки скажут ему спасибо. Другие каналы в Швеции, построенные под надзором шотландца Томаса Телфорда, впоследствии соединили Северное море в районе Гетеборга и Балтийское в районе Стокгольма, освободив систему внутренних водных путей от датских пошлин и других неудобств.

Молодой и энергичный Петр Великий тоже думал о национальных интересах. После пребывания в Голландии и визита в Англию в 1698 году он призвал к себе молодого британского инженера Джона Перри (1670–1733). Перри предстояло построить на Руси систему судоходных каналов от Санкт-Петербурга, столицы Петра, через Ладогу и реки до верхней Волги, а значит, до Каспийского моря. А потом он должен был соединить древнюю столицу, Москву, с рекой Дон и Черным морем. Амбициозный Джон Перри не сомневался, что его дамбы будут стоять, пока существует мир, но с самого начала у него начались проблемы. Местные власти были против инноваций Петра, в точности так же, как монахи Зальцбурга были против канала Карла Великого. В одном из своих трудов Перри писал: «Бог направил реки по одному пути, а человеку предстоит повернуть их». Джону Перри пришлось бежать из страны, даже не получив плату за свою службу. Стараниями Петра канал от Ладоги до Волги был построен, несмотря на противодействие местных властей, но водораздел между Москвой и Черным морем так и не был пересечен каналом до 40-х годов XX века.

Британия, как и Голландия, посылала в другие страны инженеров, имеющих опыт в строительстве каналов. В отличие от голландцев англичане строили мало каналов у себя дома, не видя тогда в них нужды. Римляне в свое время вырыли в Британии несколько рвов, а в XVI веке небольшой канал со шлюзами восстановил связь Эксетера с приливноотливными водами. Знаменитый Бриджуотерский канал был построен только после 1700 года. Для англичан было важнее развивать глубоководные гавани – страна намеревалась завоевать господство на море. Бристоль показал пример еще в 1239 году. Потребность в больших гаванях возрастала вместе с тоннажем и осадкой океанских судов, когда атлантические нации – португальцы, испанцы, французы и англичане – опередили средиземноморские города – Венецию, Милан, Флоренцию, Геную – и стали сражаться между собой за новые континенты. Елизаветинские порты Плимут, Саутгемптон, Портсмут, Лондон и Бристоль, откуда уходили в плавание Джон Хокинс и Фрэнсис Дрейк, сэр Уолтер Рэли, капитан Джон Смит, Уинтроп и Брэдфорд, соответствовали потребностям океанского судоходства.

Рис. 6.5. Драгирование в конце XVI в.

Попытка Франции конкурировать с Англией, однако, привлекла особое внимание к строительству гаваней. Франциск I, соперник отца Елизаветы Генриха VIII, желал иметь порт в устье Сены. Руан был слишком далеко в глубине территории, Онфлёр и Арфлёр – слишком маленькие, к тому же Арфлёр быстро заносило песком от приливно-отливных течений и реки Лезард. Была выбрана площадка в пяти милях к северу, на северном берегу эстуария и в устье маленькой речушки Грас. Но ее следовало защитить от штормов. Строительные работы в Ле-Гавре начались в 1516 году под руководством инженера Франциска по имени Гийом Ле Рой, который умер в 1533 году. Но когда его изначальный план, подвергшийся небольшим изменениям, был завершен в конце века, река Лезард потекла в 4 милях от Арфлёра в канале шириной 60 футов к новому стоку в Ле-Гавре. Была построена скоординированная система дамб, берегозащитных сооружений, шлюзовых ворот и бассейнов. Все это помогало справиться с 25-футовой высотой приливов. Обмеление, имевшее место, контролировалось с помощью ворот на реке на входе в гавань. Их можно было закрыть при высокой воде и снова открыть во время отлива, чтобы поток воды очищал дно гавани. Молы высотой 25 футов были построены из камня, уложенного на цемент и скрепленного металлическими скобами. Когда Лондон в 1660 году построил свой первый мокрый док, Ле-Гавр ответил тем же в 1667 году.

Коффердамы, поддерживаемые относительно сухими с помощью насосов, использовались в Ле-Гавре даже для земляных работ, поскольку приливы нередко были слишком большими для драг того времени. Леонардо да Винчи, всегда богатый самыми разными идеями, перенес свое внимание от улыбки Моны Лизы на драги всевозможных форм. Но создать работающую драгу удалось англичанину. В 1618 году Джон Гилберт первым получил патент на землечерпалку – «водный плуг» для проведения на Темзе дноуглубительных работ. Правда, драги разных видов, с черпаками или ложками, приводимые в движение вручную, уже давно использовались по всей Европе. Землечерпалка грейферного типа была изображена в книге о машинах, опубликованной в 1596 году (рис. 6.5). Имея современный привод и захваты, она лучше приспособлена для работы в условиях глубоководья, чем конструкция с черпаками. В XVII веке грейферная драга с ручным приводом была очень медленная и неудобная и почти бесполезная при глубине больше 6 футов, как в Ле-Гавре. Возможно, машина, которую путешественник Балтасар де Монконис видел за работой в низовьях Рейна, была эффективнее. Это была железная цепь с ведрами, которые вращались на колесе между двумя лодками. Привод – ручной. Еще до конца XVII века появилось много разных типов драг, которые приводились в действие мускульной силой человека, лошадьми и даже силой течения.

Городское строительство

Большие и малые города, как и в Средние века, имели особые черты и жили изолированно, не взаимодействуя друг с другом. Но их содержание и развитие входили в сферу национальных интересов. 16 июня 1510 года Людовик XII, хотя в первую очередь имел в виду Париж, приказал всем жителям городов Франции выложить тротуар перед своим домом и поддерживать его в хорошем состоянии. В королевских предписаниях стали появляться спецификации с указанием размеров каменных блоков и методов их укладки. Франциск I издал точные правила в 1540 году и пригрозил суровыми наказаниями тем, кто не выполнит работу.

Франциск I и его инженер Ле Рой понимали, что молы и пристани, приливные бассейны, шлюзовые ворота и контроль заиливания – все это необходимо, но недостаточно, чтобы Ле-Гавр стал крупным национальным портом. Там должны жить люди и иметь свой бизнес, причем для них должны быть созданы привлекательные условия, иначе они туда не придут. 8 октября 1517 года король объявил, что освободит от королевских налогов на десять лет всех тех, кто живет в этом регионе. Кроме того, он даст бесплатную соль рыбакам для рыбы и их личного употребления. Когда люди в Ле-Гавр все же не пошли, он тремя годами позже объявил, что дарует эти привилегии безвозвратно и на неограниченный срок. Король и Ле Рой понимали, что новый город должен также снабжаться водой. За 3000 ливров Ле Рой по отдельному контракту взялся организовать доставку воды в город по глиняным трубам из источника, расположенного на расстоянии 3 миль. А потом носильщики будут доставлять ее из фонтанов в жилища граждан. Ле-Гавр рос. Франциск I в 1541 году нанял итальянского инженера для планировки нового жилого района и через два года – еще одного.

В те времена делалось лишь немного попыток содержать улицы города чистыми и освещенными. Это не интересовало жителей. Намного больше интереса вызывала проблема организации водоснабжения. Людям свойственно думать в первую очередь о себе, а уж потом о нуждах соседей. Система водоснабжения в германском Аугсбурге вызывала любопытство и зависть гостей города еще в 1548 году. В трубопроводе Ле Роя в Ле-Гавре вода текла под воздействием силы тяжести, как в римских акведуках, но жители Аугсбурга получали воду из реки. Неизвестно, как в 1548 году воду поднимали из реки. Можно предположить, что под водой были установлены подливные колеса, вращающие архимедовы винты, или спиральные насосы, которые поднимали воду на высоту. В 1705 году путешественник Де Блейнвилль упоминал мельницы на реке и работающие день и ночь насосы, поднимающие воду по свинцовым трубам в башни. Они функционировали настолько эффективно, что все общественные фонтаны были заполнены, и, кроме того, тысяча домов получала «сто двадцать больших мер». Что представляла собой эта «мера» – неизвестно.

Рис. 6.6. Система водоснабжения в Толедо

Через двадцать лет после того, как заработала система водоснабжения в Аугсбурге, в испанском Толедо появилась система водоснабжения, озадачившая инженеров. Причем они не так жаждали узнать принцип ее действия, как дивились тому, что она работает вообще (рис. 6.6). После изгнания мавров в 1502 году древний акведук разрушился, и жителям пришлось возить воду на ослах из реки Тахо, протекавшей в полумиле – или около того – от города. Но подниматься на 300 футов к алькасару было тяжело, и часовщик Джанелло Турриано (1501–1575) придумал диковинный механизм. Подливное колесо в реке Тахо поднимало воду и приводило в движение зубчатые колеса, тяги и качающиеся рычаги аппарата. Идея заключалась в том, чтобы поднять на рычаге каждый Т-образный черпак последовательно и передать воду следующему. Так вода поступала последовательно через серию черпаков и рычагов до алькасара. Сколько воды терялось по дороге, никто не знает. Хитроумный прибор Джанелло Турриано работал недолго – если вообще работал. Бедняки Толедо очень скоро опять вернулись к доставке воды на ослах.

Рис. 6.7. Часть водопроводной станции Лондонского моста

Подобных сомнений относительно эффективности и механики городского водоснабжения нет, когда речь заходит о лондонской системе, которую Питер Морис построил при королеве Елизавете. Где он родился, в Нидерландах или в Германии, в точности неизвестно, да и не имеет значения. Морис имел большой опыт в поднятии воды из расположенных в низинах источников на высоту. Он знал, как использовать силу приливов, которые толкали воду через узкие арки Лондонского моста (рис. 6.7). Его подливные колеса генерировали энергию мощностью более 100 лошадиных сил и приводили в движение поршневые насосы, перекачивавшие более 4 миллионов галлонов воды ежедневно через 12-дюймовый трубопровод на высоту 128 футов. Как и в Аугсбурге, вода под действием силы тяжести стекала из резервуаров по свинцовым трубам к жилищам людей. Система водоснабжения Мориса поражала воображение горожан, но воды все равно оказалось недостаточно, чтобы остановить великий пожар 1666 года, так же как современное водоснабжение доказало свою неадекватность в Чикаго, Сан-Франциско, Бостоне и других городах. За свою службу городу Морис и его наследники получили 500-летний арендный договор с годовой платой всего 10 шиллингов, право использовать пять арок Лондонского моста и необходимую землю. Его наследники пользовались всеми привилегиями и выполняли все обязательства, пока в 1822 году система не была ликвидирована актом парламента. Сколько состояний было сделано на этой аренде или утрачено в процессе выполнения работ, является интересной исторической информацией для обеих сторон в споре об использовании частной собственности в общественных работах.

Хью Мидделтон (1560–1631), богатый ювелир и инженер-самоучка, друг сэра Уолтера Рэли, в 1608–1613 годах потратил свое состояние на постройку акведука, чтобы поставлять более 13 миллионов галлонов чистой воды в Лондон. Король Иаков не слишком заинтересовался проектом, но выделил ссуду, покрывшую более половины расходов на строительство, – почти 2,5 миллиона долларов. Вода поставлялась из источников в районе Вэра, Хартфордшир, по 60 водопропускным трубам и 160 мостам в канал шириной 18 футов и глубиной 5 футов, стекала по сельской местности на протяжении примерно 40 миль со средним уклоном не более 3 дюймов на милю. Джон Стоу, внимательно наблюдавший за строительством, писал, что глубина рва (в некоторых местах) достигала 30 футов, если не больше, а в других местах воду необходимо было поднять над долиной в желобе между парой холмов, и этот желоб все время опирался на деревянные арки. Некоторые из них были зарыты в землю очень глубоко и поднимались над ней на высоту более 23 футов.

Водохранилище Мидделтона размещалось в районе Ислингтона, и оттуда вода стекала по 58 трубам из ильма или свинца в город. Дома, сдаваемые за 15 или 20 фунтов в год, имели трубы меньшего диаметра, по которым вода поступала непосредственно в помещение. Многоквартирные дома, как правило, имели общий насос. В какой-то момент Джон Стоу, вероятно, был прав, заявляя, что Лондон снабжается водой лучше, чем любой другой город в мире. Тем не менее многие лондонцы были вынуждены пользоваться колодцами, часто загрязненными утечками из сточных ям и прочими отходами. Система Мидделтона, расширенная и усовершенствованная, является частью лондонской системы водоснабжения и сегодня. Одно время она включала 400 миль деревянных труб. Джон Смитон, британский механик и инженер-строитель, в 1776 году снабдил ее паровым двигателем, а в 1787 году паровая машина Уатта обеспечила более высокое давление. Вскоре после 1810 года деревянные трубы были повсеместно заменены чугунными.

Рис. 6.8. Насосы Линтлаера на парижском Пон-Неф, 1608 г.

Париж зависел от древних акведуков из далеких источников для снабжения общественных фонтанов на близлежащих площадях, аббатств и приоратов питьевой водой. По большей части воду брали из Сены. Генрих IV, вдохновленный примером Лондона, в 1608 году нанял фламандского инженера, чтобы эффективнее использовать реку. Жан Линтлаер установил 16-футовые водяные колеса под Новым мостом – Пон-Неф (рис. 6.8), чтобы снабжать водой Лувр и Тюильри. Эти насосы, получившие название «самаритян», использовались до 1813 года, когда Наполеон приказал их убрать, потому что на реке стали устанавливать паровые насосы. В 1624 году Мария Медичи, мать Людовика XIII, желая получить более приятную, если не более безопасную, питьевую воду, приказала построить акведук Аркёй. По нему доставлялась вода из источников Рунгис, что в 8 милях к югу. Вода поступала в Люксембургский дворец и сады королевы, и некоторая часть отводилась для 14 общественных фонтанов.

Рис. 6.9. Машина Суалема в Марли, подающая воду в Версаль, 1682 г.

Достижением гидравлической инженерии во Франции были водопроводные сооружения Марли (рис. 6.9), построенные для Людовика XIV в 1682 году фламандским инженером Реннекеном Суалемом (1645–1708). Они должны были обеспечить поставку воды для садов Версаля. Было потрачено более 80 миллионов французских ливров – больше 4 миллионов фунтов стерлингов – на машины, которые могли поднимать не больше воды, чем один крупный английский пожарный насос 1744 года, стоимость которого не превышала 10 000 фунтов. В Марли было построено 225 насосов тремя ступенями вдоль ¾-мильного склона от реки. Еще 25 насосов работали на Сене. 14 подливных колес обеспечивали энергию. Они были соединены с насосами на склоне цепями или соединенными между собой тягами, которые оглушительно лязгали и дребезжали. На протяжении первого участка длиной 3/8 мили было в общей сложности 500 клапанов, которые внесли свой вклад в общую утечку. Стоимость технического обслуживания и ремонта, вероятно, была заоблачной. По английским оценкам, в 1749 году она составляла 25 000 фунтов в год. Эффективность оставалась низкой. Утверждают, что 95 процентов тратилось на движение тяг и цепей. Но машина действительно поднимала воду на 533 фута из Сены в резервуар в Версале. Она работала до 1804 года.

Сооружения Марли важны для инженерии, несмотря на сложность механизмов и низкую эффективность. Суалем использовал чугунные трубы – насколько известно, это было впервые в истории. Чугун доселе применялся исключительно для пушек. Процесс изготовления железных труб был сравнительно хорошо отработан, но оставался дорогостоящим. Людовик XIV, однако, не жалел средств для красот Версаля. По-видимому, он не сомневался, что Франция может себе позволить чугунные трубы для королевских садов. Мария-Антуанетта впоследствии прославилась подобным отношением к простому люду, заявив, что, если у народа нет хлеба, пусть ест пирожные. В Америке использование чугунных труб началось только после 1817 года. К тому времени производство стало настолько экономичным, что они стали повсеместно быстро заменять деревянные.

Вода и огонь

У людей было много разных идей относительно использования воды, идей зачастую непрактичных, но тем не менее хитроумных и даже пророческих. Еще до 1578 года Жак Бессон думал о тушении огня с помощью струи воды, выбрасываемой сжатым воздухом. В 1617 году Якоб де Страда придумал горизонтальное водяное колесо, прообраз современной турбины. В какой-то период после 1620 года голландский ученый Корнелиус Якобсон Дреббель (1572–1634) придумал лодку, которая плыла под водой по Темзе от Весминстера до Гринвича. До 1629 года Джованни Бранка (умер в 1629 г.) придумал паровую турбину. Он предположил, что его устройство может использоваться для приведения в действие пестов и ступок, подъема воды, пиления древесины и т. д. (рис. 6.10). Это было фантастическое изобретение, но тем не менее важное. По всему миру начались эксперименты с паром. Лишь немногие из придуманных машин были в действительности построены, и причин тому несколько. Во-первых, не было необходимых инструментов. А во-вторых, люди еще не чувствовали острой потребности в подобных машинах. Именно простые потребности людей, выполняющих повседневные задания, открыли путь к пониманию силы огня и его большей полезности при соединении с водой. В целом потребности современной жизни – главная причина всех инженерных открытий.

Рис. 6.10. Концепция паровой турбины Бранки

Представляя собранные им знания в Pirotechnia в 1540 году, Бирингуччо подчеркивал большую ценность воды для металлургического производства. Он писал, что из всех неудобств в первую очередь следует избегать нехватки воды. Это материал первостепенной важности для металлургического производства, потому что колеса и другие хитроумные приспособления приводятся в действие ее энергией и весом. Она может легко поднимать большие и мощные мехи, которые дают свежие силы и энергию огню, она заставляет самые тяжелые молоты бить, мельницы поворачиваться, тем самым всячески помогая людям. Было бы практически невозможно, не имея воды, добиться поставленной цели, потому что, дабы повернуть колесо, требуется мускульная сила ста человек или даже больше.

Обобщив опыт работы металлургов и шахтеров, Бирингуччо сделал выводы относительно производительности труда и продолжительности рабочего времени. По его мнению, рабочие смены должны продолжаться шесть или восемь часов, после чего к работе должны приступать новые, хорошо отдохнувшие люди. Это предложение совершенно не соответствовало римской привычке использования рабского труда, да и средневековому обращению со свободными рабочими тоже. Оно и сегодня далеко не всегда и не везде действует. Понятно, что современники не обратили внимания на его рекомендации. Кроме того, Бирингуччо отметил, что горное дело даже больше, чем война со всеми ее неприятностями, является бизнесом для людей, которые хотят богатства. В этом стремлении горное дело даже выше торговли, поскольку торговля зачастую связана с обманом и другими утомительными вещами, неприемлемыми для честного человека. Судя по подробным описаниям Бирингуччо, процессы плавки и производства стали в то время уже были хорошо развиты. Средневековый кузнец являлся высококвалифицированным ремесленником, имеющим в своем распоряжении молот и наковальню, мехи и огонь и способным творить с их помощью настоящие чудеса. Однако большое внимание Бирингуччо уделял и сопутствующим проблемам. Он отмечал, что несчастные рабочие днем не имеют ни минуты покоя и могут отдохнуть только вечером, утомленные длинным и напряженным рабочим днем, который начинается для них с первым криком петуха. Иногда они засыпают даже без ужина.

В шахтах Европы после римских времен были введены заметные усовершенствования. Стали углублять стволы шахт, пробивать шурфы, в галереях появились крепи. Улучшились инструменты. К 1520 году под землей появились первые железнодорожные тележки с четырьмя колесами на рельсах (см. рис. 9.16). Таким образом, увеличился выход продукции, и снизилась нагрузка на людей. Грузоподъемные механизмы теперь нередко приводили в действие лошади. Появились подъемники для людей, вентиляционные шахты и нечто подобное вентиляторам. К 1627 году, хотя сила пороха была известна двумя веками ранее, его стали использовать в шахтах, помимо древнего метода добычи – раскалывания камня с использованием огня и воды. Однако насосы, хотя они, безусловно, были лучше, чем римские tympanum и cochlea, все же не могли справиться с бурными подземными потоками, которые периодически врывались в шахты и галереи, сметая все на своем пути.

Водяные насосы появились задолго до 1600 года. Витрувий подробно описал насос Ктесибия, и труды Витрувия, опубликованные в 1486 году, были среди самых ранних печатных работ на эту тему. В работе De re metallica, опубликованной в 1556 году, Агрикола описал несколько насосов: всасывающие, цепные и т. д. Одна сложная установка в Хемнице поднимала воду на 660 футов в три этапа с помощью насосов шарового и цепного типа. Ее приводили в действие 96 лошадей, работавшие четыре часа и отдыхавшие двенадцать. На каждом насосе работало по восемь лошадей. Другой проект, проиллюстрированный в издании 1589 года Spiritalia Герона, имел четыре всасывающих насоса, которые приводили в действие коленчатые рычаги, установленные под прямым углом друг к другу. Их вращала одна лошадь. Эти ранние изображения показывают кривошипно-шатунные механизмы, преобразующие возвратно-поступательное движение во вращательное. Двумя столетиями позже на них были выданы патенты в Англии. Но только насосы были медленными и слабыми и не отвечали требованиям даже своего времени. Их пользователи не могли подсчитать отношение затраченной энергии к полученной работе. Они только знали, что даже с большой группой тяжелых фламандских лошадей, работающих день и ночь (рис. 6.11), насосы не могут выполнить необходимую в шахте работу.

Рис. 6.11. Насос мощностью четыре лошадиные силы для осушения шахты

Ктесибий и Герон, два инженера эллинских времен, всегда будут почитаться за свои исследования в области свойств пара. Утверждают, что Ктесибий изобрел поршень и цилиндр еще до 200 года до н. э., и Витрувий приписывает ему насос, в котором они использовались. Уцелели некоторые труды Герона. Они были переведены с греческого в XVI веке, сначала на латынь – это сделал Федерико Коммандино в 1575 году, а потом на итальянский – это сделал в 1589 году Бернадино Бальди. Герон описал разные приспособления, и среди них механизмы, которые сегодня называют паровыми двигателями. Один из них признается ранней реактивной паровой турбиной. Трудно сказать, какое влияние оказала публикация идей Герона на практическое мышление. Но в 1601 году Джованни Баттиста делла Порта (1535–1615) отметил, что вакуум образуется при конденсации паров и его можно использовать для втягивания воды. Это была фундаментальная идея первой паровой машины, построенной столетием позже. В 1615 году Саломон де Каус (1576–1635) описал приспособление для нагрева воды в полой сфере и подъема пара в трубе. Он довольно подробно описал устройство для подъема воды с помощью конденсации пара, но так и не сделал его. Шотландец Дэвид Рамси (умер около 1653 г.) получил в 1630 году патент на устройство «для подъема воды из расположенных в низинах резервуаров с помощью огня», но мы не располагаем информацией относительно того, что он имел в виду. Епископ Джон Уилкинс (1614–1672) опубликовал в 1648 году труд под названием Mathematical Magick, первую книгу по механике, напечатанную на «вульгарном языке» – английском. В ней он писал о «вогнутых сосудах», содержащих воду, от которых воздух исходит «с мощной и продолжительной силой», когда они нагреваются. Уилкинс утверждал, что они могут использоваться «для движения крыльев (лопастей) в трубе и т. д.».

В 1659 году в типографии Томаса Лича была напечатана книга The Elements of Water Drawing. Автор – Р. Д’Акр. На ее титульном листе было указано: «Для совершенствования работ при добыче полезных ископаемых, для удовлетворения самых необходимых потребностей, связанных с огнем, для подъема воды для больших и малых городов, для орошения и осушения земель». Это самая ранняя работа, написанная по этому вопросу английским автором, и это был первый англичанин, подробно описавший тепловой двигатель. Возможно, на самом деле этот труд принадлежал Роберту Торнтону (1618–1679), который жил рядом с угольными шахтами Уорвикшира, где тогда были проблемы с водой. Автор отметил, что «два с половиной фута и несколько дюймов трубки с ртутью уравновешивают 32 фута воды… между землей и атмосферой».

Он писал: «Лучший нагрев – агрессивным воздухом закрытой печи. Самое быстрое охлаждение – водой. Для ускорения взаимодействия этих противоположностей одна может находиться внутри цилиндра или зоны воздуха, другая снаружи. Охлаждающая вода не должна впускаться, потому что она нарушит подъем воды. Нагретый воздух из печи может впускаться (поворотом крана) в емкость (тигель), и тогда жар действует очень быстро. Материалы и сфера, находящиеся вверху в резервуаре или цистерне с водой, после того как жар (возвращением крана в исходное положение) отведен, быстро охлаждаются, разреженный воздух конденсируется, поднимается, и, при наличии медного всасывающего патрубка или клапана на дне, она не может вылиться снова. Затем после поворота крана вода, расположенная в самом верху, вытекает вперед при посредстве всасывающего клапана в трубе, который теперь открывает опускающаяся вода. Таким же образом ведет себя разогретый воздух. Поверните кран, и вода поднимется, как раньше».

Более известен, чем Д’Акр или Торнтон, и, так же как и он, заслуживает внимания за свой вклад в создание паровой машины его современник Эдуард Сомерсет, маркиз Ворче-стерский (1601–1667). В своей известной книге «Столетие изобретений», опубликованной в 1663 году, автор обсуждает сто различных идей. В 1663 году он получил от парламента монополию на 99 лет на «машину, управляющую водой». Свою работу автор считал «самой важной в мире». Сэмюэль Сорбьер, историк французского короля, судя по всему, поддерживал претензии маркиза Ворчестерского, потому что он писал в своем труде A Voyage to England: «Один человек с помощью этой машины поднял четыре больших ведра воды, очень быстро, на высоту 40 футов через трубу длиной 8 дюймов». Но это действо, в общем-то, было вполне по силам одному человеку, а Сорбьер ничего не писал о паре. Оставшиеся свидетельства являются косвенными и гипотетическими и потому не доказывают, что Эдуард Сомерсет является тем, кто изобрел паровой двигатель. На стене замка Раглан в Монмутшире, где маркиз провел несколько лет, есть отметины, которые часто считали остатками парового насоса. Однако, учитывая тот факт, что они являются структурной частью каменной стены XIV века, весьма затруднительно считать их оставленными паровой машиной Эдуарда Сомерсета. Более того, замок не был заселен после пожара 1646 года во время гражданской войны.

Рис. 6.12. Паровой насос Севери

Изобретатель XVII века Сэмюэль Морленд (1625–1695), занимавший небольшую должность при дворе Карла, проводил эксперименты в области гидравлики и наглядно доказал взаимосвязь между давлением и температурой. Дени Папен (1647–1712), французский ученый, изобрел то, что сегодня называют скороваркой. Он оказался достаточно умен, чтобы поместить на нее предохранительный клапан, сделав это первым в истории. Утверждают, что Папен вплотную приблизился к идее центробежного парового насоса и предложил пневматический кессон. Он первым выдвинул предположение, что вакуум образовывается под поршнем конденсацией пара. Никто из этих людей, от Делла Порта до Папена, однако, не заслуживает такого почета за изобретение парового двигателя, как Томас Севери (1650–1715), поскольку они не довели свои идеи до практического использования. Севери не только получил в 1698 году патент на использование устройства для осушения шахт (рис. 6.12), снабжения городов водой и приведения в действие мельниц, но также подробно описал свое изобретение в книге «Друг шахтера или устройство для подъема воды огнем».

Машина Севери не имела подвижных частей. Она состояла из паровой камеры, клапаны которой были расположены на поверхности, и трубы, ведущей к воде в шахте внизу. Вода нагревалась в камере котла, и ее пар заполнял камеру, вытесняя оставшуюся воду или воздух. Затем клапаны закрывались, и холодная вода распылялась по камере. Это охлаждало и конденсировало пар внутри, чтобы сформировать вакуум. Когда клапаны открывались, вакуум всасывал воду из шахты. Затем процесс повторялся. Вода поднималась по трубе в сосуд и вытеснялась из него посредством использования пара. Несмотря на большие потери тепла при конденсации пара, цикл можно было повторять пять раз в минуту. Современный насос-пульсометр без подвижных частей, запатентованный в 1872 году, – это, по сути, усовершенствованная машина Севери.

Паровой насос Севери 1702 года, требовавший больших затрат времени и топлива и имевший строго ограниченную мощность, тем не менее сделал свое дело. Эффективность энергии, заключенной в весе и движении воды, которая использовалась веками, теперь могла многократно увеличиться. Люди были готовы поджечь воду и изготовить пар.

Глава 7

Промышленная революция

Появление в 1702 году машины Томаса Севери ознаменовало начало исторического периода, отдельного и отличного от других, хотя его называют по-разному, да и его границы довольно-таки размыты. Историки, подчеркивающие политический аспект, а не экономические перемены, предпочитают концентрироваться на Французской революции, имевшей место в конце века. Эта революция оказала влияние на все последующие события. Даже американская Война за независимость от британского господства не имела, по мнению этих историков, решающего значения, хотя по времени предшествовала бунту против ancient regime во Франции. Для тех, кто считает самыми важными философские и литературные течения, этот период – XVIII столетие, век рационального мышления и научного просвещения. А многие и вовсе не верят, что перелистывание страниц календаря, переход от одного календарного года к другому имеет какое-то значение. Удобно, но, в сущности, не важно характеризовать историю прошедшими веками. Мышление и исследования движутся вперед, но вовсе не обязательно в ритме календаря. Подобные историки ни за что не согласятся с тем, что философские течения определяют исторические события – разве что сопутствующие, второстепенные. Для них практическое применение научных открытий и экономические последствия этого применения для общества намного важнее. Соответственно, они продвигают этот период в XIX век и называют его промышленной революцией, если точнее – веком пара.

Как бы его ни называли и какие бы границы ни устанавливали, исторический период, начавшийся с великой перемены отношения людей к природным ресурсам, имеет право занять достойное место среди величайших эпох развития цивилизации – Средневековье, эпоха Римской империи, бронзовый век. Разрабатывая теории и совершая научные открытия, британцы и французы вместе приближали это великое событие ради материального блага всего человечества. Иронию истории никто не в силах отменить. Они занимались научной деятельностью, сражаясь друг с другом. Второе столетие войн своим накалом и размахом потрясло бы современников Жанны д’Арк. На этот раз спор велся не из-за земли и престижа в Западной Европе. Шла борьба за мировую империю – в Америке, Индии, на Дальнем Востоке. Она не завершилась, пока французская монархия не оказалась в руинах и кровь Французской республики не пролилась за Наполеона от Африки и Испании до окрестностей Москвы.

Мы не предполагаем, что одно только изобретение парового двигателя и промышленных машин дало возможность маленькому островному королевству снова и снова наносить поражение континентальной нации более чем вдвое большей численности. Было подсчитано, что численность населения в Британии возросла с 7 миллионов в 1660 году до 20 миллионов в 1820 году, а население Франции выросло с 19 миллионов в 1660 году до 30 миллионов в 1820 году. Но вместе с растущим населением и усилением господства на море прогресс британцев в промышленной организации и изобретательности существенно помог им в создании империи. Когда они наконец схватились с Наполеоном, их работающие фабрики оказали бесценную помощь в отражении нападок великого корсиканца в его безудержном стремлении к мировому господству.

В этот период коммерческой теории западных наций пришлось отступить. Хотя ее возникновение по праву приписывается французскому государственному деятелю Кольберу, ее отстаивали и претворяли в жизнь англичане, голландцы, испанцы и все те, кто предпочитал видеть свои страны независимыми дома и проявлявшими экономическую враждебность к соседям, пока они покоряли заморские территории и живших там людей. Монополизация колониальных ресурсов – продавая все возможное соседям и покупая у них как можно меньше и лишь то, что нельзя произвести дома, – должна была сохранить независимость, безопасность и могущество страны. В Британии, по крайней мере, коммерческая теория была вынуждена уступить место доктрине Адама Смита, опубликованной в 1776 году. Доктрина утверждала, что настоящее богатство нации лежит не в эксплуатации колониальных районов и фиксированных сделках, а в свободной расширяющейся торговле со всем миром.

Эту смену взглядов в Британии могла вызвать обширнейшая экспансия ее промышленности и необходимость для западных рынков избавиться от избытков товаров. Но американские подданные британской короны еще до 1776 года продемонстрировали, что предприятия растущей заморской нации невозможно удержать на примитивном уровне, и уж точно не простым решением правящих кругов метрополии об их сдерживании. Бессмысленно настаивать, что колонии должны и дальше поставлять только сырьевые материалы добывающей промышленности, оставляя производство товаров метрополии. Существовали и другие причины американской революции, и не последней из них явилось создание Соединенных Штатов, благодаря экспансии колоний с побережья в глубь континента.

По мере того как рабочий люд собирался в городские сообщества, продовольствие приходилось получать от все более далеких источников снабжения. Прядильщики и ткачи в своих домах, а также сельские металлурги были в состоянии обеспечивать себя и в тяжелые времена начинали заниматься земледелием, чтобы прокормиться. А городские безработные были предоставлены самим себе. Не существовало никакого социального законодательства, равно как и городских служб, которые могли помочь. По мере развития системы оплаты труда елизаветинские законы полностью подчинились системе laissez-faire (позвольте делать, фр., – доктрина невмешательства государства в экономику), и это было полное невмешательство. Те, кто получал плату наличными, были свободны использовать свои деньги так, как считали нужным, чтобы позаботиться о себе. Но в этой свободе была ловушка. Никто не мог сказать, как долго, если фабрика закроется, оставшемуся без работы человеку придется заботиться о себе. И не важно, насколько этот человек дальновиден и сколько денег сумел отложить на черный день. В любую минуту, без предупреждения, из-за экономической депрессии он мог перестать получать зарплату в течение многих недель или месяцев – неопределенный срок.

Вероятно, можно составить статистическую подборку, содержащую данные о численности населения, промышленном росте, инвестициях, платежных ведомостях, производстве, отношении производства товаров народного потребления к покупательной способности сообществ и т. д. Совсем другая задача – определить вариации между разными историческими периодами. Многим рабочим и крестьянам стало легче с внедрением механизации и новых источников энергии. Тем не менее беднейшее население все еще оставалось бесконечно далеко от сказочной земли, где полно молока и меда, пусть даже они в своих домах не только обеспечивали себя едой, но ткали и пряли, варили мыло, изготавливали свечи. И остается открытым вопрос, кто жил лучше – те, кто работал в пыли и грязи шахт и фабрик после промышленной революции, пусть даже у них было больше промышленных товаров, или крестьяне и поденные рабочие в полях и каменоломнях Средневековья. Если рассматривать эволюцию исключительно с точки зрения сберегающих труд машин, можно сделать вывод, что жизнь трудового люда постоянно улучшалась вместе с прогрессом инженерии. Однако это вовсе не означает, что увеличилась разница между тем, что люди получали за свои старания, и тем, что они должны были платить, чтобы выжить. Это также не означает, что их реальные заработки росли одновременно с освобождением от тяжелого ручного труда. Товаров стало больше, и они подешевели. Одежду, обувь, чулки, посуду стало легче добыть тем, кто находился в тяжелом положении. Тем не менее нельзя утверждать, что рабочие, которые все это производили, могли больше пользоваться результатами своего труда, чем раньше.

Паровой двигатель, впервые разработанный Ньюкоменом, освободил тысячи людей и лошадей от тяжелого труда по осушению шахт. Но это освобождение не дало им больше свободного времени. Уровень доходов рабочих в данное время в данном месте говорит об обратном. Они были избавлены от одного тяжелого ручного труда, чтобы заняться другим, возможно ничуть не менее приятным. На какое-то время они могли даже остаться вообще без работы, хотя появление парового двигателя позволило заново открыть многие шахты, которые невозможно было осушить без него, и вскоре потребность в шахтерах возросла. Их потомки и общество в целом получили большее количество товаров и услуг. Какое-то время, несмотря на рост населения, сопровождавший механизацию промышленности, и развитие медицинской науки, в первую очередь профилактической медицины, появилась большая потребность в рабочей силе и начался подъем уровня жизни. За этот материальный шаг вперед следовало благодарить инженеров, которые создали усовершенствованные орудия производства. В целом, однако, непосредственную выгоду от промышленной революции (или века пара) получили не рабочие, а те немногие, кто, благодаря накоплению капитала, владел средствами производства, которые использовали рабочие.

Паровые двигатели

Томас Ньюкомен (1663–1729), кузнец, изобретатель и временами проповедник, создал свой двигатель в 1712 году после многих лет экспериментов. Его первый двигатель был установлен в Дадли-Касл в Стаффордшире для откачки воды из шахты. Партнер Ньюкомена, стекольщик и водопроводчик из Дартмута Джон Калли, выполнял основную часть ручной работы. Вклад Ньюкомена – это гениальное смешение знакомых приспособлений с его собственными идеями (рис. 7.1). Он взял медные котлы и печи пивоваров для производства пара для того же цилиндра и поршня, который использовался для подъема воды еще при римлянах, и конденсации пара под поршнем в цилиндре, чтобы создать там частичный вакуум, который позволит весу атмосферного столба опустить поршень. Вместо того чтобы использовать метод Севери, который лил холодную воду на наружную поверхность, конденсируя пар, Ньюкомен разбрызгивал воду непосредственно в вертикальный цилиндр. Это конденсировало пар, создавало вакуум и позволяло атмосферному давлению двигать поршень вниз. С целью заставить поршень работать при движении вниз он соединил поршневой шток с горизонтальной поворотной балкой – балансиром, а с другим концом балансира был соединен шток насоса. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давления внутри цилиндра и вне его силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу – приводил в движение балансир, который перемещал шток насоса. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда вновь вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, а поршень совершал полезное движение вниз.

Рис. 7.1. Паровая машина Томаса Ньюкомена

На концах балансира располагались полукруглые арки, через которые перекатывали цепи, когда балансир качался, и штоки двигались вверх-вниз по вертикали. Для того чтобы открыть и закрыть клапаны в нужный момент, Ньюкомен использовал специальное приспособление. С его помощью он избегал открытия и закрытия клапанов вручную и увеличивал частоту энергетических циклов, как утверждают, от 6–8 до 15–16 в минуту. Говорят, что мальчик Хамфри Поттер, ученик оператора насоса, должен был открывать клапан подачи пара в нижнем положении поршня, а водяной – в верхнем. Он связал ручки клапанов и шток с помощью веревочки и палочки, и получился кулисный механизм. Теперь клапанами управлял сам поршень. История интересная, но не имеющая доказательств. Машина Ньюкомена была громадным шагом вперед по сравнению с машиной Севери. Балансир Ньюкомена в течение некоторого времени был главной чертой стационарных поршневых двигателей. Но штоки работали только под напряжением. Машина функционировала при давлении равном или ниже атмосферного, не используя движущую силу пара. Ее термическая эффективность, или отношение между расходом топлива и производимой мощностью, стала предметом исследования и усовершенствования последователями Ньюкомена.

Границы патента Севери были настолько широки, что Ньюкомен даже не пытался получить патент для себя. Вместо этого компания или партнерство приобрели права Севери после его смерти около 1715 года и в течение следующих восемнадцати лет контролировали производство паровых машин в Великобритании. Хотя детали с приобретением опыта совершенствовались, популярность машин Ньюкомена для осушения шахт оставалась высокой. Она могла работать с поверхности и поднимать воду с больших глубин, чем всасывающий насос Севери. Диаметр парового цилиндра, естественно, был намного больше, чем диаметр цилиндра насоса на противоположном конце балансира. Атмосферное давление, приложенное к большей площади, поднимало пропорционально более высокий столб воды.

В мире узнали, что у англичан есть хорошая машина. В 1722 году насос Ньюкомена был установлен в шахте в Венгрии, еще один поднимал воду в Пасси из Сены для снабжения Парижа. К моменту смерти Ньюкомена в 1729 году его насос был востребован и в Англии, и на континенте. Он практически революционизировал добывающую промышленность. Швед Мартин Тривальд (1691–1747) в 1734 году писал, что машина в шахте Даннемора выполняла работу 528 лошадей, трудившихся 24 часа.

К 1739 году в каменноугольной шахте в Фресне, Франция, уже был насос Ньюкомена с 30-дюймовым цилиндром и 9-футовым ходом поршня, который поднимал воду с глубины 90 футов. Он работал только 48 часов в неделю почти без обслуживания там, где до этого работало 50 человек и 20 лошадей посменно всю неделю. Ему надо было всего двадцать четыре часа, чтобы полностью очистить шахту. Французский инженер Бернар Форест де Белидор (1697–1761) был в восторге. В труде Architecture hydraulique он писал: «Могу поклясться, что это самая чудесная из всех машин. Нет ни одной другой, в которой механизм так сильно напоминал бы организм животного. Тепло – причина движения, круговорот происходит в разных трубах, как кровь в венах, в ней есть клапаны, которые открываются и закрываются в нужный момент. Она кормится, через регулярные интервалы исторгает из себя то, что отработано, она черпает из своей работы все, что ей нужно». В это время уже родился Джеймс Ватт, вскоре ему предстояло создать собственный двигатель, и машина Ньюкомена будет забыта.

Паровые насосы Ньюкомена использовались на шахтах, в плавильных цехах, на металлургических производствах, текстильных фабриках. Постепенно стали проявляться их недостатки. Он сам поместил кожаный диск на поршень и гидравлический затвор, чтобы сократить утечки. Но его ранние цилиндры были сделаны грубо, и, хотя их шлифовали вручную, сила трения и потеря мощности были велики. Из-за разницы диаметров поршень мог застревать или вакуум образовываться лишь частично. Хотя цилиндры из меди могли изготавливать более точно, они были тонкими и очень дорогими и становились только дороже, поскольку увеличивались в размерах с ростом потребности в мощностях. К 1765 году появились машины с цилиндрами диаметром 72 дюйма, длиной более 10 футов и весом почти 7 тонн. Чугунные цилиндры стоили намного дешевле, но они оказались толстыми, слишком толстыми для быстрой смены температуры, что было совершенно необходимо. В процессе Ньюкомена стенки цилиндра сначала охлаждались для конденсации пара внутри и создания вакуума. Сразу после этого впуск свежего пара снова их нагревал. Полный цикл занимал всего несколько секунд. Большое количество тепла терялось.

В машине Ньюкомена не было вращательных движений. Все ее подвижные части совершали возвратно-поступательные движения. Во вращательных движениях не было никакой необходимости. Коленчатые рычаги издавна использовались для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное в насосах, приводимых в движение энергией воды, и других машинах, приводимых в движение руками (рис. 7.2), ногами или животными. Возвратно-поступательное движение, возникшее под влиянием мускульной силы человека, преобразовывалось во вращательное с помощью коленчатых рычагов, чтобы изготавливать гончарные изделия, молоть муку (рис. 7.4), месить тесто и т. д. Но ни Севери, ни Ньюкомен, ни любой другой изобретатель не адаптировали коленчатый рычаг или маховик к паровой машине, имея в виду преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное. Чтобы получить вращательное движение, они в некоторых случаях использовали поршневой двигатель для подъема воды в расположенные на высоте резервуары, откуда она выливалась на верхненаливные водяные колеса.

Несмотря на то что паровой насос Ньюкомена стал гигантским шагом вперед по сравнению с изобретениями его предшественников, он был медленным и неэффективным. Как уже было сказано, он работал при давлении равном или меньше атмосферного. Он использовал пар только для создания вакуума путем конденсации, что позволяло атмосферному столбу давить на поршень. Его балансир был сделан так, что двигался снова, когда вакуум нарушался, и пар снова подавался в цилиндр. Внушительная сила, заключенная в паре, не использовалась, чтобы тянуть или толкать. Машина потребляла гигантское количество угля, несопоставимое с выполняемой ею работой. Критики утверждали, что необходима шахта железной руды, чтобы построить машину Ньюкомена, и угольная шахта, чтобы она работала. Потери топлива могли составлять 99 %. И все же Томас Ньюкомен открыл неисчерпаемые возможности для инженеров, которые пришли после него, чтобы работать в горнодобывающей промышленности и на других производствах.

Рис. 7.2. Четырехцилиндровый насос для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное

Британскому инженеру Джону Смитону (1724–1792) было пять лет, когда умер Томас Ньюкомен. Еще мальчиком он собрал действующую модель пожарной машины и так увлекся механикой, что отказался пойти по стопам отца и стать юристом. Смитон начал с изготовления инструментов, но в возрасте двадцати девяти лет уже зарекомендовал себя знающим инженером, имеющим обширный круг интересов. Он первым назвал себя гражданским инженером (в отличие от военного), хотя в то время был более известен своими каналами, Эддистонским маяком, исследованиями свойств цемента и экспериментами с энергией воды. Смитон построил несколько машин Ньюкомена на Карронском металлургическом заводе в Шотландии, причем значительно повысил их механическую эффективность более точным изготовлением цилиндров, лучшим выбором пропорций частей и общими усовершенствованиями организации труда. Утверждают, что он добился наивысшей производительности, на которую способна эта машина. Одна из его самых крупных машин в 1775 году отправилась в Россию для осушения сухих доков Екатерины II в Кронштадте. Она заменила два гигантских ветряка высотой 100 футов, установленных голландскими инженерами в 1719 году. По имеющейся информации, ветрякам понадобился год на выполнение поставленной задачи, а машина Ньюкомена, построенная Смитоном, справилась за две недели.

Через сорок лет после смерти Ньюкомена Джеймс Уатт (1736–1819) внес такие важные и фундаментальные изменения, что по праву считается одним из творцов паровой машины вместе с Ньюкоменом и Севери. Как и Смитон, Уатт начал с изготовления инструментов и только потом стал практикующим инженером. Идея пришла к нему во время работы в лаборатории университета Глазго, где шотландский ученый Джозеф Блэк (1728–1799) читал лекции о теплоте. Уатт обратил внимание на потери тепла между ходами поршня в модели насоса Ньюкомена, который он ремонтировал, поскольку стенки цилиндра должны были охлаждаться и снова нагреваться в каждом цикле. Он продолжал применять пар при атмосферном давлении и частичный вакуум, но использовал отдельную камеру для конденсации пара, связанную, но изолированную от цилиндра, который он окружил паровой рубашкой, чтобы стенки оставались горячими. Тем самым он сэкономил три четверти топлива, которое тратил Ньюкомен.

Между 1765 годом, когда Уатт придумал отдельный конденсатор, и 1769 годом, когда он получил первый патент, Уатт внес еще два важных усовершенствования в машину. Он добавил воздушный насос, чтобы поддерживать вакуум в конденсаторе, выкачивая воду, конденсированный пар и воздух. Он также закрыл доселе открытый верхний конец цилиндра, построил вокруг поршневого штока то, что сегодня называется сальник, и заставил пар, а не воздух толкать поршень вниз. В патенте 1769 года он утверждал: «Я намерен во многих случаях использовать усилие расширения для давления на поршни или то, что может использоваться вместо них, таким же образом, как сегодня используется давление атмосферы в пожарных машинах или двигателях Ньюкомена».

Рис. 7.3. Машина Уатта двойного действия мощностью 8 лошадиных сил

Четыре новые идеи заключены в его патенте – отдельная камера для конденсации, паровая рубашка для цилиндра, воздушный насос и использование силы расширения пара.

Как и насос Ньюкомена, эта машина Уатта была одинарного действия и могла использоваться только как насос. В 1782 году, однако, Уатт запатентовал машину двойного действия (рис. 7.3), в которой пар и вакуум направляются на противоположные стороны поршня попеременно. Эта новая машина подвергала поршневой шток и сжатию, и растяжению. Поэтому цепь, которой Ньюкомен соединял поршневой шток с балансиром, больше не использовалась. Вместо нее Уатт придумал приспособление из параллельных тяг для придания поршню паровой машины примерно прямолинейного движения. Он очень гордился своим изобретением, которое запатентовал в 1784 году, считал его своей лучшей работой, но на этом не остановился и совершил еще много более важных открытий.

Джеймс Уатт также создал ртутный вакуумметр, водомерное стекло в конденсаторе, дроссельный клапан для впуска и выпуска пара, манометр и многое другое. Он разработал счетчик для учета числа ходов поршня и устройство, которое графически показывает давление в цилиндре на протяжении всего хода поршня. Он стал делать выемки на краю поршня и забивать их пенькой в жире, чтобы уменьшить утечки и трение. Для контроля парового дросселя, а значит, скорости машины Уатт приспособил центробежный регулятор с мукомольных мельниц, где он использовался для регулировки расстояния между верхним и нижним жерновом. Он даже придумал и запатентовал в 1782 году устройство для прекращения подачи пара в начале хода поршня, чтобы можно было использовать расширение пара. Этот механизм используется и сегодня в большинстве поршневых двигателей, хотя сам Уатт не применял его с высокой эффективностью в своих машинах низкого давления. Он был экономичен только при более высоких давлениях, чем Уатт мог допустить.

Когда размеры машин увеличились, стало необходимо исключить использование дерева. Судя по описанию гигантского балансира, сделанного из двадцати еловых деревяшек, установленных комплектами по десять, можно предположить следующие его размеры: ширина 2 фута, толщина 5 футов на концах и 10 футов в центре. К 1787 году Уатт заменил такие нескладные, громоздкие детали чугунными, и его машины стали целиком металлическими. Металлические балансиры могли быть выполнены в виде ферм или ромбов, так что использовались все материалы. Не было никакого ненужного металла.

Мэттью Болтон осознавал, что поршневой двигатель Уатта имеет ограниченное будущее, потому что может работать только как насос. И он предложил Уатту создать машину, в которой возвратно-поступательное движение будет преобразовываться во вращательное. Самый очевидный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное – использовать кривошип и маховик, чтобы провести кривошип через мертвую точку. Такой способ был известен давно (рис. 7.4). Самый ранний известный коленчатый рычаг 850 года (рис. 5.1) был прикреплен к точильному камню, который также служил маховиком. Никто, даже Уатт, по-видимому, не осознавал, что маховик будет поддерживать скорость двигателя практически одинаковой на протяжении одного оборота. Такое недопонимание неудивительно, поскольку маховик действует как накопитель энергии, высвобождающий ее, когда кривошип проходит через мертвую точку, и накапливающий ее во время остального хода поршня. Но только в середине XIX века ученые развили концепцию энергии. Уатт этого не знал.

Рис. 7.4. Ручная мельница с коленчатым рычагом

В любом случае к тому времени, когда Уатт начал серьезно работать над модификацией своего двигателя, Джеймс Пикард из Бирмингема уже запатентовал метод использования паровых машин для «вращения колес». Уатт был прав, утверждая, что применение кривошипа к паровой машине – все равно что использование для резки сыра ножа, предназначенного для резки хлеба. Коленчатые рычаги использовали веками, и Уатт вполне мог не обратить внимания на новые патентные заявки.

Возможно, Уатт опасался за некоторые свои патенты, если оспаривал заявки Пикарда. Претензии Уатта были очень широки и давали ему монополию в области паровых машин. В любом случае Уатт решил не конфликтовать. До того как в 1794 году истек срок патента Пикарда, он использовал «солнечно-планетарную передачу». Представляется, что он так и не нашел общего языка с Пикардом. Планетарная система имела преимущества, но при этом увеличивалось потребление энергии из-за трения, и машина работала очень шумно. Есть свидетельства того, что Болтон и Уатт использовали кривошипный механизм Пикарда еще до истечения срок действия патента, но ограниченно, а после истечения срока действия – широко.

Джеймсу Уатту не хватало средств, чтобы запустить машину в производство, и он нашел инвестора – Джона Робака (1718–1794) с карронского металлургического завода в обмен на две трети доли в бизнесе. А когда у Робака начались трудности и он был вынужден отказаться от проекта, партнером и инвестором Уатта стал Мэттью Болтон (1728–1809) из Бирмингема. Этот обеспеченный человек с радостью взял на себя финансирование. Фирма Болтона и Уатта процветала много лет и продолжала работать в XIX веке под руководством их сыновей, хотя основной патент и монополия Уатта истекли в 1800 году.

Первая машина Уатта, поставленная в порядке эксперимента на фабрике в Созо, в районе Бирмингема, была одинарного действия и имела цилиндр диаметром 18 дюймов. Коммерческие машины, которые фирма построила в 1776 году для металлургического завода Бросли и шахты Блумфилда, имели цилиндры диаметром 38 и 50 дюймов соответственно. Когда владелец металлургического предприятия Джон Уилкинсон в 1774 году создал машину, существенно усовершенствовавшую процесс бурения (сверления), Уатт смог гарантировать диаметр цилиндра 72 дюйма. Цилиндр Уатта диаметром 6 футов в те времена, вероятно, казался фантастикой. На самом деле поршни и цилиндры не слишком увеличились в размерах, и цилиндр диаметром 8 футов считался большим даже после 1900 года. Давление пара и скорость, с которой работали поршневые машины, увеличивали их мощность до величин, немыслимых во времена Уатта. Уатт и подумать не мог, как быстро турбины и двигатели внутреннего сгорания вытеснят его паровые машины.

Использование пара к концу века распространилось так широко, что надо было установить определенные стандарты для определения мощности машин. На помощь пришла лошадиная сила. Севери отмечал, что паровая машина может выполнить работу не только тех лошадей, которых она заменила в данный момент, но и всех тех, которых следует кормить для поддержания непрерывной круглосуточной работы. Смитон определил точнее, что механический эффект от работы одной лошади составляет 22 916 фунтов, поднятых на 1 фут за минуту против силы тяжести. Джон Теофил Дезагюлье увеличил количество до 27 500 футо-фунтов. А Уатт в 1782 году установил экспериментально, что лошадь может производить 32 400 футо-фунтов в минуту. В следующем году Болтон и Уатт стандартизировали цифру – 33 000 футо-фунтов в минуту, чтобы классифицировать свои двигатели для продажи. К 1809 году эта величина была общепринята как эквивалент 1 лошадиной силы. Таковой она остается и сейчас.

К 1800 году, когда истек срок действия основного патента Уатта, работало всего около 500 машин Болтона и Уатта. 38 процентов из них откачивали воду, 62 процента – обеспечивали вращательное движение для самых разных производств. Даже такой известный промышленник, как Джозайя Уэджвуд (1730–1795), хотя и был личным другом Уатта и Болтона, не спешил использовать новый источник энергии и только в 1790 году установил паровую машину на своей фабрике в Этрурии. Другие, такие как Джон Уилкинсон и Генри Корт, проявили больше энтузиазма. То, что машины Уатта имели большое влияние, было очевидно по количеству желающих поучаствовать в работе и внести свои усовершенствования.

Недостатки паровой машины Уатта были очевидны. Она была медленной, не до конца продуманной и громоздкой. Ее составные части были очень большими и неудобными для точного монтажа. Многие из них представляли собой просто грубые отливки, которые приходилось дорабатывать вручную. Кованые изделия делали максимально близко к нужным размерам и не подгоняли механизированным способом. Приспособления отливали и не обрабатывали механизированным способом, поэтому потери энергии из-за трения были велики. Машина работала при низком давлении и, как и машина Ньюкомена, не использовала силу расширения пара. Джеймс Уатт знал о преимуществах высокого давления, но отказывался его использовать, опасаясь взрыва. Американец был одним из первых, кто сконструировал и наладил работу машины, использовавшей пар при давлении выше атмосферного. Работая строителем колесных повозок, Оливер Эванс (1755–1819) из Филадельфии задумался о движении повозок без использования силы животных, а в 1812 году сосед подал ему идею применить силу пара. Они наполнили дуло орудия водой, уплотнили его и опустили казенную часть в огонь. «Грохот был такой, – писал Эванс, – как если бы вместо воды был порох». Маркиз Ворчестерский заметил те же характеристики пара намного раньше.

Эванс в 1786 году обратился к властям Пенсильвании, желая получить эксклюзивные права на использование своих изобретений в мукомольном деле и на паровых повозках. В марте 1787 года он получил права на удивительное новшество – практически полностью механизированную мельницу. Но законодатели не обратили внимания на его «паровые повозки». Наоборот, его посчитали безумцем. Тем не менее к 1801 году он вернулся к идее двигать повозки и лодки силой пара. Также он планировал использовать «упругую силу» пара в промышленности. В маленькой мастерской в Филадельфии он сконструировал паровой двигатель высокого давления без конденсации за 3700 долларов – все средства, которые он сумел собрать.

Рис. 7.5. Паровая машина Эванса типа «Кузнечик»

Он снабдил машину (рис. 7.5) 6-дюймовым цилиндром и 18-дюймовым ходом поршня, а также деревянным маховиком диаметром 7,5 фута. Но не маховик сделал машину Эванса такой важной. Отличительной чертой являлось то, что двигатель совершал около 30 оборотов в минуту при давлении 50 фунтов на квадратный дюйм, выпуская пар в воздух, таким образом устраняя конденсат. Чтобы получить такое давление, Эванс заключил медный котел в деревянный кожух, скованный железными обручами, а жаровая труба была установлена горизонтально через центр котла, так что больше тепла достигало воды. Он сделал двигатель вертикальным, так что шток поршня двигался прямо к верхней балке (балансиру). Поскольку эта балка имела точку опоры не в центре, а на одном конце и эта точка опоры располагалась на качающейся колонне, не было необходимости в таком сложном приспособлении, как параллельные тяги Уатта. Балансир Эванса соединялся со штоком поршня. Этот проект получил название «Кузнечик» и использовался довольно долго.

Бенджамин Генри Латроб (1764–1820), разносторонне одаренный инженер из Англии, построивший в Филадельфии первую водонапорную станцию, а потом части вашингтонского Капитолия, в 1803 году сделал доклад Американскому философскому обществу о состоянии парового машиностроения в Америке. Джозайя Хорнблауэр в 1753 году ввез в Америку первую машину Ньюкомена для медного рудника в Белвилле, штат Нью-Джерси. Двигатели старой конструкции, говорил Латроб, предположительно имея в виду машины Ньюкомена, были ввезены из Англии за сорок лет до 1803 года. Но затем, после всеобщей апатии, последовавшей за Американской революцией, о полезности паровых двигателей забыли. Далее, по его словам, имела место своего рода мания, связанная с приведением в движение лодок паровыми двигателями, но она сошла на нет. После 1803 года в Америке осталось только пять паровых машин большой мощности. Одна из них, принадлежащая Манхэттенской водной компании, – машина Болтона и Уатта. Еще одна работала в Нью-Йорке на лесопилке мистера Николаса Дж. Рузвельта. Еще две, построенные Рузвельтом, качали воду для города Филадельфия. Пятая, насколько слышал Латроб, была занята на каком-то производстве в Бостоне. В своем втором докладе он отметил усовершенствования, сделанные «изобретательным доктором Кинси», который построил машину в Нью-Йорке, основываясь на «новом принципе» для достижения поставленных целей.

Ясно, что аудитория не могла не понять, что в этом вопросе Америка находится далеко позади Британии. Поскольку не прошло еще и тридцати лет с тех пор, как Соединенные Штаты завоевали независимость от метрополии и больше не подчинялись ограничительным актам парламента, и при этом Англия запретила эмиграцию инженеров, ситуация едва ли могла кого-то удивить. Далее Латроб отметил: «Я не могу не упомянуть маленькую машину, построенную мистером Оливером Эвансом в порядке эксперимента, которая перемалывает гипс в Париже, и паровое колесо мистера Бриггса».

К 1807 году Оливер Эванс основал металлургическое производство «Марс». К 1812 году он сообщил о своих потрясающих успехах: ему удалось измельчать 300 бушелей или 12 тонн гипса за 24 часа и резать мрамор с производительностью 100 футов за 12 часов. Он заявил, что больше нет речи о «спекулятивной теории». Две его машины стоят в Филадельфии и три – на Миссисипи, из них две приводят в действие лесопилки. Еще три или четыре машины находятся в Питтсбурге – они мелют зерно и прокатывают металл. Еще одна машина в Мариетте, штат Огайо, одна – в Лексингтоне, Кентукки, и одна – в Миддлтауне, Коннектикут, работают на текстильной фабрике. В 1815 году Эванс установил машину с 20-дюймовым цилиндром, 5-футовым ходом поршня и 4 котлами для производства пара высокого давления на новую водонапорную станцию в Филадельфии. Последний проект оказался слишком амбициозным. Эксплуатация машины оказалась настолько дорогостоящей, что в 1822 году она была заменена энергией воды. Сделал это Фредерик Графф, помощник и преемник Латроба в Филадельфии. К 1819 году, когда Оливер Эванс умер, пятьдесят его паровых машин работали на побережье Атлантики. Это был год всеобщей паники и депрессии, наступившей после войны 1812 года с Британией. Несомненно, столь быстрая экспансия была лишь частью роста, начавшегося с внедрением машин из Англии и развитием американского производства, в первую очередь текстильного, несмотря на блокады и эмбарго Наполеоновских войн в Европе и второй войны с Британией. Пусть так, но Оливер Эванс быстро догнал британских производителей паровых машин.

Были и другие инженеры, подошедшие так же близко, как Эванс, к Уатту в изобретательности и инженерном воображении. Импульсивный житель Корнуолла Ричард Тревитик (1771–1833) проигнорировал тревогу Уатта относительно высокого давления, одновременно ища способ обойти патент Уатта. В 1798 году он построил так называемый корнваллийский котел – раньше, чем Эванс построил свой в Америке. К тому времени, как информация о работе Эванса достигла Америки, Тревитик создал первый в истории двигатель прямого действия. Тревитик первым поместил цилиндр внутрь котла, и тот, таким образом, стал паровой рубашкой. Потом он избавился от верхней балки – балансира. Для этого он направил поршневой шток вверх к поперечной горизонтальной балке – крейкопфу, который затем воздействовал через соединительные тяги с обеих сторон на коленчатый вал под котлом. Устройство было автономное, компактное и даже переносное. Двигатель прямого действия получился, когда изобретатель расположил цилиндр горизонтально и соединил поршень с помощью тяги с коленвалом. Следующим шагом Тревитика стала постройка локомотива.

Взрыв, случившийся, когда оператор удерживал предохранительный клапан котла, заставил Тревитика сделать два предохранительных клапана. Один из них не контролировался оператором. Предохранительный клапан работал по следующему принципу: известный вес, приложенный к диску, закрывающий отверстие определенных размеров, поднимется и откроет отверстие, тем самым позволив пару вырваться наружу, когда давление достигнет установленного значения. Предохранительный клапан тогда был единственным средством определить степень давления выше нескольких фунтов. Датчики высокого давления появились только в 1848 году. Тревитик также использовал плавкую заглушку из свинца, которая, вставленная в котельное железо, расплавится, если уровень воды в нем станет слишком низким для безопасности. Это приспособление основывалось на принципе, что температура воды в котле не поднимется выше точки кипения при любом данном давлении, пока она остается водой. Когда она переходит в пар, эта защита ликвидируется. Поэтому части котла, соприкасающиеся с открытым огнем, всегда должны быть в контакте с водой, иначе возникает опасность. Пока он покрыт водой, плавкий «предохранитель» остается невредимым. Но если воды недостаточно, он плавится и позволяет пару вырваться через образовавшееся отверстие, подавая звуковой и визуальный сигнал о нехватке воды.

Удивительные результаты, полученные Ньюкоменом, Уаттом, Эвансом, Тревитиком и менее известными изобретателями, привлекли внимание многих к конструированию паровых машин. Следующий важный шаг в этой области был сделан с повышением давления добавлением еще одного цилиндра, чтобы использовать пар снова, когда он расширяется. Этот новый тип стал называться составной паровой машиной. Джонатан Картер Хорнблауэр (1753–1815), хорошо знакомый с машиной Ньюкомена, создал первый составной двигатель в 1781 году, добавив второй паровой цилиндр, больше первого (рис. 7.6). Принцип заключался в том, что пар сначала расширяется в цилиндре высокого давления, а затем снова расширяется в цилиндре низкого давления. Второй цилиндр, как и первый, соединен с крейцкопфом. Так пар выполняет дополнительную работу во втором цилиндре, когда его объем с уменьшением давления увеличивается. Операция была слишком похожа на ту, что происходила в одном цилиндре Уатта и отдельной камере для конденсации. И Уатт заявил, что его патентное право нарушено. Камера для конденсации Уатта только вызвала вакуум и не выполняла никакой дополнительной работы, но Уатт сумел убедить суд, что его изобретение украдено. Он и Болтон выиграли процесс, а Хорнблауэр умер в нищете.

Рис. 7.6. Составная паровая машина Хорнблауэра

Как и устройство Уатта для прекращения подачи пара в начале хода поршня, идея Хорнблауэра использовать силу расширения пара во втором цилиндре имела большое значение. В его время она почти не давала никаких преимуществ, потому что используемые тогда давления были слишком низкими, да и никто не понимал необходимости определенных пропорций диаметров цилиндров. В 1803 году Артур Вульф (1766–1837), в свое время работавший с Хорнблауэром, сконструировал составной двигатель (рис. 7.7), весьма успешный для своего времени, несмотря на то что размеры цилиндров высокого и низкого давления были сначала неверно рассчитаны для расширения пара с уменьшением давления. Вместе с Хамфри Эдвардсом Вульф усовершенствовал двигатель, который стал широко известен во Франции. Несмотря на высокую стоимость и сложность эксплуатации, он был популярен благодаря экономии топлива.

Рис. 7.7. Составная машина Вульфа, построенная в Париже в 1815 г.

Хотя о раннем развитии парового двигателя много говорилось в предыдущих главах, невозможно было обойтись без сопутствующих усовершенствований в области материалов, методов производства и дополнительных приборов. Только так можно было обеспечить движение вперед и в конструкции двигателя, и в подаче пара. Котлы Ньюкомена были переделаны из котлов пивоваров с закрытым верхом, кирпичные фундаменты строили так, чтобы дым уходил в дымоход. Сначала для котлов использовалась медь. После 1800 года 15-футовый котел Эванса с внутренней жаровой трубой был сделан из меди с деталями из чугуна и кованого железа. Котлы в кожухе из дерева, как бочка, с чугунными топками использовались до начала XIX века.

Первые котлы были крайне неэффективными. Требовалось много времени, чтобы нагреть воду достаточно для начала парообразования. Большое количество тепла уходило в трубу. Топлива, по-видимому, было много, но его перевозка стоила дорого. Желание сэкономить топливо привело сначала к удлинению котла, чтобы увеличить поверхность нагрева. Так появились «повозки» с плоскими поверхностями, в отличие от других форм. Давление, всего на несколько фунтов превышающее атмосферное, нарушало работу, если не приводило к взрыву котла, потому что плоские листы металла котла были слабыми. Цилиндрические формы оказались более стабильными, и требования к повышению давления и увеличению количества пара росли. Была поставлена цель: увеличить поверхность нагрева цилиндрических котлов, которая была достигнута установкой внутренней жаровой трубы, использованной Эвансом. Тревитик в 1812 году создал чугунный цилиндр длиной 30 футов и диаметром 6 футов, который имел внутреннюю жаровую трубу диаметром 3½ фута. Он сделал концы из плоского кованого железа, соединив его с цилиндром. Хотя и усиленные внутренней жаровой трубой, концы были относительно слабыми, потому что оставались плоскими, однако они могли выдерживать давление, которому повергал их Тревитик в то время.

Следующим шагом было увеличение числа жаровых труб. Джордж Стефенсон (1781–1848) построил двойную жаровую трубу, предвосхитив ланкаширский котел с двумя или тремя жаровыми трубами и топкой в начале жаровых труб, который сконструировал Уильям Фейрберн (1789–1874) в 1845 году и который широко использовался по всей Британии до 1939 года. Американец Джон Стивенс (1749–1838) из Хобокена в 1825 году сконструировал котел с множеством труб. Работая с двумя локомотивами, которые ему выделил Стефенсон, французский железнодорожник и промышленник Марк Сеген (1786–1875) вел практические эксперименты и в 1829 году создал жаротрубный паровой котел. С помощью Генри Бута Джордж Стефенсон и его сын Роберт одновременно применили этот принцип в их знаменитом локомотиве Rocket. Питер Купер (1791–1833) в 1830 году использовал стволы орудий для жаровых труб в своем маленьком локомотиве Tom Thumb.

Еще раньше появилась идея, что трубы должны нести не газы, а воду, которую надо было перевести в пар. Воду так нагревали еще в римские времена. Несколько инженеров пытались создать водотрубные котлы, и в первую очередь Джон Стивенс, который построил то, что впоследствии стало первым океанским пароходом, и Голдсуорси Герни, который строил паровые кареты для английских дорог. Схема, однако, не применялась повсеместно до конца XIX века. Во-первых, водотрубные котлы оказались слишком дорогими в изготовлении и оставались таковыми, пока процесс производства не был существенно усовершенствован. Во-вторых, трубы было непросто содержать чистыми и паронепроницаемыми. Роберт Стефенсон обнаружил, что они «загрязняются отложениями и прогорают». Было трудно обеспечить нужную циркуляцию воды в котле и предотвратить образование «мертвых участков», которые нагреваются и прогорают.

Машина Ньюкомена, при сравнении с другими источниками, вполне заслужила свою славу. Но как уже было сказано, потери тепла в ней достигали 99 процентов, в основном из-за топлива. Было установлено, что хороший уголь должен иметь примерно 14 000 британских тепловых единиц на фунт. Британская тепловая единица определяется как количество тепла, необходимое, чтобы поднять температуру 1 фунта воды, находящейся при температуре около 39 градусов по Фаренгейту, на один градус Фаренгейта. Она имеет эквивалент в единицах измерения работы – 778 футофунтов. Если бы машина Ньюкомена была эффективной на 100 процентов, она бы поднимала 10 892 000 фунтов воды на 1 фут на каждый фунт потребляемого топлива. Согласно записям, фактически она поднимала 43 000 фунтов воды на 1 фут на фунт потребляемого топлива. Таким образом, ее эффективность составляла меньше 0,5 процента. До 1774 года были внесены отдельные усовершенствования, и Смитон обнаружил, что машина выполняет 105 000 футофунтов работы на фунт угля. Его собственные изменения в механизме подняли эту цифру до 120 000. Утверждают, что некоторые машины Уатта выполняли 320 000 футо-фунтов работы на фунт угля, иными словами, достигли эффективности 2–3 процента.

При прочих равных условиях, что бывает редко, эффективность увеличивается с увеличением давления и температуры. Джеймс Уатт это знал. Он предпочитал, однако, развивать машины низкого давления, чтобы избежать риска и не подвергать доступные ему материалы высокому давлению. Можно было ожидать, что двигатели Эванса и Тревитика, работавшие с давлением около 50 фунтов, стали намного эффективнее. Однако они не были конденсаторными и выпускали пар при сравнительно высоком давлении и температуре и потому теряли существенное количество потенциальной эффективности. Составной двигатель Хорнблауэра вначале давал мало практических преимуществ, потому что работал при низких давлениях. Много факторов следует учитывать при определении экономической эффективности, и было бы несправедливо утверждать, что эти ранние двигатели высокого давления и составные двигатели являлись более ценными для промышленности своего времени, чем одноцилиндровая машина низкого давления Уатта.

Рис. 7.8. Двигатель Корлисса на выставке в Филадельфии

На протяжении следующих пятидесяти лет стационарные поршневые паровые двигатели, постоянно совершенствовавшиеся, постепенно увеличивались в размере, повышалась их скорость и эффективность. Несколько десятилетий двигатели самых разных типов использовались как источники энергии для промышленности и насосов. В 1849 году Джордж Генри Корлисс (1817–1888) из Провиденса, Род-Айленд, создал новый быстродействующий клапан взамен золотникового клапана, обычно использовавшегося на стационарных двигателях. Двигатель Корлисса стал популярным в Соединенных Штатах и у европейских инженеров, которые его активно копировали. Двигатель Корлисса, установленный на всемирной выставке 1876 года в Филадельфии, привлек всеобщее внимание (рис. 7.8). Это был балочный тип машины. С двумя поршнями высокого давления диаметром 40 дюймов и 10-футовым ходом поршня при 360 оборотах в минуту она при нормальных условиях вырабатывала 1400 лошадиных сил. Она стояла в самом центре зала машин и собирала толпы зрителей. Она имела два вала длиной 108 футов под прямым углом друг к другу. Энергия, вырабатываемая машиной, приводила в действие другие механизмы в здании.

На всемирной выставке в Калифорнии впервые была продемонстрирована реальная возможность выработки электроэнергии с помощью пара. Впоследствии этот процесс стал развиваться очень быстро. Сначала электрические генераторы или динамо, высокоскоростные устройства, приводились в действие при посредстве ремней. Довольно скоро стало возможно соединять динамо прямо с двигателями. По мере того как увеличивались размеры и динамо, и двигателей, давление пара приблизилось к 200 фунтам и появилась возможность создать двигатели тройного расширения. Было принято использовать вертикальный цилиндр высокого давления и горизонтальный цилиндр низкого давления для приведения в движение вала. Такая конструкция существовала до тех пор, пока в XX веке поршневой двигатель не сменился паровой турбиной.

Энергия воды

Пар быстро проник в существующие отрасли промышленности. С его помощью мололи муку, пилили древесину и камни, качали воду, поднимали уголь, дробили руду, плавили и ковали железо, особенно если предприятия располагались вдали от водопадов. Он также нашел применение в новых видах деятельности – прокатывании и нарезании металлических листов, вытягивании проволоки, текстильном производстве. Но инженеры XVII века не отказались от энергии воды только потому, что их больше привлекали чудеса пара. Понятно, что водяные колеса, несмотря на век пара, могли генерировать энергию для многих отраслей промышленности так же хорошо и даже намного дешевле, если благоприятствовали местные условия. Это в первую очередь относилось к ситуациям, когда несколько предприятий были сосредоточены на участке с устойчивым и надежным потоком воды. Особенно важно, чтобы река не мелела и не пересыхала. Более того, человек по природе своей осторожно относится к новому, и многие люди держались за старые методы, которые верой и правдой служили им и их отцам.

Джон Смитон (1724–1792) новшеств не боялся. Внося усовершенствования в машину Ньюкомена, он не переставал думать о дальнейших возможностях улучшения работы водяных колес. Любопытству Смитона не было границ. Он был прирожденный экспериментатор в самых разных областях и после его смерти в 1792 году был признан выдающимся инженером своего времени. Его труды до сих пор считаются классическими для инженеров, в первую очередь его доклад Королевскому обществу в 1759 году «О естественной энергии воды и ветра».

В результате активной пропаганды Смитона и его работы консультанта верхненаливные колеса больших размеров с усовершенствованным регулированием стали широко использоваться в Британии, Европе и Америке. При центральном расположении колес их энергия могла передаваться при посредстве осей и ремней в разные здания, расположенные в окрестностях энергетической установки. Одно из колес, диаметром 50 футов и шириной 6 футов, было установлено в районе Мертир-Тидвил в Уэльсе. Оно генерировало около 50 лошадиных сил для домен. Еще одно колесо Смитона, построенное в Лондоне и в 1852 году отправленное в Италию, было диаметром 76½ фута и вырабатывало 30 лошадиных сил. Водяное колесо диаметром 72½ фута в Лакси, что на острове Мэн (рис. 7.9), установленное в 1854 году для откачки воды из шахты, вырабатывало 200 лошадиных сил.

Рис. 7.9. Большое водяное колесо в Лакси на острове Мэн, 1854 г.

Оливер Эванс считал себя должником Смитона и широко цитировал его в докладе Королевскому обществу. Он заявил, что Смитон – единственный известный ему автор, который соединил практику и опыт с теорией. При жизни Эванса и после его смерти в Америке было построено много верхненаливных колес, одно из самых больших – в Восточном Теннесси.

Рис. 7.10. Колесо Понселе

Другое водяное колесо – pitchback – также получило распространение в Соединенных Штатах. Вода льется сверху на ближнюю сторону, поворачивая колесо к водному потоку (подводящему каналу), вращающему нижнюю часть колеса силой течения ниже падающей воды или, в худшем случае, в стоячей воде запруды. Но pitchback, как и верхненаливные колеса, могут использовать только небольшую часть энергии падающей воды между подводящим каналом и отводящим. Потеря мощности очевидна. Более того, такие колеса большие и громоздкие, даже если сделаны из железа. Их можно облегчить, только сделав меньше. Будет выигрыш в мощности, если ни одна из частей колеса не будет поворачиваться в стоячей воде. Но одновременно уменьшение диаметра колеса приведет к потере высоты падающей воды, а значит, к снижению мощности.

Рис. 7.11. Импульсное колесо с вертикальной осью

Жан Виктор Понселе (1788–1867), французский математик, механик и инженер, придумал способ, который частично компенсировал эту потерю (рис. 7.10). Он построил нечто вроде напорного водопровода, пуская воду по узкому желобу, и ее сила обрушивалась на изогнутые емкости в нижней части колеса. Такие колеса стали популярными во Франции, особенно при небольшой высоте падения воды. Одно из них, построенное в 1849 году в районе Монтсеррат, в Каталонии, имело диаметр 17 футов и ширину 30 футов. Оно поворачивалось под действием падения воды с высоты всего 6½ фута и вырабатывало 180 лошадиных сил. Обычное среднебойное водяное колесо на этом же месте должно было бы иметь втрое большую ширину, чтобы вырабатывать такую же мощность. Тем не менее очевидно, что полные потенциальные возможности водной энергетики были еще далеки от достижения. Понселе продолжал эксперименты. Следующий важный шаг был сделан молодым французом Бенуа Фурнероном (1802–1867).

Идея горизонтального колеса, вращающегося на вертикальной оси, очень стара, его преобразование в турбину является сравнительно новым. На примитивной водяной мельнице в Индии поток направлялся горизонтально, а крылья как будто располагались непосредственно в природном течении. Однако принцип реакции, в отличие от подчинения весу и скорости воды или другого вещества, к примеру пара, появился вместе с реактивной турбиной, которую приписывают Герону. Иллюстрация 1618 года Якоба де Страда показывает, что можно считать импульсной турбиной (рис. 7.11), хотя это едва ли нечто большее, чем горизонтальное колесо. Практическое использование турбин началось примерно в середине XVIII века, когда около 1740 года этот предок реактивной движущей силы появился в форме, очень напоминающей ротационную садовую дождевальную установку. Ее назвали мельницей Баркера (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Мельница Баркера

Устройство доктора Баркера побудило швейцарского математика Леонарда Эйлера и его сына Альберта к началу активных исследований. Альберт оптимистично заявил, что знает, как строить реактивные гидравлические машины, которые наглядно продемонстрируют все, на что способна вода. Он ошибочно заключил, что ширина колеса должна равняться половине высоты столба воды, и вскоре был установлен факт, что вода должна поступать в колесо без каких-либо возмущений и выходить из него, истощив всякую скорость, кроме необходимой, чтобы она могла покинуть колесо. Профессор Клод Бурден (1790–1873), который ввел слово «турбина», произведя его от латинского turbo, что значит «я кручусь», и другие исследователи проводили множество экспериментов, но ни один из них не смог найти практический способ применения их для выполнения полезной работы. Успеха добился ученик Бурдена Фурнерон.

Фурнерон хранил свои эксперименты в тайне, особенно в отношении формы лопастей и способа смазки подшипников своей машины. Он настолько усовершенствовал свою турбину, что вскоре после 1837 года смог использовать высоту напора воды, превышающую 350 футов, направляя ее на колесо через чугунную трубу диаметром 16½ дюйма, при давлении 160 футов на квадратный дюйм. Колесо имело диаметр чуть больше 12 дюймов, весило меньше 40 фунтов и было сделано из бронзы. Оно вырабатывало 60 лошадиных сил с эффективностью более 80 процентов от потенциальной энергии падающей воды. Оно делало 2300 оборотов в минуту. Такая скорость еще ни разу не была достигнута ни в одном из механизмов. Поток двигался от центра ротора, и колесо приводилось в действие реакцией воды, отражающейся от его края. Немецкий инженер, увидевший машину Фурнерона в Санкт-Блазиен, что в Шварцвальде, был потрясен ее работой. Он смотрел на высоту, с которой вода падает на маленькое колесо, и не мог понять, почему оно не разрушается в спиральных массах воды, стекающих с него и грозящих уничтожить окружающие стены. Эти спирали воды, между прочим, теряли большое количество энергии, которая могла бы совершить больше полезной работы. Тем не менее Фурнерон, по мнению Мориса Рюльмана, который видел, как турбина приводит в действие 8000 веретен и все дополнительное оборудование на фабрике, перерабатывающей хлопок, навсегда обессмертил свое имя. Фурнерон сконструировал еще две турбины, которые работали при высоте падения воды всего 16½ фута, и каждая вырабатывала 220 лошадиных сил. Они были поставлены на текстильной фабрике с 3000 веретен и 800 ткацкими станками в Аугсбурге. После этого турбины, хотя они часто отличались друг от друга мелкими деталями, заняли прочное место как источник энергии для промышленности.

Реактивные турбины в то время были производительнее любого водяного колеса, вращающегося на горизонтальной оси. Вертикальная турбина могла работать в полностью погруженном состоянии под любым напором воды от нескольких дюймов до сотен футов. Ее скорость могла существенно варьироваться без заметных изменений в эффективности. Но самое главное, ее мощность поражала. Старые типы водяных колес развивали мощность максимум в сотни лошадиных сил. Усовершенствованные реактивные турбины могли вырабатывать более 50 000 лошадиных сил. Изобретение Фурнерона широко использовалось в Америке в последующие десятилетия и после внесения усовершенствований Джеймсом Фрэнсисом (1815–1892) и другими инженерами оказало выраженный эффект на промышленность страны. Водяные турбины не получили большого развития в Британии, поскольку там прочно закрепились паровые машины, реки были мелководными, а уголь дешевый. Импульсные турбины появились ближе к концу столетия.

Формулы

Математики и ученые того времени занимались изучением напряжений и созданием сложной теоретической концепции упругости и одновременно развивали знания о прочности материалов, которые инженеры могли применять в повседневной деятельности. Хотя некоторые осуждали зависимость от формул и ссылались на примеры, когда это приводило к катастрофам, большинство сегодняшних инженеров благодарны за труд этим гениальным ученым. Томас Юнг (1773–1839) в 1807 году впервые сформулировал понятие «модуль упругости». Это способность твердого тела упруго деформироваться при приложении к нему силы. По его определению, это усилие в фунтах, которое понадобится, чтобы растянуть балку площадью сечения один квадратный дюйм, чтобы удвоить ее первоначальную длину, если она остается равномерно эластичной во время растяжения. Поскольку практически все материалы достигают предела упругости задолго до того, как их длина удваивается, модуль упругости материала на практике определяется как процент удлинения испытуемого образца под напряжением недостаточно большим, чтобы достичь предела упругости материала. Для конструкционной стали было обнаружено, что модуль упругости составляет более 30 миллионов фунтов на квадратный дюйм.

В 1729 году, спустя век после Галилея, Питер ван Мушенбрук (1692–1761), профессор Лейденского университета, сконструировал машины для испытания небольших железных балок, каменных плит и дерева на растяжение, сжатие и изгиб (рис. 7.13). Французский инженер Жан Родольф Перроне (1708–1794) спроектировал реверсор, при помощи которого на прессе можно было производить испытания на растяжение. Он сделал это в 1768 году, во время строительства моста в Нейи, Франция. Согласно традиции, он производил испытания, чтобы знать заранее, будут ли стоять его необычайно плоские арки. Его коллега Жан-Батист Ронделе (1743–1829) в 1787 году пошел дальше и устранил большое количество неточностей, возникавших в машине Перроне из-за трения. Он заменил ось опорной призмой, сделав нечто похожее на весы бакалейщика, тем самым значительно уменьшив трение, и прикладывал нагрузки поворотом винта. Это была первая машина, использовавшая все свойства рычага и винтового привода. Машина мощностью 100 тонн была вскоре построена для Ле-Гавра и впервые использовалась для испытания материалов с большим поперечным сечением.

В XIX веке, когда промышленность расширялась и активно велось строительство дорог и мостов, практика и научная теория шли рука об руку. Ученые-экспериментаторы, инженеры и промышленники объединились, стараясь установить допустимые напряжения для цепей корабельных якорей, канатов и цепей для подвесных мостов, устойчивости чугунных колонн, прочности железнодорожных рельсов и клепаных соединений в котлах. Больше не было необходимости в сверхпрочных римских конструкциях. Границы безопасности можно было с уверенностью рассчитать. Материалы для моста Телфорда через пролив Менай в Уэльсе в 1820 году были заранее испытаны, и в процессе строительство много материалов было сэкономлено. После серии взрывов котлов в США в 1830-х годах комиссия института Франклина в Филадельфии произвела широкие испытания кованого железа, используя машину, которую до сих пор можно видеть в музее института. Но риск оставался, и катастрофы случались. Ученые-теоретики изучали гидравлику, что имело огромное значение для инженеров. Даниель Бернулли (1700–1782), швейцарский математик и физик, один из восьми выдающихся ученых в семье Бернулли из Базеля, в 1738 году заложил основы для последующих трудов по движению воды, легких масел, бензинов и других жидкостей низкой вязкости. Его теорема относительно давлений и скоростей полностью соответствует закону сохранения энергии. Если вдоль линии тока давление жидкости возрастает, то скорость течения убывает. Полный напор, или энергия жидкости, текущей на любом участке трубы, эквивалентна полному напору на любом другом участке, если нет трения. При проектировании трубопроводов, таких как Большой Дюйм и Малый Дюйм в США, а также акведуков, вроде тех, что снабжают Лос-Анджелес и Нью-Йорк, современные инженеры полностью полагаются на законы и уравнения гениального швейцарского математика.

Рис. 7.13. Испытательная машина Мушенбрука (из Physicae experimentalis et geometricae, 1729)

Французский современник Бернулли Анри Пито (1695–1771) занимался независимыми исследованиями в области гидравлики на основании работ Торричелли. Ему было уже двадцать лет, когда он заинтересовался наукой, но он прогрессировал очень быстро и вскоре стал членом Академии наук. Однако славу Пито заслужил своими работами инженера-гидравлика. Используя теорию Торричелли, он в 1732 году создал устройство для измерения на любой глубине в открытом или закрытом канале скорости движущейся жидкости. Оно представляет собой Г-образный трубчатый корпус, часть которого погружается в закрытую полость трубы открытым концом навстречу потоку жидкости. Высота жидкости в трубе – индикатор скорости потока. Трубка Пито бесценна и для сегодняшних инженеров. Она экономит время и помогает точно измерять скорости воды, газа и пара в трубах или потока воздуха в аэродинамических трубах в самолетостроении. Она применяется и в современных самолетах, являясь индикатором скорости воздуха.

Железо

Прогресс в металлургии пришел вместе с паровыми машинами. Металлурги Дарби, Уилкинсон и Корт так же изменили ход истории, как создатели паровых машин Севери, Ньюкомен и Уатт. Производство железа и качественной стали веками считалось искусством. Мечи Дамаска и Толедо в Испании, ножи Шеффилда в Англии, изготовленные из шведской руды, пользовались большой популярностью в Средние века. Римляне использовали железо и для гражданских, и для военных целей. Но только теперь металлургия и в Европе, и в Америке приобрела огромные масштабы и имела большие последствия.

Еще ранние ремесленники обнаружили, что древесина, сожженная в контакте с определенными рудами, превращает их в очень полезные металлические вещества. Те, кто работал с металлом, знали, как добавлять уголь и нагревать, ковать и снова нагревать смеси, пока они не избавятся от примесей и станут тверже или мягче, прочнее, более гибкими или хрупкими – какими нужно. Они понимали разницу между кованым железом и чугуном и знали, что такое сталь. Они обнаружили, что одни руды лучше других, хотя, вероятнее всего, не знали, почему с одними работать легче, чем с другими, и почему из тех, в которых есть сера и фосфор, получается некачественная сталь. Также они обнаружили, что для производства железа лучшее топливо – древесный уголь. Последствия оказались двоякими. Лучшие ранние ремесленники довольно часто получали надежные продукты в небольших количествах. А там, где промышленность успешно развивалась, использование древесного угля уничтожало леса.

Именно это бедствие, а вовсе не успехи ранних металлургов, привело к следующему крупному шагу в металлургии. Считается, что выплавка железа с использованием угля имеет такое же историческое значение, как норманнское завоевание Англии, подписание королем Иоанном Хартии вольностей, открытие Америки Колумбом и поражение Наполеона Бонапарта. Американцы могут возразить по поводу Колумба или добавить к перечню еще несколько событий, но день в 1709 году, когда Абрахам Дарби (1677–1717) выплавил железную руду с использованием угля на промышленной основе, был днем революции, и не только в металлургии. Он определил последующую историю Британии и всего мира тоже.

Вырубка британских лесов была предсказуема и всячески осуждалась. Адмиралы и государственные деятели тревожились о будущем королевского флота и британского господства на море, если исчезнут дубовые леса. Экспедиция Рэли 1585 года имела первостепенной целью создание колонии в Америке для производства железа с использованием бескрайних лесов нового континента. В 1607 году была основана Вирджиния и в 66 милях от Джеймстауна построены одна печь и две небольшие кузницы. Результатом стала резня 22 марта 1622 года. Индейский метод сохранения своих лесов заключался в разрушении печей и убийстве рабочих.

Тем временем, чтобы спасти леса у себя дома, британское правительство выдало патент на производство железа с применением каменного угля Симону Стюртеванту, немцу по рождению. Впоследствии Стюртевант, служивший приходским священником, был изгнан из прихода (за весь XVII век в Британии таких случаев было лишь четыре). Он выполнял некоторые работы по подготовке каменного угля, чтобы извлечь из него все, что могло испортить или изменить металл, но позже сам оставил свое предприятие. Его права были переданы Джону Ровензону, который тоже не добился успеха. Он лишь писал о том, что намерен сделать, и ввел слово «чушка» применительно к металлу, когда он охлаждается, от его истечения из печи в первую форму и оттуда в короткие формы. После этого наступила очередь Дада Дадли, четвертого из одиннадцати незаконных отпрысков лорда Эдварда Дадли от одной матери, дочери рудокопа. Дад Дадли в возрасте 20 лет покинул Оксфорд, чтобы работать на металлургическом предприятии своего отца в Вустершире. Его беспокоила проблема британского леса, и он стал пробовать выплавлять железо с использованием в качестве топлива каменного угля.

Намного позже, в 1665 году, Дадли заявил, что до ухода на войну против Кромвеля в качестве военного инженера Карла I он сумел выплавить «хорошее товарное железо» по цене на 30–40 процентов ниже, чем при выплавке с использованием древесного угля. Он утверждал, что сделал это вопреки враждебности врагов, которые как-то раз даже порезали его мехи. Но как он сумел сделать из каменного угля кокс и как он деоксидировал руду с этим топливом, чтобы произвести железо, Дадли не сообщил в своем известном памфлете Metallum Martis. Эксперты считают, что Дадли принимал желаемое за действительное, был склонен к хвастовству и так никогда и не сделал того, что намеревался сделать в юности, хотя после войны вернулся к работе и напряженно трудился до самой смерти в 1684 году. После его смерти прошло тридцать лет, прежде чем Абрахам Дарби произвел первое коксование угля.

К 1713 году Дарби и его зять Ричард Форд производили от 5 до 10 тонн железа в неделю на своем металлургическом заводе в Коулбрукдейле, который располагался на берегу Кальдебрука, небольшого левого притока реки Северн, что на западе Англии. Они использовали кокс в качестве добавки к углю и могли делать чугун твердым и хрупким или мягким и упругим – как было необходимо. Производство на коммерческой основе чугуна из выплавленной с помощью угля руды началось в следующем году, когда на рынке появилась паровая машина Ньюкомена. К 1721 году заводы семейства Дарби производили тяжелые отливки и планировали расшириться в 1733 году, когда истечет срок действия патента Севери-Ньюкомена, открыв конкуренцию для изготовителей паровых машин. Энергия пара увеличивала потребность в железе, а промышленность увеличивала потребность в паровых машинах.

Более сильная струя воздуха повышала температуру в печах, высвобождая примеси в топливе и руде и повышая эффективность использования кокса, чтобы выплавлять чистый металл без использования древесного угля. К 1745 году второй Абрахам Дадли (1711–1763) и Ричард Рейнолдс регулярно использовали кокс, чтобы получить чугун высокого качества. К 1775 году третий Абрахам Дадли (1750–1791) и Джон Уилкинсон (1728–1808) настолько усовершенствовали коксовую печь, что смогли лить арочные ребра для первого в мире железного моста. Уилкинсон, один из первых британских миллионеров, внес большой вклад и в промышленность, и в инженерию. В 1774 году он запатентовал сверлильный станок, завоевавший прочное место в машиностроении. Он был намного лучше, чем станок Смитона, и стал незаменимым для Болтона и Уатта при строительстве паровых машин. Уилкинсон заказал один из первых двигателей Уатта в 1775 году и стал пионером в использовании энергии пара в прокатке железа. В 1787 году он построил первый в мире корабль полностью из железа. Это была 70-футовая баржа, построенная из клепаных железных листов.

Британская промышленность не могла удовлетворить потребности страны, когда металлургией начал заниматься первый Абрахам Дарби. Поставки шли из Швеции, Норвегии и России. Потом произошли перемены. Если меркантилисты 1740-х годов активно выступали за поставку чугунных чушек из американских колоний, чтобы освободить метрополию от зависимости от иностранных поставок и спасти британские леса, второй Абрахам Дарби с успехом выплавлял металл из железной руды с помощью кокса. Британия довольно быстро обрела независимость от американских и балтийских поставок. Тем не менее парламент принял Железный акт 1750 года, чтобы стимулировать импорт чушек из колоний. Британские леса были в безопасности, а британские чушки – вполне доступны. Третий Абрахам Дарби продолжал развивать процесс выплавки металла с использованием кокса, а в 1775 году американцы начали Войну за независимость с британским королем и парламентом. К 1788 году британское производство превысило импорт. Две трети домашней продукции выплавлялось с коксом. Генри Корт (1740–1800) придумал процесс пудлингования и полностью избавил британские леса от проклятия железа, а промышленность – от препятствий для ее расширения. Британия была на пути к промышленному господству в мире, которое она сохраняла, пока не стала испытывать конкуренцию со стороны Германии, а в XX веке ее обогнали Соединенные Штаты.

Достижение сразу оценили. После заключения мира в 1783 году, означавшего конец британского господства в Северной Америке, лорд Шеффилд в своем труде Observations on the Commerce of the American States написал: «Оригинальные и заслуживающие одобрения усовершенствования мистера Корта в области производства и обработки железа – вместе с машиной Болтона и Уатта и новым процессом получения кокса по низкой стоимости лорда Дандональда, будут, если все получится, более полезными для Британии, чем тринадцать колоний». Они смогут дать «полный контроль над торговлей железом в этой стране и большие преимущества навигации». Может показаться, что Шеффилд старается отыскать крупицы лучшего в крайне неудачном развитии событий. На самом деле он пророчески предсказал будущее Британской империи. Сравнивая утрату североамериканских колоний с промышленным развитием, которое видел в будущем лорд Шеффилд, не следует думать о Соединенных Штатах сегодняшнего дня. В 1784 году в тринадцати американских штатах жило меньше 4 миллионов человек, и их поселения располагались на расстоянии 100 миль или около того от Атлантического побережья вдоль речных долин. Лишь немногие пионеры переходили Аппалачи и продвигались вглубь континента. Перспективы экономического и политического будущего были великолепными, их цели ясными, но их текущая ценность для метрополии была примерно такой, как описал Шеффилд. Он не предвидел лишь одного: того, что развитие производства при более эффективном соединении угля, железа и пара создаст не только британское промышленное могущество. Оно также создаст масштабное эффективное машиностроение Соединенных Штатов, в которое британцы в будущем будут вкладывать сотни миллионов фунтов стерлингов и получать доходы.

Генри Корт в 1775 году приобрел металлургический завод, расположенный недалеко от гавани Плимута. В 1779 году он сделал попытку приобрести машину Болтона и Уатта, но она была еще совсем новой и оказалась неприспособленной к задачам тяжелого машиностроения. Уатт продолжал эксперименты с вращательным движением. И Корт продолжил использовать энергию воды. В 1783 году он получил патент на рифленые вальцы. Теперь он мог «выжимать» и «выколачивать» примеси из нагретого металла, а также раскатывать его на листы, бруски, стержни и другие формы. В 1784 году Корт запатентовал усовершенствования процесса, изобретенного братьями Кранедж, Томасом и Джорджем, который называется пудлингованием. Пламя и газы в его печи кружились над расплавленными чушками, которые лежали на слое песка, так что металл не входил в контакт с топливом и не впитывал из него примеси. Эта отражательная печь и вальцы Корта вместе позволили ему убирать кремний, фосфор и другие примеси, как шлак, из железа, пока он прокатывал пористую массу и производил с ней все необходимые операции. Ковкое железо теперь можно было получать прямо из чушек с использованием кокса и без древесного угля.

Джозеф Холл в 1838 году усовершенствовал процесс Корта. Он предложил наваривать под пудлинговой печи оксидом железа. Кислород, соединяясь с углеродом, образует монооксид углерода, тем самым понижая содержание углерода в металле, а температура плавления железа повышается таким образом, что оно переходит из жидкого состояния в вязкое, а шлаки и окалина лучше отделяются от металла в прокатной машине. С помощью кислорода в облицовочном слое Холл сумел снизить содержание фосфора и кремния и получить металл более высокого качества. Оксиды фосфора и кремния, полученные в этом процессе, шли в шлак.

Как и Дадли до него, Генри Корт испытывал упорную враждебность со стороны металлургов старой школы. Вдобавок его обманул партнер Адам Джеллико, который вложил в бизнес деньги, украденные у королевского флота, где он служил заместителем казначея. После внезапной смерти Джеллико началось длительное расследование. Корт не смог вернуть деньги, был лишен патентов и обанкротился. Он утратил собственность стоимостью 25 000 фунтов. В течение десяти лет Корт неоднократно пытался вернуться к делам, но все его усилия принесли лишь пенсию в размере 160 фунтов в год. В 1800 году он умер, разочарованный и опозоренный, хотя его вклад в развитие промышленности Британии является бесценным. Он совершил ряд важных открытий в металлургии, поставил металлообрабатывающую промышленность на современные рельсы. Следующим важным прорывом стало производство стали на коммерческой основе. Но это было уже в XIX веке.

Цемент

Использование пуццолана в цементе прекратилось вместе с концом Римской империи, и, вероятно, до недавнего времени не было ни одной подводной конструкции, в которой он бы использовался. Между тем его слава не умерла вместе с империей, и инженеры постоянно искали нечто, столь же хорошее и полезное, как «римский цемент». Джон Смитон (1724–1792) в 1756 году экспериментировал с самыми разными материалами, пока строил Эддистонский маяк. Он обнаружил, что устойчивость извести для подводных работ не зависит от твердости оригинальной известняковой породы, глубины слоя или основания, на которое она укладывается. Устойчивость зависит только от присутствия в самом камне глины. Поэтому он создал известь, которая вполне удовлетворительно затвердевает под водой. Его Эддистонский маяк простоял 123 года, вплоть до 1879 года. Да и тогда его фундамент пришлось подрывать – море с ним не справилось. Выводы Смитона относительно значения глины опровергли многие древние теории, но они были опубликованы только после его смерти в 1792 году. Тем временем Смитон заинтересовался паровыми машинами, устройством гаваней, каналом Форт-Клайд, строившимся с 1768 до 1790 года, и многими другими инженерными проектами и планами. Его интересы были на удивление разносторонними. А его работы по цементу завершили другие.

Вдохновленный Смитоном Джеймс Паркер в 1796 году обнаружил, что небольшие твердые комья глины, найденные им в эстуарии Темзы, после обжига в печи и перемалывания в пыль становятся материалом, который способствует быстрому схватыванию цемента и на воздухе, и под водой. Сначала его назвали римским цементом. Потом название сменили на природный или натуральный цемент, поскольку появились другие виды, созданные искусственно. Люди постоянно совершенствовали состав цементов. Инженер Луи Жозеф Вика (1786–1861) вскоре после 1809 года начал систематическое изучение тысяч видов известняков Франции. Он, как и Смитон, искал материал, который будет быстро затвердевать под водой. Его выводы относительно роли глины были аналогичны выводам Смитона. К тому времени, как он опубликовал свои результаты, – это было в 1839 году – химия уже быстро прогрессировала, и стало возможным отличать составляющие, содержащие кислород, от других элементов – кальция, кремния, алюминия, и он сумел составить точные формулы. Его заслуги как основателя цементной промышленности во Франции были общепризнанными, и его труды еще много лет цитировали в Британии и Соединенных Штатах. Менее известен, но не менее талантлив немецкий химик Йоганн Фридрих Йон (1782–1847) из Берлина. Цементный камень, глинистый известняк, содержащий разные пропорции оксида железа, кремня и алюминия, был обнаружен в США в начале XIX века и добывался во многих местах, особенно вдоль линий ранних каналов, таких как Эри, Делавэрский и Гудзонский. Его кальцинировали, как известняк, в печах и потом перемалывали в пыль. Самые известные бренды – розендейлский и луисвильский цементы. Никакие другие виды цемента не использовались в США до 1870-х годов. На самом деле этот натуральный гидравлический цемент широко использовали до конца века. Из сделанного из него бетона строили волноломы, дамбы и фундаменты тяжелых сооружений, таких как Бруклинский мост.

Инженеры все еще были далеки от понимания всех возможностей использования цемента как строительного материала. И последнее слово было сказано через несколько лет после исследований Вика Джозефом Аспдином (1779–1855), каменщиком из Лидса. В 1824 году он создал первый искусственный цемент. Его продукт был тщательно рассчитанной смесью известняка и глины, а значит, содержал кремний и алюминий, которые он, по-видимому, кальцинировал и перемалывал. Он назвал свой продукт портландцементом, потому что после затвердения он напоминал популярный строительный камень, добывавшийся в районе Портланда. Цемент Аспдина использовался в 1828 году как своего рода штукатурка в тоннеле под Темзой Марка Брунеля. В 1848 году он был испытан в качестве раствора для кирпичной кладки, и после этого его повсеместный успех был гарантирован. В настоящее время портланд-цемент делают из смеси тщательно подобранных известковых и глинистых материалов, которые смешивают в определенных пропорциях, перемалывают, кальцинируют при очень высоких температурах до начала плавления в длинных почти горизонтальных вращающихся печах, после чего получившийся клинкер перемалывают в мельчайшую пыль. Портланд-цемент начали импортировать в США из Англии, Германии и Бельгии в 1870-х годах. Много лет он считался дорогостоящей роскошью, которую использовали очень скупо. Американское производство портланд-цемента началось в 1875 году с мануфактуры в Восточной Пенсильвании. В следующем поколении ее производство значительно возросло, и в начале XX века портланд-цемент практически вытеснил почти везде и для всех целей более дешевый, но менее надежный природный цемент.

Глава 8

Дороги, каналы, мосты

Промышленная революция в Англии стимулировала важные усовершенствования во внутренних перевозках, сначала по дорогам и каналам, потом по железным дорогам. В начале XVIII века в Британии, в большинстве своем, были очень плохие дороги, а судоходных каналов и вовсе не существовало. Поскольку после ухода из Англии римлян не существовало эффективной программы строительства и ремонта дорог, такое положение не вызывает удивления. Даниель Дефо в 1724 году в своей книге «Путешествие по всему острову Великобритания» писал о Северной дороге из Данстейбла через Лестер и Ноттингем следующее: «Она пугает путешественников, а чужестранцы удивляются, как, учитывая огромное количество экипажей, постоянно проезжающих с тяжелыми грузами, эта дорога до сих пор существует. На самом деле большое число лошадей, которых убивает труд на этой дороге, является таким бременем для страны, что строительство мощеных дорог, как это делали римляне прошлого, представляется намного дешевле». Он подчеркивал необходимость новых мостов на дорогах. «Они не только спасают от воды, которая без этого часто разливается и затапливает дорогу. Иногда она резко поднимается на опасную высоту из-за сильных дождей, и замечено, что зачастую намного опаснее попытки перебраться через маленькие ручейки и речушки, ставшие глубже из-за сильных ливней, – ведь путешественники не ожидают от них ничего более дурного, чем переправляться через крупные реки, где опасность известна и можно принять меры, чтобы ее избежать».

Безусловно, такие дороги не были пригодны для перевозки возросшего количества товаров, которые производились в конце XVIII века. Правда, Дефо отмечал, что не все английские дороги так плохи, как те, что он описал. Тем не менее, в общем, дороги были в совершенно неадекватном состоянии даже для путешествующих торговцев начала века, возивших свои товары из города в город на вьючных животных. К середине века, когда писал Дефо, создаваемые во многих местах парламентом дорожные тресты – turnpike trusts – уже сумели отремонтировать некоторые дороги и даже построить ряд новых, но тем не менее писатель утверждал, что «внутренним перевозкам в Англии сильно мешает плохое состояние дорог».

Только во второй половине века произошли важные инженерные прорывы в области дорожного строительства. Все они, по большей части, были основаны на предшествовавшем французском опыте. Строительство английских каналов, которое началось во второй половине века, также опиралось на работы французских инженеров. С появлением новых дорог и каналов увеличилась потребность и в мостах.

Строители не использовали цемент для дорожных покрытий до самого конца XIX века. Не думали они и об асфальте, хотя сэр Уолтер Рэли видел его во время визита в Тринидад в 1595 году и высоко оценил, как материал для заделывания швов на кораблях. Его стали использовать при строительстве дорог только двумя с половиной веками позже. Инженеры промышленной революции следовали практикам, мало чем отличавшимся от римских практик Средневековья. Они принимали во внимание главным образом сжатие под колесами транспортных средств, рассчитывая прочность дороги. Только относительно недавно, когда появился самодвижущийся транспорт с резиновыми шинами, дорожные строители обратились к железобетону. Поскольку лошадям необходима эластичная опора, наши современные дороги были бы совершенно неприменимы в эпоху гужевого транспорта.

Крупные европейские дороги в Средние века, конечно, поддерживались, но не более того. Только когда рухнул феодализм, амбиции стали национальными. Быстрая связь была жизненно важной для защиты больших территорий, находящихся под централизованным контролем. Крупным городам нужны были дороги для снабжения из удаленных регионов, а также хороший доступ к другим распределительным центрам. Национальные интересы в дорожной инженерии распространялись медленно, но, наконец, когда потребность уже нельзя было игнорировать, французы в 1716 году создали Corps des Ponts et Chaussees – Корпус мостов и дорог. Француз определил принципы современного дорожного строительства, которые просуществовали, пока современные дорожные инженеры не начали использовать когезионные материалы. Пьер-Мари-Жером Трезаге (1716–1796) впервые сформулировал научный подход к дорожному строительству. Это было в 1764 году. В это время знаменитые строители Джон Лоудон Макадам (1756–1836) и Томас Телфорд (1757–1834) были еще детьми восьми и семи лет.

Дороги из щебня существовали и до Трезаге, Телфорда и Макадама. Согласно трудам француза Юбера Готье, маленькие камни укладывали на ребро и утрамбовывали более мелким материалом. В это время трактаты по дорожному строительству стали появляться в Англии и германских государствах. Шло строительство на аналогичных принципах в Швеции и России. Однако именно Трезаге систематически усовершенствовал римский фундамент и завершил строительство дорожного полотна щебнем, тщательно отобранным по размерам. Уменьшив толщину дорожных одежд до примерно 10 дюймов, Трезаге укладывал первый слой камней на ребро, чтобы отдельные камни можно было сдвинуть с помощью молотка ближе, чем если бы они лежали как попало (рис. 8.1). Второй слой тоже укладывали вручную и сдвигали молотками, чтобы не оставалось щелей. Они оба делались параллельными верхнему завершающему слою. Третий и последний слой толщиной 3 дюйма состоял из твердых камней размером с грецкий орех. Поскольку именно верхний слой, по мнению Трезаге, определял прочность дороги, он выкладывал его из самого твердого камня. Он настаивал на постоянном содержании дорожного покрытия в исправном состоянии. Хотя Пьер Трезаге дал своей стране лучшие в мире дороги, он вошел в историю только как генеральный инспектор дорог и мостов на службе у Людовика XVI. После революции он умер в нищете, и к началу эпохи Наполеона о нем уже почти забыли.

Рис. 8.1. Различные поперечные сечения дорог: a – французская дорога до 1775 г.; б – дорога Трезаге; в – дорога Телфорда; г – дорога Макадама

Дороги Томаса Телфорда строились с тем же намерением – делать нижние слои настолько стабильными, чтобы они могли выдержать нагрузку от движения по дороге, даже если грунты под ними пористые и податливые. Шотландец делал нижние слои плоскими, возможно, потому, что начинал как каменщик, а выпуклость получал, делая верхние слои толще в центре, чем по бокам (рис. 8.1). Средний слой – 7 дюймов щебня, причем камни были достаточно мелкие, чтобы пройти через кольцо 2½ дюйма. Верхний слой – гравий размером дюйм или около того. Две лучшие дороги Телфорда соединяют Глазго и Карлайл (протяженность 100 миль), а также Лондон и валлийский город Холихед (протяженность 300 миль). Последняя строилась с 1815 до 1828 года как часть почтовой дороги в Ирландию и стоила 3,5 миллиона долларов. А там, где она пересекала пролив Менай, Телфорд построил свой знаменитый подвесной мост.

Дороги Макадама сделали его самым известным из этих трех инженеров. Его конструкция была тоньше, чем у Трезаге или Телфорда, дешевле, и ее было легче строить. Его имя даже стало нарицательным (Macadam road – щебеночная дорога). Уникальный вклад Макадама заключался в следующем: он категорически настаивал, чтобы подпочвенный слой тщательно осушался. Он должен был постоянно поддерживаться сухим. Если подпочва будет сухой, она останется твердой и не будет необходимости в глубоком фундаменте. В своей книге Remarks on the Present System of Road Making он утверждал, что толщина дороги должна регулироваться только количеством материала, необходимым для формирования непроницаемого покрытия, а вовсе не его способностью нести нагрузку. Ни Трезаге, ни Телфорд об этом не упоминали.

Щебеночная дорога едва ли когда-либо была толще 8 дюймов, но ее камни – не больше, чем могут поместиться во рту, и не тяжелее 8 унций – должны были иметь острые края и быть так плотно спрессованы и утрамбованы, чтобы дождь не мог меж них проникнуть. Выпуклость должна быть выраженной, чтобы на дороге не было луж (рис. 8.1). В английском климате, где почва глубоко не промерзает и при оттепели не смещается, щебеночные дороги являются идеальными, за исключением разве что самых тяжелых нагрузок. Пока каменное покрытие не изнашивается полностью, нагрузки от транспорта только разглаживают и уплотняют дорожное полотно. Английские путешественники с благодарностью вспоминали дороги у себя дома, проклинали грязь и колдобины в Америке, равно как и американские манеры за столом.

Ни одна из дорог американских колоний до их Войны за независимость от метрополии не была плодом труда инженеров. Только две дороги из тех, что были построены за тридцать послевоенных лет, заслуживают внимания. Отсутствие дорог было вызвано не тем, что люди довольствовались существующими путями между колониями. Если судить по рассказам современников, любые наземные пути были связаны с многочисленными трудностями и опасностями. Скорее всего, дело в том, что люди, жившие у побережья, могли путешествовать вдоль него, а также по рекам, заливам, проливам, если им пришла охота навестить соседей или начать торговлю с ними. Необходимость в хороших дорогах, ведущих вглубь страны, была постоянной. В 1652 году Эдвард Джонсон писал о Солсбери, что в графстве Эссекс, Массачусетс, следующее: «Для проникновения вглубь дикой местности нужны дороги в густых непроходимых лесах, а через большие реки должны быть построены мосты, проходимые для людей и коней». К 1725 году между крупными поселениями уже ходили по расписанию почтовые экипажи. Джон Мерсеро в 1771 году назвал свои транспортные средства «летающими машинами». Они могли преодолеть расстояние от Нью-Йорка до Филадельфии за полтора дня. Правда, он не уточнил, что путешественник из Нью-Йорка должен покинуть дом накануне вечером, отправиться по воде в Перт-Амбой и в три часа утра занять место в «имитации экипажа», в котором не было рессор.

В начале XIX века Тимоти Дуайт в своих записках упомянул о большой дороге из Джорджии в Мэн. Но это, определенно, не была национальная магистраль. Дорога была задумана и построена в 1794 году, согласно генеральному плану. Она, как современное американское шоссе, соединяла ряд дорог местного значения, построенных исходя из местных условий. Местные интересы переросли в открытую вражду, когда жители пограничных территорий двинулись по долинам рек, перешли горы и очутились в лесах и прериях центральной части континента.

Ланкастерская дорога, построенная в 1794 году, протянулась на 62 мили через плодородные земли Пенсильвании из Филадельфии в Ланкастер, крупнейший из внутренних городов того времени. По сути, это была длинная улица в густонаселенном регионе. Как и многие ее британские предшественники, она была построена частной корпорацией, рассчитывавшей получить доход от платы за проезд, и до самого появления железной дороги инвесторы получали щедрую отдачу – 15 процентов годовых. Впервые, но не в последний раз в Америке, государство использовало свое право на отчуждение частной собственности, чтобы оказать помощь частному капиталу. Поскольку земля была отчуждена для права проезда, последовало множество жалоб. Также было огромное количество желающих приобрести акции компании. Из 2275 желающих путем лотереи было выбрано 600 человек. Стоимость дороги составила около 7000 долларов за милю.

Ученый Дэвид Риттенхаус отвечал за первоначальную экспертизу. Поспешное строительство из камня и булыжников всех форм и размеров привело к катастрофе. Дожди промыли большие и маленькие канавы, в которых лошади ломали ноги. Советы более опытных строителей, таких как Уильям Уэстон, прибывший из Англии для постройки каналов, помогли в конце концов создать прочное дорожное полотно, которое британский путешественник Фрэнсис Бейли в 1794 году назвал шедевром. Ланкастерская дорога имела ширину 20 футов и глубину 17 дюймов. На всем протяжении она была вымощена камнем, покрытым гравием, так что всегда была проходимой.

В те времена в Америке была еще всего лишь одна дорога, заслуживавшая внимания, – Кумберлендская, или Национальная, дорога. Она задумывалась как общественная дорога. Альберт Галлатин, казначей президента Джексона, в 1803 году одобрил национальную политику местных усовершенствований за общий счет, как часть плана допуска штата Огайо в союз. Кумберлендская дорога должна была идти от реки Потомак в Мериленде через горы в долину Огайо. На протяжении одного участка она следовала маршрутом военной дороги 1755 года генерала Брэддока, проходившей через дикую местность к французским позициям – тогда это был форт Дюкен, сейчас – Питтсбург. Однако развивающийся промышленный город, где сливаются реки Аллегейни и Мононгахила, образуя реку Огайо, не должен был стать конечным пунктом национальной дороги. Она поворачивала в сторону, пересекала реку и углублялась в леса Огайо в районе Уилинга, Западная Вирджиния. Ее конечным пунктом должен был стать Сент-Луис, расположенный за прериями Иллинойса, на дальнем берегу реки Миссисипи.

Согласно изначальным требованиям, которые отражены в акте конгресса от 29 марта 1806 года, нужна была дорога шириной 66 футов, вымощенная камнем, землей или гравием и песком на 20-футовом участке для экипажей. Полоса отчуждения в Огайо позже увеличилась до 80 футов. По обе стороны предусматривались дренажные канавы. Уклон ни в коем случае не должен был превышать 5 градусов к горизонту, что означает максимальный градиент 8,75 процента, умеренный для тех времен, но как минимум вдвое больший, чем допустим на сегодняшних высокоскоростных магистралях. Работы следовало выполнить «трем благоразумным и незаинтересованным гражданам Соединенных Штатов». Быть одновременно благоразумным и незаинтересованным среди всеобщей местной зависти было весьма нелегким делом для государственного служащего. Альберт Галлатин, возле земель которого намечалась дорога, был благоразумным и мудрым. Он удостоверился, что президент Джексон лично выберет ответственных за строительство. Джеферсон выбрал Томаса Мора и Эли Уильямса из Мериленда и Джозефа Керра из Огайо, и они вместе выбрали Джозайю Томпсона, профессионального землемера. Эти люди вместе проложили дорогу так, что она пересекла не только Вирджинию и Мериленд, но и прошла через уголок Пенсильвании. Несомненно, при выборе маршрута в первую очередь учитывался рельеф местности – дорога поднималась на 2300 футов в горы. Принимались во внимание и политические аспекты – ведь она проходила через три штата. Работу выполняли по частям местные подрядчики, хотя эта процедура не обязательно обеспечивала единообразие конструкции и качества.

Согласно отчету 1806 года, предполагаемая стоимость участка дороги от Кумберленда в Мериленде до реки Огайо в районе Уилинга составляла 6000 долларов за милю при протяженности трассы около 112 миль, без учета мостов. В 1808 году все еще оставалась надежда, что можно было построить мощенную камнем дорогу за эту сумму. Но когда дорога была достроена в Огайо в 1818 году, ее стоимость достигла 13 000 долларов за милю. Отчасти увеличение расходов, разумеется, объясняется неожиданными задержками и непредвиденными дополнительными работами, но сколько было потеряно из-за небрежности, разгильдяйства, некомпетентности и прямого воровства, точно не известно. Когда в 1834 году армия взялась за ремонт дороги, ответственный за работы инженер доложил о как минимум восьми способах обмана местными подрядчиками правительства. Самые очевидные – изменение градиента, нарушение размеров камней, определенных спецификациями, занижение количества доставленных материалов, взимание двойной платы за поставки и т. д.

Экипажи, конестогские повозки и другие более или менее тяжелые транспортные средства сновали взад-вперед по дороге в течение десятилетия, до тех пор, когда в 1825 году был открыт канал Эри, составивший ей вполне успешную конкуренцию. В 1822 году в Уилинге было разгружено более 5 тысяч тяжелых повозок, и за перевозку было заплачено 400 000 долларов. Утверждают, что каждая десятая телега предназначалась для Огайо. В обратном направлении с запада на восточные рынки везли муку, виски, пеньку, табак, бекон и шерсть. Население Уилинга удвоилось. До открытия дороги путешествие от Балтимора до Огайо занимало от четырех до шести недель. К 1832 году и время, и стоимость сократились наполовину. Понятно, что цифры – далеко не единственный показатель. Никакая статистика не объяснит все влияние, оказанное Национальной дорогой на жизнь американцев, которые со своими пожитками перебирались по ней по направлению к Огайо и далее. Движение оказалось настолько напряженным, что дорожное полотно вскоре потребовало ремонта.

В июле 1832 года генерал Чарльз Гратиот, глава инженерных войск, поручил лейтенанту Дж. Л.Ф. Мэнсфилду (1803–1862) надзор за капитальным ремонтом дороги к востоку от реки Огайо и отдал четкий приказ выполнить работы в соответствии с принципами, изложенными в работе Макадама Remarks on the Present System of Road Making, впервые опубликованной в 1820 году. Преемник Мэнсфилда капитан Ричард Делафилд (1798–1873) выполнил инструкции еще скрупулезнее. Эти офицеры учились инженерному искусству в Уэст-Пойнте. Клод Крозе (1790–1864), ветеран наполеоновского похода на Москву, Ста дней и Ватерлоо, с 1816 до 1823 года преподавал в Уэст-Пойнте. Преподавание велось по учебнику французского автора, коллеги Пьера Трезаге. Таким образом, французское влияние на практику американского дорожного строительства было прямым и непосредственным. Его слияние с принципами Макадама представляется еще более интересным, если принять во внимание количество техник Трезаге, которые Мэнсфилд и Делафилд изучили в Уэст-Пойнте.

Война 1812 года поставила во главу угла необходимость в стратегических линиях связи для оборонительных целей, и дорожное строительство выдвинулось на первый план. Соединенные Штаты обрели не только экономическую независимость от Британии, но и безусловный контроль над долиной Миссисипи и Скалистыми горами. Естественно, такие государственные деятели, как Генри Клей и Джон Кэлхун, выступали за широкое дорожное строительство. Было предложено, чтобы правительство Соединенных Штатов взяло на себя геодезические работы, строительство, владение и эксплуатацию дорожной системы страны.

Противников федеральных расходов на местные дороги было много, особенно в тех частях страны, где от этого нельзя было получить немедленную выгоду. Приверженцы государственного суверенитета штудировали конституцию и не находили в ней санкций на подобные ассигнования со стороны казначейства Соединенных Штатов. Разумеется, частные компании и отдельные штаты желали сохранить бизнес по обеспечению транспортных перевозок. Платные дороги и мосты приносили хороший доход. Дальновидное мнение Альберта Галлатина и его преемников, которые выступали за то, чтобы национальная дорога на запад являлась открытой и бесплатной для всех, блокировалось сиюминутными целями частных корпораций, стремившихся к немедленной выгоде. Также, в определенной степени, препятствием были некоторые государственные предприятия, такие как канал Эри в Нью-Йорке. Они являлись национальными по конечным целям, но приносили немедленный и местный доход.

Подчиняясь конституции и политической целесообразности, президенты Мэдисон, Монро и Джексон наложили вето на мероприятия конгресса по местным усовершенствованиям за федеральный счет. Федеральное правительство не откликнулось на просьбу штата Нью-Йорк о выделении субсидии; Нью-Йорк сооружал свой собственный канал. Пенсильвания и другие штаты продвигали собственную систему дорог и каналов к западным территориям. Частные инициаторы были везде. Они яростно конкурировали между собой, желая обеспечить продвижение и собрать дань с пионеров, которые шли на запад в крупнейшей наземной миграции, известной миру. К 1830-м годам концепция изменилась, перейдя от правительственной собственности и эксплуатации национальной системы к федеральным грантам земли из общественной собственности в частную или для государственных предприятий. Даже национальная дорога так никогда и не была доведена до конечной точки в Сент-Луисе. К 1856 году все ее части были переданы соответствующим штатам, которым предстояло содержать их, как они посчитают нужным. Это они в какой-то степени делали, исправно собирая плату за проезд, пока не была построена обширная сеть железных дорог, которая привлекла публику и превратила национальную дорогу в пережиток прошлого.

Каналы

Одновременно с дорожным строительством шло сооружение каналов. В Соединенных Штатах каналы в долгосрочной перспективе обещали стать лучшим средством связи с долиной Миссисипи, чем национальная дорога, пока железная дорога не обогнала их обоих. Когда Уильям Вестон, Джеймс Ренвик и другие инженеры из Англии разрабатывали и реализовывали свои проекты, британское влияние на американское строительство, в том числе на сооружение канала Эри, было преобладающим. Истоки этого влияния – великолепный труд английского инженера и изобретателя Джеймса Бриндли (1716–1772).

Фрэнсис Эджертон, третий герцог Бриджуотер, в юности путешествуя по Европе, восхитился Лангедокским каналом. Его шлюзы, акведуки и тоннели сделали возможной перевозку по воде даже в горной местности. Ему нужно было доставить уголь из его шахты, расположенной в 10 милях от Манчестера, через долину реки Ируэлл для промышленности города. Для этой работы он привлек местного механика-самоучку, который был на двадцать лет старше его. Вначале Джеймс Бриндли знал о каналах лишь то, что слышал от герцога. Еще до завершения строительства он считался знаменитым инженером. Герцог и его наследники получили значительный доход. Будучи землемером, инженером, подрядчиком и бригадиром, Бриндли получал 3 шиллинга 6 пенсов в день и славу.

Бриндли был больше впечатлен рассказом герцога об акведуках, чем о шлюзах, и убедил своего работодателя позволить ему держаться одного уровня, и его канал пересек реку Ируэлл по каменному мосту на высоте 40 футов над уровнем воды (рис. 8.2). Результатом стал акведук Бартон 1761 года, который оказал влияние на строителей водных путей от юного современника Бриндли Томаса Телфорда до инженеров сегодняшнего дня. Это была трудная задача – построить перемычку над обширной заболоченной местностью без оседания и трещин. Бриндли сначала вырыл дренажные канавы, чтобы повысить несущую способность почв, потом распределил нагрузку от перемычки на большую площадь. Еще труднее было сделать канал водонепроницаемым. Но Бриндли узнал – хотя, возможно, это было ему известно и ранее, – как выкладывать глину и песок последовательными слоями, так чтобы смесь после высыхания становилась непроницаемой для воды. Когда Телфорд впоследствии строил акведуки канала Элсмир, он сначала использовал чугунное дно и стенки из каменной кладки на основе цемента Паркера, который как раз появился на рынке, а для второго акведука соорудил полностью железное «корыто».

Канал, построенный Бриндли для герцога Бриджуотера, имел ширину 18 футов, глубину 4½ фута и длину 10 миль. Но когда первые маленькие суда прибыли в Манчестер, они наполовину снизили стоимость угля и создали прекрасный бизнес для герцога. Его стоимость он так никогда и не раскрыл. Теперь он нацелился на фрахтовые ставки между Манчестером и Ливерпулем. Они составляли 40 шиллингов за тонну по дороге и 12 по реке и вдоль побережья. Бриндли продлил канал герцога по извилистому пути вдоль равнины, оставив его на одном уровне, после чего опустил его при посредстве серии из 10 шлюзов на 82 фута к приливноотливным водам Мерси в районе Ранкорна, в 15 милях к юго-западу от Ливерпуля. По оценкам экспертов, общая стоимость канала Бриджуотера составила 220 000 фунтов. Его постройка наполовину снизила фрахтовые ставки между Манчестером и Ливерпулем. Какое-то время он выдерживал даже конкуренцию с железной дорогой, постройка которой была завершена в 1830 году. Сначала канал оказался экономичнее железной дороги. Конечно, существовали и джентльменские соглашения относительно ставок и распределения тоннажа.

Рис. 8.2. Акведук Бартон (из Smiles, Lives of the Engineers, vol. 1, 1862)

Сегодня Манчестерский судоходный канал, построенный в 1894 году, следует по долине более коротким маршрутом. Акведук Бриндли был заменен поворотным акведуком Бартон-Свинг. Бечевник (дорога вдоль канала, изначально использовавшаяся для бечевой тяги) проходил по галерее в 9 футах над уровнем воды в поворотном участке. Для сбережения воды поворотный участок был сконструирован как железный танк глубиной 6 футов и шириной 19 футов. Были построены четыре подвижные, но водонепроницаемые перегородки, две на подвижном участке и по одной на каждом береговом конце. Соединения были сделаны так плотно, что оставались водонепроницаемыми вне зависимости от того, был мост открыт или закрыт. Когда пролет поворачивался, по каналу могли проходить океанские суда.

Добившись весьма зрелищного успеха с каналом герцога Бриджуотера, Бриндли оказался в высшей степени востребованным для строительства других водных путей. Первый из них, соединивший Мерси с долинами Трента и Северна, связал Манчестер и Ливерпуль по воде с Гуллем и Северным морем на востоке и с Бристолем и Атлантическим океаном на юго-западе. Он был спроектирован, чтобы стать основой сети, которая будет обслуживать промышленность Центральной Англии. Оставив канал Бриджуотера на севере, он шел на юго-восток через Чеширский соляной район и вблизи гончарных производств Стаффордшира. Джозайя Уэджвуд был активным сторонником этого канала, поскольку ему приходилось ввозить глину и кремний и вывозить готовую продукцию с использованием вьючных животных. Солеварни Чешира получали уголь из Стаффордшира аналогичным, весьма дорогостоящим способом. Экономические преимущества от строительства канала были очевидны. Священнослужитель Джон Уэсли отметил, что канал оказал благотворное влияние на жизнь людей. Сэмюэл Смайлс, биограф Бриндли, заявил, что население региона вокруг гончарных производств увеличилось с 7000 частично занятых людей в 1760 году до 21 000 процветающих работников с полной занятостью двадцатью пятью годами позже.

Рис. 8.3. Северные входы в тоннели Харкасл: слева тоннель Телфорда с бечевником, справа тоннель Бриндли

Джеймс Бриндли столкнулся с необходимостью прокладывать тоннель на верхнем уровне канала Трент – Мерси. До этого он сооружал тоннель в угольную шахту герцога в Уорсли, но этот тоннель в Харкасле явился первым настоящим канальным тоннелем в Британии (рис. 8.3). На его сооружение потребовалось одиннадцать лет, поскольку горная порода была сложной, а рабочие – неопытными. В 1777 году сооружение было завершено. Тоннель имел длину 1⅔ мили, но ширину всего 12 футов, и в нем не было бечевника. Мужчины и женщины, которые толкали маленькие баржи через тоннель, делали это, перебирая ногами, упираясь в свод. Шестьдесят лет спустя Томас Телфорд за три года построил параллельный тоннель, в котором был бечевник, но только для людской тягловой силы.

В последнее десятилетие XVIII века, вместе с приходом в промышленность пара, в Британии началась настоящая мания строительства каналов. Это новое средство транспортировки резко снижало затраты на перевозку и существенно ускоряло рост таких промышленных центров, как Манчестер, Бирмингем и Лидс, у которых вскоре появилась связь по воде с Ливерпулем, Гуллем, Бристолем и Лондоном. Развитие на континенте шло медленнее, и причиной тому, по-видимому, были беспорядки, вызванные революцией во Франции и последующими Наполеоновскими войнами. К 1808 году, однако, Томас Телфорд (1757–1834), самый прославленный из британских инженеров, уже проектировал канал Гёта в Швеции. Этот проект намечался уже давно. Канал имеет внушительные размеры, большие шлюзы и длину 120 миль – больше, чем любой другой канал Британии. Он по праву занимает место среди выдающихся инженерных достижений до появления железных дорог.

В Нидерландах систему каналов, о которой говорилось в главе 6, дополнил Северо-Голландский судоходный канал (он же канал Северного моря), построенный в 1825 году. Он дал Амстердаму значительно лучший доступ к Северному морю. В том же году после визита в Англию и Шотландию Шарль Дюпен попытался побудить своих знакомых богатых французов к действию. Но только в 1835 году французские инженеры начали строительство канала, соединившего Марну и Рейн. Он был завершен несколькими годами позже, прошел через Нанси и Страсбург, пересек два водораздела, имел 177 шлюзов и 5 миль тоннелей.

Первым построенным в Америке каналом стал канал Санти, который дал Чарльстону через реку Санти водный путь в Колумбию, новую внутреннюю столицу Южной Каролины. Он был спроектирован в 1786 году и построен частной корпорацией за 750 000 долларов. Канал имел ширину 35 футов по поверхности, глубину 4 фута и длину 22 мили. На нем было 13 шлюзов из камня и кирпича с деревянными воротами. Основной объем работ выполнили рабы, треть из которых составляли женщины. Канал был открыт для судоходства в 1800 году, но еще 7 лет достраивался. Из-за нехватки воды в верхней части канала 5-мильный участок нередко пересыхал, однако канал продолжал использоваться до появления в 1850 году железной дороги. Строительством каналов занималась Потомакская компания Джорджа Вашингтона. Канал был спроектирован в 1785 году и впоследствии вошел в систему каналов Чесапика и Огайо. Желая исполнить великую мечту Джорджа Вашингтона, грезившего об империи за Аппалачами, инженеры построили акведук из девяти арок через Потомак в Джорджтауне и проложили тоннель длиной ⅗ мили через хребет за Кумберлендом, Мериленд. Наконец, потратив 15 миллионов долларов, канал Чесапик и Огайо в 1850 году был открыт до Кумберленда. Его длина составила 184 мили. Но он так никогда и не был доведен до Огайо и добрался только до начала национальной дороги. Движение по нему было совершенно неадекватным для таких огромных вложений. Железная дорога Балтимор – Огайо обрекла все предприятие на провал.

Энтузиасты канала Мидлсекс в восточном Массачусетсе планировали облегчить торговлю с Канадой. Он должен был пройти от Бостона до Челмсфорда, что на реке Мерримак, а потом на север через озеро Сунапи в Нью-Гэмпшире и верховья Коннектикута. Ближайшей целью была доставка дров, древесины и другой продукции Нью-Гэмпшира на бостонский рынок. Поскольку первая оценка относительной высоты рек Мистик и Мерримак оказалась неверной, директора компании призвали на помощь английского инженера Уильяма Уэстона (1753–1833), который тогда жил в Филадельфии. Работы начались в 1794 году и закончились в 1803 году. Расходы на строительство составили 600 000 долларов. Неквалифицированный труд стоил 8—10 долларов в месяц. Ширина канала на поверхности составляла 30 футов, глубина 4 фута. Было построено 7 деревянных акведуков над встретившимися реками и 20 каменных шлюзов длиной 90 футов и шириной 12 футов, три из них на шестимильном участке на северном конце канала, спускавшемся на 28 футов к реке Мерримак. В некоторых местах глубина составляла 20 футов. Баржи тянули две лошади со скоростью 3 мили в час. Они проходили всю длину канала за 12 часов. В своем докладе об американских дорогах и каналах в 1808 году Галатин обратил внимание на плот из древесины длиной 1 милю и весом 800 тонн, который протащили по участкам между шлюзами канала Мидлсекс два быка со скоростью 1 миля в час.

Постоянно требовались усовершенствования и ремонтные работы, а движение по каналу было недостаточное, чтобы заплатить за них, да еще и обеспечить дивиденды. Так продолжалось до 1819 года. Тогда основание текстильной промышленности в городе Лоуэлл, что в головной части канала у водопада Мерримак, привлекло грузы, которые ранее не ожидались, и принесло некоторую степень процветания. Однако хорошие времена для канала Мидлсекс оказались недолгими, и он не выдержал конкуренции с двумя железными дорогами между Бостоном и Лоуэллом. К 1846 году его практически перестали использовать. После этого какое-то время велись разговоры о возможности использования отдельных его частей для доставки воды в город Бостон. Но эта городская проблема была решена другими средствами. Сегодня даже следы его в Массачусетсе найти трудно.

Заслуживает упоминания другой канал в Массачусетсе, хотя его длина составляла всего две мили. Почти на всем протяжении он проходит через тоннель в горе, проложенный, чтобы обойти 50-футовый водопад на реке Коннектикут в районе Саут-Хэдли и Холиока. На этом маленьком канале шесть шлюзов, заменивших более раннюю наклонную плоскость. В 1805 году строители канала рассчитывали, что он поможет расчистить водный путь для путешествия от водораздела в Хартфорде, Коннектикут, до канадской границы. В проекте приняли участие голландские банкиры и понесли убытки. Попытки сделать реку Коннектикут судоходной для пароходов оказались тщетными. Река была совершенно ненадежной. Она часто мелела настолько, что путешественникам приходилось большую часть пути проделывать пешком по берегу, пока пароход пытался пройти по воде. В 1847 году канал Саут-Хэдли был принят энергетической компанией, которой Холиок обязан своим существованием как промышленный центр.

Канал Морриса был построен через холмы Нью-Джерси, чтобы соединить реку Делавэр с гаванью Нью-Йорка. Как предложил Галатин в 1808 году, такой канал обеспечивал защищенный путь для прибрежной торговли, которой приходилось огибать Кейп-Мэй в открытом море. Что касается местных перевозок, по нему везли антрацит из Пенсильвании, в районе Истона, к железным рудникам и печам севера Нью-Джерси. В то время как инженеры в других местах в основном использовали шлюзы, те, кто имел дело с холмистой территорией Нью-Джерси и Пенсильвании, предпочитали наклонные плоскости (рис. 8.4). Они веками использовались на Великом канале в Китае при подъеме в несколько футов. Несколько наклонных плоскостей были установлены в 1792 году, чтобы поднять 20-футовые баржи на Шропширском канале, что на западе Англии.

Рис. 8.4. Лодка канала Морриса на спуске

Озеро Хопатконг в Нью-Джерси было увеличено, чтобы дать воду для канала, проложенного поперек верхней части канала Морриса, расположенной на высоте 915 футов над уровнем моря. Чтобы преодолеть такую высоту, инженеры Джеймс Ренвик (1790–1863) и Джвид Бейтс Дуглас (1790–1849) использовали 23 обычных шлюза и 23 наклонные плоскости, или лодочные железные дороги с колеей 12½ фута, вдоль 100-мильного маршрута. Каждая плоскость поднималась в среднем на 63 фута на участках длиной от 500 до 1500 футов. Сначала использовались цепи, позже железные тросы. Проходя по каналу, баржа поднималась вертикально на 2134 фута. Энергию для ее подъема обеспечивали чугунные водяные колеса, вырабатывавшие в целом 704 лошадиные силы. Эти «шотландские турбины» действовали по принципу реакции от напора воды, впускаемой снизу, так что направленное вверх давление уравновешивало вес колеса, оси и передаточных механизмов и уменьшало трение в подшипниках. Энтузиасты называли канал Морриса, движение по которому было открыто в 1831 году, самым «крутым» из всех существующих. Несмотря на финансовые проблемы, изрядно обеспокоившие голландских инвесторов, он лучше выдержал конкуренцию с железными дорогами, чем большинство других каналов. Только 75 лет спустя он практически перестал использоваться. Теперь он стал принадлежностью истории. Одно турбинное колесо сохранили для наглядной демонстрации инженерного искусства прошлого века. При испытании под высотой столба воды 47 футов, лучшая скорость колеса была 87 оборотов в минуту, расчетная эффективность – 60 процентов.

В 1690 году Уильям Пенн предложил построить канал между рекой Скулкилл в Пенсильвании и рекой Саскуэханна на северо-востоке США. Он утверждал, что связь по суше уже практически налажена и ее нетрудно будет организовать также по воде. Но только в 1772 году Дэвид Риттенхаус произвел некоторые топографические измерения для будущего канала. В 1793 году Уильям Уэстон руководил начальными работами по строительству канала. Они были остановлены, поскольку компании не хватило средств. В 1821 году американский инженер Лаомми Болдуин (1790–1838) начал работы в Пенсильвании. Болдуин, получивший юридическое образование в Гарварде, учился инженерному делу на строительстве канала Мидлсекс, возможно, при Уильяме Уэстоне. Он подал в отставку через три года, потому что директора не одобрили более крупные шлюзы и большие глубины, которые он считал необходимым. Позже оказалось, что он был прав. За работу взялся Канвас Уайт, строивший канал Эри, но ему пришлось через год уйти из-за болезни. По Юнион-каналу, как предполагалось изначально, должны были перевозиться сельскохозяйственные грузы из внутренних территорий страны в Филадельфию, чтобы они не уходили вниз по Саскуэханне в Балтимор. Существовала также надежда, что он привлечет продукцию из центральной части штата Нью-Йорк в Филадельфию. В 1830-х годах можно было проделать три четверти пути из Филадельфии в Питтсбург по государственному Пенсильванскому каналу. Оставив конечную железнодорожную станцию в Колумбии, канал шел по долинам рек Саскуэханна и Джуниата к Холлидейсбергу, что на восточном склоне Аллеганских гор. Его протяженность – 172 мили. Здесь пассажиры и грузы, направлявшиеся в Питтсбург, должны были перебраться через горы в Джонстаун, что в долине реки Конемо. Это 36-мильное путешествие проходило по уникальной железной дороге Аллегейни, о которой мы подробнее поговорим чуть позже. Из Джонстауна западная ветвь канала шла вдоль долин Конемо, Кискиминетас и Аллегейни до Огайо в Питтсбурге. Протяженность – 104 мили.

Из всех новых систем транспортировки, появившихся в США после войны 1812 года, канал Эри, построенный штатом Нью-Йорк в 1817–1825 годах, наиболее удачно совмещал инженерное искусство и географические факторы, давая максимальную экономическую эффективность. Он имел большее влияние на развитие нации, чем любой другой маршрут до железных дорог, и даже составил им достойную конкуренцию. Его преемник, баржевый канал штата Нью-Йорк, который строился с 1903 по 1925 год, до сих пор перевозит нефть, зерно и разные навалочные грузы. Если не замерзает, конечно.

Концепция канала Эри была удивительно смелой, даже дерзкой по своему размаху, и ее реализация стала воистину выдающимся событием. Сама постройка была не самой трудной. (Китайцы многими веками раньше построили 1000-мильный канал.) Природа оказалась достаточно благосклонной к строителям на всем его протяжении от Олбани, что на реке Гудзон, до Черной скалы на озере Эри. Всего – 363 мили. Имелся подъем на 420 футов от Гудзона до Юрики, а самое большое возвышение над уровнем моря, в районе Буффало, было меньше 600 футов. Некоторые проблемы были связаны с болотами Кайюга. Тогда многие рабочие заболели малярией и дизентерией. Акведук из красного песчаника и цемента был построен через реку Дженеси в Рочестере. Акведук имел 12 опор и 11 арок, в основном с пролетом 50 футов. Существовали и другие акведуки весьма впечатляющих размеров через реку Мохок, один – в районе порогов с пролетом 70 футов. Насыпь, по которой канал на протяжении мили проходит через долину Ирондекоит, пересекает три хребта, самый большой из которых имеет высоту 76 футов. За Локпортом располагалась глубокая впадина, где была построена серия из пяти двойных шлюзов (рис. 8.5), но по большей части рельеф оставался ровным и не представлял особых препятствий для строителей. Не было высоких хребтов, а значит, и необходимости в прокладке тоннелей. Зато имелось много небольших рек и озер, а значит, достаточно воды.

Рис. 8.5. Шлюзы канала Эри в Локпорте

При строительстве канала Эри имели место некоторые инновации. Плуги, корнерезки и волокуши, которые тянули лошади или волы, использовались для тех типов работ, которые в Британии все еще выполняли люди с лопатами и тачками. Там использовали весьма хитроумный корчеватель пней на 16-футовых колесах, в котором древний принцип рычага и колесо совмещались настолько успешно, что одна упряжка и семь рабочих могли корчевать от 30 до 40 пней в день. Да и вообще организация строительства была на высоте. Операции на трех участках Эри и канале Шампдейн велись одновременно. По политическим и практическим соображениям они считались частью одной задачи. Канвас Уайт (1790–1834), помогавший Бенджамину Райту (1770–1842) в начальных топографических работах, в 1817 году совершил большое путешествие по Британии, осматривая каналы и шлюзы, изучая цементы и геодезические инструменты. Первый гидравлический цемент для канала Эри пришлось импортировать за большие деньги из Британии. Уайт активно исследовал окрестности. Довольно скоро он обнаружил подходящий известняк в округе Мэдисон, в районе Читтенанго, из которого создал первый американский гидравлический цемент, и получил на него патент в 1820 году.

Возможно, ни один из американских инженеров, работавших на канале Эри, никогда раньше не видел, как роют канал. Некоторые из них ознакомились с британской практикой, как Уайт, или изучили канал Мидлсекс в Массачусетсе. С Эри они шли на строительство новых каналов или начинали заниматься другим делом, в целом похожим, – строили железные дороги. Их достижения на канале Эри, пусть и, безусловно, достойные упоминания, не следует переоценивать. Факт остается фактом: инженерия канала Эри не была ни слишком трудной, ни тем более уникальной.

Первый грунт канала Эри был вынут у озера Онейда 4 июля 1817 года. Шлюзы были построены на западном участке в Локпорте, так чтобы баржи могли проходить в озеро Эри и обратно, 26 октября 1825 года. А еще имела место показательная поездка по штату. На борту небольшого судна Seneca Chief губернатора Клинтона с восторгом встречали в Рочестере, Сиракузах, Риме, Ютике, Скенектади. Правда, местные чувства были разными. К примеру, в Скенектади один журналист сравнил событие с похоронами. Новость о прибытии губернатора летела далеко впереди него. Вероятно, и в те времена существовали способы быстрой передачи информации. В Олбани пароход Chancellor Livingston взял Seneca Chief на буксир для перехода по Гудзону в гавань Нью-Йорка. Там 4 ноября 1825 года губернатор вылил в океан бочонок воды, доставленный им из озера Эри. Сколько еще бочонков совершили подобное путешествие из Огайо на Манхэттен, история умалчивает.

Инициатива штата Нью-Йорк «приблизила» западные округа и ускорила миграцию в северную часть Огайо, Иллинойс, Мичиган и Индиану. В 1816 году Рочестер был деревней, в которой жил 331 человек. В 1825 году население увеличилось до 8000 человек, и город стал мукомольным центром США. Буффало, раньше бывший торговой факторией, быстро развивался, становясь центром судоходства, металлургии и др. 40 000 человек проследовало через Ютику по каналу еще до конца первого года его существования. До завершения его постройки плата за перевозку помогла возместить штату Нью-Йорк первоначальные затраты в размере 14 869 долларов на милю.

Влияние канала Эри на транспортировку с запада на восток оказалось еще более выраженным. Жители Огайо тоже думали о каналах и прорывали их на переправах волоком от озера Эри до реки Огайо, таким образом продолжая канал Эри вглубь долины Миссисипи, чтобы везти на восток зерно, а позднее и хлопок, который раньше транспортировали вниз по реке на рынки Нового Орлеана. Появился и стал быстро развиваться как промышленный и перевалочный центр город Кливленд, штат Огайо. Озерные суда доходили до западного конечного пункта канала Эри – в Буффало. Они привозили грузы из Детройта, Макино и других пунктов, даже из Чикаго. Традиционные западные отрасли промышленности, такие как производство пиломатериалов, поташа, свинины, виски и муки, в первую очередь стимулировались каналом Эри. Благодаря хорошим почвам и благоприятным условиям для выращивания эти отрасли вырвались вперед по сравнению с аналогичными предприятиями востока. Рочестер, штат Нью-Йорк, не мог рассчитывать долго удерживать позиции мукомольного центра Соединенных Штатов. Какое-то время по каналу везли бурый железняк для металлургов долины верховья Гудзона. Но большие металлургические предприятия довольно скоро выросли вместе с поселениями – за Аппалачами, ближе к источникам сырья и топлива. Канал Эри не играл большой роли в качестве перевозчика руды с западных рудников на восточные мельницы. Он был эффективным катализатором ускорения развития сообществ на Среднем Западе, впоследствии стимулировав металлургию в регионе Огайо и Великих озер.

Церемония, проведенная в 1825 году в районе Сэнди-Хук, ознаменовала утверждение города Нью-Йорка, а не Филадельфии или Бостона в качестве столицы Соединенных Штатов и самого крупного североамериканского порта. Она также подчеркнула экономический и политический союз старых северо-западных территорий с Новой Англией и центральными штатами Атлантического побережья. Потом появились железные дороги, ускорившие северную экспансию за счет южного господства на западе. Один из более поздних американских каналов, Фармингтон, заслуживает отдельного упоминания, потому что он был специально превращен в железную дорогу. Он протянулся на север из Нью-Хейвена, Коннектикут, и был задуман своими создателями как звено на водном пути, которое соединит пролив Лонг-Айленд с рекой Святого Лаврентия. Он был спроектирован в 1822 году и получил частное финансирование. Для этого был организован банк в Нью-Хейвене. Сооружение 56-мильного канала началось в 1825 году и продолжалось три года под руководством инженеров, имевших опыт строительства канала Эри. Потом он был продлен до Норгемптона, Массачусетс, что на реке Коннектикут. В сравнении с каналом Эри, который был завершен, как раз когда начиналось строительство канала Фармингтон, последний был незначительным проектом. Тем не менее он обеспечил удобный и комфортный транспорт для нескольких старых городов. Он также обслуживал много небольших, типичных для Новой Англии мануфактур, которые до его появления не имели возможности расширяться из-за трудностей с перевозкой своей продукции по диким дорогам. Баржи, передвигавшиеся по каналу, тянули лошади. Самая крупная баржа вмещала 25 тонн. Баржи и лошади были частными. Их владельцы платили сбор канальной компании, которая с большим или меньшим успехом работала около 20 лет. В это время была построена Нью-Хейвенская железная дорога – параллельно каналу, в нескольких милях к востоку. В 1847 году было предложено построить железную дорогу вдоль бечевника канала, чтобы канал и железная дорога работали одновременно. Какое-то время материалы для постройки железной дороги везли по каналу, но в конце 1840-х годов он был заброшен, а железная дорога, хоть и построенная рядом с ним, проходила вдоль бечевника только на некоторых участках. Дорога была создана финансистами и инженерами, тесно связанными с канальной компанией. Это один из немногочисленных примеров в истории, когда канал не исчез, а по доброй воле подчинился метаморфозе.

Каменные мосты

Старые вещи нередко становятся совершенными, когда появляются новые устройства, предназначенные для их замены. Когда канал Эри был открыт, техника строительства каменных мостов достигла финальной стадии развития, прежде чем железная дорога привнесла радикальные изменения в дизайн и конструкцию. Камень всегда считался наилучшим материалом для мостов, а арки были их неотъемлемой чертой с римских времен. Камень до сих пор может считаться идеальным материалом для мостов, если не принимать во внимание расходы времени, сил и средств. Пока еще не обнаружен материал, который лучше выдерживал бы перепады температур, противостоял коррозии и разрушению. Инженерам еще предстоит установить предел, выше которого не стоит поднимать каменные арки на фундаментах, уходящих глубоко в землю. Самая длинная известная каменная арка имеет размер 295 футов. Она построена в Плауэне, Германия. Существуют места, такие как Ниагарское ущелье, где напор воды делает трудным и непрактичным, хотя и возможным, возведение кружала, необходимого для строительства арки, пока не будут поставлены замковые камни. Но если железо, дерево или бетон заменяли камень, то не потому, что из них мосты получаются лучше, а потому, что с ними легче работать и они, как правило, дешевле. В наше время строители мостов не имеют ни безграничных трудовых ресурсов, как, скажем, строители пирамид, ни безграничных средств.

Рис. 8.6. Мост Согласия сразу после завершения строительства

Прославленный французский инженер Жан Родольф Перроне (1708–1794) в конце XVIII века довел каменные мосты до истинного совершенства. Римские строители поднимали свои мосты на сказочные высоты. Строители Средневековья и Ренессанса добавляли разнообразия и красоты. Однако в низких постройках всех трех периодов опоры коротких пролетов мешали свободному течению воды, преграждая 65 процентов течения, как под римским мостом 14 года в Римини, и 50 процентов – под Новым мостом 1607 года в Париже. Перроне понимал, что промежуточные столбы способны будут поддерживать собственный вес арок и соответствующих надстроек, если он сумеет уравновесить горизонтальные давления смежных арок друг на друга между береговыми устоями.

Используя твердый камень, чтобы выдерживал сжатие его необычайно плоских арок, Перроне в 1787 году сделал опоры моста Согласия в Париже (рис. 8.6) такими тонкими и так далеко отстоящими друг от друга, что снизил преграду потоку между ними до 35 процентов. Настил моста был ровным между стенками набережных. Арки поднимались всего на 13 футов над 102-футовыми пролетами. Продольные усилия, соответственно, были очень велики, но они балансировались и поддерживались в равновесии на каждой из центральных опор, чтобы сохранить равновесие, вся конструкция строилась как единое целое. Кружала невозможно было убрать, пока все арки не были построены, и осевое давление сдерживалось береговыми устоями. Иными словами, он применил метод одновременного раскружаливания всех пяти арок. Многие авторы утверждают, что достижения Перроне тем более великолепны, поскольку он не имел возможности рассчитать давления в арках. Трудно поверить, что человек, занимающий пост главы инженерного корпуса, создатель школы мостов и дорог, не знал и не использовал в работе труды своего великого предшественника Пьера Вариньона, развившего понятие «параллелограмм сил» из работ Стевина. В любом случае мост Согласия до сих пор стоит и самим фактом своего существования доказывает, что, если Перроне и не рассчитывал усилия в арках, он, безусловно, знал, как с ними обращаться.

Не только традиции мостостроения достигли высшей точки, прежде чем начались перемены, когда Перроне, уже восьмидесятилетний старик, наблюдал, как его помощник доводит его шедевр до совершенства. История Франции подошла к кризису. Начатый в 1787 году мост должен был носить имя великого Перроне. Но еще до того, как его постройка была завершена, все изменилось. В 1789 году была взята Бастилия. В 1793 году Людовик проехал по улицам Парижа на гильотину, установленную на площади Согласия. В следующем году умер Перроне. Еще до конца века Наполеон Бонапарт стал во главе Французской революции и существенно расширил ее цели, пожелав властвовать в Европе. Наполеон ликвидировал господство британцев в Египте и на Ближнем Востоке, открыл путь в Индию и на Восток для французов и, если бы ему улыбнулась удача, восстановил бы французскую империю в Северной Америке за Миссисипи. Но удача от него отвернулась. И не французы, а американцы строили мосты через Миссисипи и прокладывали железные дороги через Скалистые горы на Дальний Запад.

Мосты с фермами

Тем временем строители мостов из дерева снова медленно приближались к принципам, которые Палладио установил еще в 1570 году. Французские инженеры строили деревянные арки, скрепленные множеством стоек и опор, идущих в разных направлениях. При этом они не вполне понимали принципы использования треугольников. Германские плотники тоже строили мосты с фермами, имевшие относительно короткие пролеты. Швейцарская церковь и мостостроители развили комбинацию деревянных арок и несимметричных распорок в еще большей степени. Конструкция, которую Иоганн и Ганс Ульрих Грубенман построили в Беттингене, что недалеко от Цюриха, в 1764 году, имела пролет 200 футов. Возможно, их работам было бы придано большее значение, если бы их мосты не были уничтожены наполеоновской армией в 1799 году.

Эксперты, как правило, обходят вниманием Грубенманов, считая их менее способными мостостроителями, чем американцы несколькими годами позже, которые находились далеко за морем и, значит, за пределами европейского влияния. Однако отнюдь не все мостостроители Америки стали таковыми благодаря местной изобретательности и опыту, как плотники и кораблестроители Нового Света. Енох Хейл, Тимоти Палмер и Теодор Берр, возможно, действительно работали, не зная европейских форм и практик, однако один из самых знающих американцев того времени Льюис Бернваг в 1786 году приехал из Германии. Ему тогда было семнадцать лет. Енох Хейл (1733–1813) в 1785 году построил через реку Коннектикут первый в этой стране деревянный мост с длинными пролетами. Две его фермы, каждая длиной 174 фута, поднятые на 50 футов над потоком, опирались на рамную деревянную опору, установленную на острове. Они были хорошо закреплены на концах тяжелыми наклонными стойками. Из записей неясно, но не исключено, что пролеты были арочными или коробовыми. При должном ремонте и техническом обслуживании мост простоял полвека.

Б 1805 году Тимоти Палмер (1751–1821) заменил дощатый мост на плавучих бревнах, который много лет служил переправой через реку Скулкилл в Филадельфии. Его «постоянный мост» (рис. 8.7), по которому проходила Ланкастерская дорога, прослужил 50 лет, прежде чем подвергся перестройке. Б нем было три пролета, центральный достигал 190 футов, боковые – по 150 футов. Западная опора моста примечательна тем, что опиралась на коренную породу, уходя на 42 фута под речное дно. Его перемычку проектировал английский инженер Уильям Уэстон, приехавший в Америку в 1793 году для строительства каналов. Мост простоял еще двадцать лет после модернизации и в 1875 году был уничтожен огнем.

Рис. 8.7. Постоянный мост через Скулкилл

Теодор Берр (1771–1822) строил деревянные мосты с арочными фермами через Гудзон в Уотерфорде, через Делавэр в Трентоне и через Мохок в Скенектади. В 1815 году он осмелился пересечь главный канал Саскуэханны, к юго-западу от Ланкастера, деревянной 360-футовой аркой в том месте, где быстрая река имеет глубину 100 футов и поднимается во время весеннего таяния снегов. Он строил свою арку вертикальными секциями на поплавках вдоль берега на четверть мили ниже опоры. По его утверждению, работы сопровождались ужасными штормами и бурями, наводнениями, водоворотами и прочими неприятностями. Его людям нередко приходилось посреди ночи менять крепления, выбирать или ослаблять канаты из-за сильного ветра, но тем не менее они завершили постройку секций и, когда река замерзла, были готовы отбуксировать их по льду и поставить в вертикальное положение.

Лед не был сплоченным. Это были плавучие куски толщиной от четверти дюйма до двух дюймов. Ледяной покров формировался выше по течению, разбивался о скалы, куски льда скапливались в заужениях на месте строительства моста и погружались под воду, создавая слой высотой 60–80 футов. Берр мог воткнуть в эту ледяную кашу шест на глубину 60 футов, используя только силу рук. По этому ненадежному полу, который поднимался и опускался на пару футов в день и незаметно, но постоянно двигался вниз по течению, Берр передвинул части арки с помощью кабестанов, поставил их на опоры, установил ключи, и 1 февраля 1815 года работы были завершены. Берр был очень доволен и своей работой, и квалификацией рабочих из Ланкастера и Йорка, и, вероятно, их везением. За все время весьма опасных работ пострадал только один человек. Он упал с высоты 54 фута, дважды ударился о канаты и рухнул в воду, но уже через несколько дней вернулся к работе. Мост через Саскуэханну был разрушен льдом два года спустя. Его не восстанавливали.

Рис. 8.8. Консольный мост в Бандипуре, Индия, 1660 г.

На долю Льюиса Вернвага (1769–1843) выпало не так много трудностей. Возможно, он просто избегал столь сложных площадок и непредсказуемой погоды, испытывавшей людей на прочность. Его конструкции тем не менее продвинули науку мостостроения далеко вперед. Именно он соорудил первый, по крайней мере на Западе, современный консольный мост. Есть свидетельства, что восточные строители использовали консоли раньше. На это указывает мост 1660 года в Индии – в Бандипуре (рис. 8.8), хотя он больше похож на деревянный настил, поддерживаемый кронштейном, чем на консольный мост, для которого характерен сбалансированный учет всех нагрузок. Деревянные консольные мосты Вернвага, построенные в районе Филадельфии в 1810 году, имели пролет между опорами больше 50 футов. Сам строитель утверждал, что может увеличить консоли до 160 футов. Используя фермы, Вернваг предвосхитил точность, которую обычно приписывают Итиелу Тауну, Сквайру Уипплу и другим американцам, пришедшим после него. Его Колосс в Филадельфии, завершенный в 1812 году, – арочный мост с фермами, имеющий пролет 340 футов. Возможно, это самый длинный пролет из всех мостов, когда-либо построенных из дерева или камня. Вернваг мастерски скомпоновал пять параллельных поясов арки, которые скрепил в продольном и поперечном направлениях, и в каждой панели использовал металлические стержни, чтобы стыки можно было уплотнить, если они станут слишком свободными. Он скрепил деревянные детали железными болтами и стяжками, так чтобы любую деталь можно было при необходимости заменить без опасности для всей конструкции. Арка поднималась на 20 футов, а дорога – только на половину этой величины. Вернваг считается создателем этого типа мостов. Колосс, как и большинство деревянных мостов, имел покрытие для защиты от погодных условий.

Третий мост Вернвага, имевший особенное значение, был построен в 1814 году в округе Нью-Хоуп, Пенсильвания, через реку Делавэр. Инновация здесь заключалась в связи балок пола с металлическими плитами, на которые опирается арка, чтобы предохранить арку от сдвига. Вертикальные деревянные стойки с металлическими стержнями по диагонали являлись другой разновидностью ферм, которые вскоре начали использоваться. За следующие тридцать лет Льюис Вернваг построил около тридцати мостов для автомобильных и железных дорог в Пенсильвании, Мериленде, Вирджинии, Огайо, Кентукки и Индиане и внес большой вклад в другие области инженерии. К примеру, он усовершенствовал способ термообработки антрацита. Почему Вернваг не приобрел самую широкую известность, сказать трудно. Возможно, как и многие представители его профессии, он не любил выставлять себя напоказ и не занимался саморекламой. Хотя, возможно, причина в том, что его бумаги были утрачены во время наводнения 1870 года в долине Шенандоа, где он жил последние годы.

Палладио в 1570 году обозначил путь, построив первый известный фермовый мост. Итиел Таун (1784–1844) из Нью-Хейвена, Коннектикут, совсем отказался от арок и в 1820 году запатентовал мост с фермами одинаковой глубины (рис. 8.9). Он был сделан из деревянных досок, скрещивающихся с образованием ромбов, скрепленных деревянными штифтами. Вертикальные детали располагались только в концах моста. Решетчатые фермы Тауна были популярны на магистралях и первых железных дорогах этой страны.

Рис. 8.9. Типичный мост с фермами Итиела Тауна

Дизайн был прост, материалы легко доступны – деревья росли вдоль дороги, а сам процесс строительства доступен любому хорошему плотнику. Итиел Таун был не только инженером, но и бизнесменом и заработал состояние на «авторских отчислениях», составлявших 1–2 доллара за фут каждого моста этого типа, построенного другими инженерами. Самый известный из этих мостов длиной 2900 футов, опирающийся на 18 опор, прошел над рекой Джеймс в Ричмонде, штат Вирджиния. Его уничтожили конфедераты, покидая город в 1863 году.

Когда Таун вновь открыл путь, предложенный Палладио, появилось много разных типов ферм (рис. 8.10). Один из них, придуманный в 1840 году Уильямом Хоуи (1803–1852) из Спенсера, Массачусетс, был впервые использован на Западной железной дороге, позже ставшей частью дороги Бостон – Олбани. Это композитная ферма. Вертикальные стойки из кованого железа, а диагонали деревянные. Концевые стойки тоже, как правило, деревянные. Такие фермы использовались на ранних американских железных дорогах. Спустя четыре года появилась еще одна ферма. Ее придумали отец и сын – Калеб Пратт и Томас Уиллис Пратт.

Рис. 8.10. Типичные ранние американские мосты с фермами: а – один из мостов Палладио, 1570; б – мост Тауна, 1820; в – мост Хоуи, 1840; г – мост Пратта, 1844; д – мост Уиппла, 1847

В их ферме диагонали опускаются в противоположном направлении в сравнении с фермой Хоуи, так что большинство вертикалей фермы Праттов, независимо от материала, из которого они изготовлены, находятся под сжатием. Концевые стойки, как правило, наклонные. Ферма Пратта используется до сих пор.

Первый значимый железный мост в истории был построен Абрахамом Дарби (1750–1791) и Джоном Уилкинсоном (1728–1808) в 1779 году взамен парома через реку Северн в Коулбрукдейле в центральной части Англии (рис. 8.11). Они спроектировали полукруглую арку из пяти параллельных чугунных поясов и 100-футовый пролет с перекрестной связью для поддержки ровной магистрали шириной 14 футов, расположенной в 55 футах над водой. Каждое ребро отливалось по половинам длиной 70 футов и весом 38 тонн. Их привезли из соседнего литейного цеха на баржах, поставили на место с использованием системы блоков и соединили в середине чугунными болтами. Впоследствии береговые опоры слегка наклонились вперед и приподняли арку в центральной части, но это ни в коем случае не повлияло на ее прочность. Мост стоит по сегодняшний день, как памятник искусству строителей и эффективности железа.

Рис. 8.11. Первый в мире чугунный мост в Коулбрукдейле

Чугунные арки стали появляться в Германии, Франции, Англии, а позднее и в Америке. Хотя все они были не такого масштаба, как у Дарби и Уилкинсона. Довольно легко имитировать каменную конструкцию, используя железо, и соединять «клинчатые камни» болтами. Томас Телфорд построил несколько таких мостов. Первый, датированный 1796 годом, простоял 110 лет. Строитель в 1801 году начал вынашивать план 600-футовой чугунной арки через Темзу. Парламент долго размышлял и консультировался с авторитетами, но мост так и не был построен. В 1819 году Джон Ренни возвел мост Сауоуорк через Темзу. Он оказался весьма впечатляющим: с 240-футовым пролетом и огромным расходом металла.

Инженеры учились избегать чугуна для деталей под напряжением. В 1801 году в Манчестере была построена семиэтажная хлопкоткацкая фабрика, ее полы опирались на кирпичные арки, установленные на перевернутые Т-образные чугунные балки, а те, в свою очередь, поддерживали чугунные колонны. Болтон и Уатта создали эту конструкцию как первое современное пожаробезопасное здание. Другие последовали тем же путем, но, несмотря на усовершенствованные балки, полы в таких зданиях часто рушились, и гибли люди. Джозеф Пэкстон постарался учесть весь предшествующий опыт и в 1851 году создал знаменитый Хрустальный дворец, британское чудо XIX века (рис. 8.12). Его каркас был собран из чугуна, железа и дерева, но чугун использовался только для тех деталей, которые работали на сжатие. За стеклянными стенами и под стеклянной крышей было 20 акров выставочных площадей (дворец строили к Всемирной выставке 1851 г.). При его строительстве использовали самые крупные стандартные листы стекла, изготовляемые в то время, – длиной 4 фута. Людей удивило то, что огромное здание оказалось собрано из небольших предварительно изготовленных частей и его можно было без особого труда разобрать. Работа была выполнена за шесть месяцев. Современники считали комбинацию железа и стекла революцией в архитектуре. Но аналогичные здания из тех же материалов в это же время начали появляться в Америке. Хрустальный дворец в 1854 году был перенесен из Гайд-парка в Лондон и там стоял, пока в 1936 году не был уничтожен огнем.

К 1841 году житель Массачусетса запатентовал фермовый мост с чугунными верхними хордами, которые были всегда под сжатием, но с коваными нижними хордами и другими деталями. Только не за этот мост и не за собственную особенную ферму Сквайр Уайт (1804–1888) заслужил славу, а за нестандартное мышление. Еще мальчиком он внимательно наблюдал за постройкой канала Эри. Позже он учился в Юнион-колледже и окончил его в 1830 году в возрасте 26 лет. Он работал в поле, строил мосты, выполнял геодезические работы для железнодорожных компаний и, как Смитон и Уайт, изготавливал инструменты. В 1847 году в возрасте 43 лет Сквайр Уайт опубликовал свой очерк Essay on Bridge Building. В нем он показал, как можно вычислить растягивающее напряжение или напряжение сжатия в каждой части фермы, которая должна выдержать определенную нагрузку. Понимал Уайт это или нет, но он на практике применил знания, которые французский математик уже развил на основании трудов Стевина и Верингтона.

Рис. 8.12. Интерьер трансепта Хрустального дворца. Лондон, 1851 г.

Достижение Сквайра Уайте, возможно, вовсе не зависело от прошлой учебы во Франции, равно как и от современного мышления в Британии и Америке. Его слава не стала эксклюзивной. В то же самое время американец германского происхождения, живший в Пенсильвании, уже придавал форму собственным мыслям о мостах. Герман Гаупт (1817–1905) учился инженерному делу в традициях французов Сганзена и Крозе в Уэст-Пойнте. После окончания обучения в 1835 году Гаупт провел три месяца в армии, но подал в отставку, чтобы стать помощником инженера на Норристаунской железной дороге. В 1840 году он начал изучать мосты. К 1845 году уже был профессором инженерного дела в Пенсильванском – ныне Геттисбергском – колледже. В 1851 году Гаупт опубликовал свой труд General Theory of Bridge Construction, заявив в предисловии, что не видел и не слышал о какой-либо другой работе по этому предмету. Тем временем в 1851 году Роберт Г. Боу, инженер из Эдинбурга, также, очевидно, не знавший о работе Уиппла, написал Treatise on Bracing. Британские исследователи Уильям Томас Дойн и Уильям Биндон Блад опубликовали в «Трудах института гражданских инженеров» за 1851–1852 годы анализ напряжений в диагоналях решетчатых ферм. Труды Уиппла, Гаупта, Боу, Дойна и Блада впервые описали рациональные методы расчета напряжений в фермах мостов. После этого при проектировании мостов ни одному инженеру больше не приходилось полагаться на свою интуицию или некие практические методы. Он мог рассчитать заранее, используя математический анализ, распределение нагрузок в разных частях конструкции, которую он собирается возвести.

Рис. 8.13. Мост Брюнеля через реку Теймар – двояковыпуклые фермы

Проектирование мостов в середине XIX века в основном ограничивалось фермами, и дерево постепенно уступало место железу. Баварец Карл Фридрих фон Вибекинг (1762–1842) строил мосты с плоскими арками из досок, соединенных болтами, настолько эффективно, что коллеги посчитали его создателем системы, однако фермы и железо все равно доминировали. Прочность на разрыв кованого железа, его сопротивление огню и другие полезные черты делали металл лучшим материалом для строительства мостов, особенно железнодорожных. Прокладывая железную дорогу Стоктон – Дарлингтон, Джордж Стефенсон в 1824 году провел эксперимент с маленьким железным мостом в Западном Окленде. Мост длиной 50 футов имел четыре линзообразных пролета в комбинации арок и подвесных форм, выпуклых и сверху, и снизу. Были вертикальные стойки, но никаких диагональных связей. В 1859 году Изамбард К. Брюнель построил уникальный мост через реку Теймар в Салташе (рис. 8.13). Он следовал тем же принципам, но его мост был намного больше и усовершенствован добавлением диагональных связей. Десятью годами позже был построен другой двояковыпуклый мост через реку Эльба в Гамбурге, Германия. Однако большинство строителей полагались на диагонали, чтобы использовать преимущество стабильности, присущее треугольникам, единственным многоугольникам, не меняющим форму под напряжением. Все проектировщики, понимали они это или нет, действовали в соответствии с принципами, которые Стевин сформулировал еще в 1586 году, дав определение «треугольнику сил».

Ранние подвесные мосты

С тех пор как человек впервые перепрыгнул на лиане через пропасть, существовали мосты без промежуточных опор. Мосты из шкур в Древнем Китае, Перу и Чили – исторический факт. В XVII веке в Европе поговаривали о подвесных мостах из железных цепей и стержней с проушинами, но до постройки дело так и не дошло. Нет свидетельств и того, что концепции Веранцио и Кирхера стали известны Джеймсу Финли (1762–1828), местному судье из Пенсильвании. Судя по всему, он использовал лишь собственное богатое воображение для формулировки идей, в результате которых мир увидел первый современный подвесной мост, где несущие конструкции разной длины поддерживают ровный пол. Этот мост Финли построил в 1801 году через Джейкобс-Крик, недалеко от Юнионстауна.

Финли писал: «Чтобы определить пропорции отдельных частей моста с пролетом 150 футов, отметьте на дощатом заборе или на стене 150 дюймов. Это будет длина моста. Проведите между отмеченными точками горизонтальную линию, представляющую нижнюю часть самого нижнего ряда балок. На этой линии отметьте места для балок, предназначенных для нижнего яруса, и восстановите перпендикуляры из каждого, а также из двух крайних точек. После этого привяжите концы прочной нити к этим двум перпендикулярам на расстоянии 23¼ дюйма над горизонтальной линией. Нить должна провисать, так чтобы под нагрузкой ее середина опустилась до горизонтальной линии. После этого закрепите одинаковые грузы на нити у каждого из перпендикуляров и отметьте, где линия пересечет каждый из них». Изучая финальный изгиб нити под нагрузкой, Джеймс Финли определял идеальное положение настила моста и нужную длину каждой несущей конструкции. Он считал, что юные математики, разумеется, могут улыбнуться, прочитав о его методе, но зрелые люди серьезно отнесутся к любой информации, полученной опытным путем. Первый мост Финли, построенный с использованием чугунных цепей и деревянных ферм, имел длину всего 70 футов, но сам инженер ни минуты не сомневался: если тщательно изучить вопрос, такие мосты могут достигать длины 1000 футов. Пролет моста Золотые Ворота на входе в бухту Сан-Франциско сегодня составляет 4200 футов. Зрелые опытные люди, безусловно, отнеслись к трудам Финли со всей серьезностью.

Рис. 8.14. Мост Финли через Потомак у Джорджтауна, 1807 г.

К тому времени, как Финли в 1808 году получил свой патент, несколько подвесных (висячих) мостов уже были построены или находились в процессе строительства. Казначей Альберт Галлатин в докладе 1808 года о дорогах и каналах Соединенных Штатов утверждал, что один мост через Потомак (рис. 8.14) заслуживает внимания из-за дерзости конструкции и сравнительной дешевизны. Далее Галлатин добавил, что новый принцип, основанный на высокой прочности железа на разрыв, по-видимому, может использоваться на многих реках умеренной ширины. Финли разъяснил свое изобретение публике в Port Follio, одном из первых американских журналов, за июнь 1810 года. Томас Поуп в следующем году раскритиковал изобретение Финли в трактате об архитектуре мостов – Treatise on Bridge Architecture. Он сравнил его с волоконным мостом, который британский капитан Сэмюел Тернер видел в Индии, и имеет те же отрицательные черты. Вся конструкция рухнет, если сломается хотя бы одно звено. Такой мост не может быть долговечным. Он отдал предпочтение консольной конструкции, которую как раз в это время начал разрабатывать Вернваг, и своей собственной конструкции – flying pendent lever, мечтая перекинуть через Гудзон.

Несмотря ни на что, критика Томаса Поупа привлекла весьма благосклонное внимание к идеям Финли. Джон Темплман завершил строительство цепного моста через реку Мерримак по проекту Финли, да и сам Финли построил еще несколько мостов. Томас Телфорд, писавший в 1814 году о предложенном подвесном мосте в районе Ливерпуля, рассуждал о возможности 1000-футового пролета. Как тут не вспомнить о статье Финли в Port Follio? Телфорд имел доступ к книге Поупа, когда делал доклад в 1818 году и начал строительство подвесного моста с ровным полом через пролив Менай в Уэльсе. Когда французы Кордье и Навье в 1820-х годах опубликовали свои рассказы о подвесных мостах, основанные по большей части на докладе Галатина и книге Поупа, именно Джеймс Финли получил признание за первое применение ровного пола в подвесных мостах.

Будучи одним из самых талантливых британских инженеров после Смитона, Томас Телфорд был достаточно разносторонним и любознательным человеком, чтобы самому найти способ установки жесткого и ровного пола на подвесные мосты. Его заслуги нисколько не умаляются, даже если он знал о том, что сделал Финли. Телфорд много работал над проблемами прочности материалов. Его проект подвесного моста в районе Ливерпуля с центральным пролетом 1000 футов и двумя боковыми по 500 футов каждый не был забракован, как его предложение 600-футовой чугунной арки для Лондона. Ливерпульский проект был остановлен прежде всего из-за отсутствия средств для финансирования столь масштабного предприятия. Мост через пролив Менай в Уэльсе (рис. 8.15), не столь масштабный, находился в пределах финансовых возможностей, хотя, по всей видимости, его бы не начали, если бы спонсоры знали, что фактически стоимость возрастет вдвое. Однако было необходимо закрыть брешь почтовой дороги Телфорда от Лондона до Холихеда, острова Англси, на пути в Дублин, Ирландия.

Рис. 8.15. Мост Телфорда через пролив Менай в Уэльсе

В 1811 году Телфорд задумал мост в виде чугунной арки. Но возводить строительные конструкции на глубоководном судоходном пути с высотой приливов до 20 футов и быстрыми течениями было непрактично, и Телфорд решил протянуть временные поддерживающие леса с обоих берегов, удерживая их на месте тросами, закрепленными на береговых башнях, где они должны были находиться, пока не будут установлены ключи арки. Такого типа временные консоли впоследствии использовал американец Джеймс Б. Идс при строительстве моста в Сент-Луисе. К тому времени, как Телфорд закончил свои эксперименты с прочностью брусьев из кованого железа, он решил отказаться от плана строительства чугунной арки и обратился к идее подвесного моста.

Рис. 8.16. Дорожное полотно моста Телфорда после столетия использования

Цепи Телфорд заменил коваными стержнями с проушинами. Они были испытаны под нагрузкой до 24 640 фунтов на квадратный дюйм, затем погружены в льняное масло, высушены и покрашены, и только после этого их отправили из кузницы к месту строительства. По одной секции повесили на каждую башню, а третья, центральная, была уложена на плот длиной 400 футов. Затем плот подняли на 102 фута над потоком с помощью канатов – их тянули 150 человек, которых стимулировали бодрой музыкой и весьма либеральными освежающими напитками, – и прикрепили болтами к крайним секциям. На эту операцию ушел час и 35 минут. Подвесной мост через Менай строился шесть с половиной лет. Он был завершен в 1826 году. Было построено две проезжие части, каждая шириной 12 футов, и в центре пешеходная дорожка шириной 4 фута (рис. 8.16). Центральный пролет имел длину 579 футов. Окончательная стоимость достигла 120 000 фунтов. Мост пострадал от сильного ветра в 1839 году. Его пришлось восстанавливать и укреплять. В 1939 году он был перестроен – весь, кроме береговых башен. Новые стержни с проушинами были сделаны из стали. Через два года после того, как Телфорд завершил строительство своего знаменитого подвесного моста через пролив Менай, внушительный шаг вперед сделал австрийский инженер, опередив своих современников. Конструкция, которую Игнац фон Митис возвел через Дунайский канал в Вене, была примечательна вовсе не своим размахом. Она была узкой, пролет составлял всего 334 фута – чуть больше половины моста через Менай. Но фон Митис сделал свои стержни с проушинами из стали из печей Штирии. Это была первая сталь, использовавшаяся в мостостроении. Автор был недоволен своим творением, но не потому, что мост был неустойчивый, тяжелый или его материал оказался хрупким. Ничего этого не было. Но он вибрировал и слишком сильно раскачивался на ветру. Спустя 30 лет его разобрали, и на его месте был построен намного более прочный подвесной железнодорожный мост – тогда единственный в своем роде в Европе. Этот мост тоже был разобран всего лишь через двадцать пять лет эксплуатации. Подвесные мосты гибкие и не слишком хорошо приспособлены для тяжелых нагрузок от железных дорог.

Телфорд проводил эксперименты с проволочными тросами вместо стержней с проушинами, еще работая над мостом через Менай. Железная проволока использовалась для разных целей еще с XIII века. В XVIII веке она приобрела особое значение для кардочесальных машин в развивающейся текстильной промышленности. Теперь она составила конкуренцию стержням с проушинами. Проволоку можно было протягивать через глубокие пропасти и скручивать сколько угодно раз. Ее «пряди» сравнительно небольшого диаметра можно собирать в пучки любого размера. С увеличением нагрузок проволочные тросы становились все прочнее.

Впервые проволока была использована в качестве несущей конструкции для подвесного моста в Филадельфии в 1816 году, где для перехода через Скулкил была создана опасная конструкция длиной 408 футов и шириной менее двух футов. Зимой она рухнула под тяжестью снега и льда. Французские инженеры, узнавшие о трудах Финли, начали использовать проволоку для своих мостов. Марк Сеген, изобретатель жаротрубного котла паровой машины, в 1824 году написал книгу о тросовых подвесных мостах и в 1825 году построил южнее Лиона первый тросовый подвесной мост для транспорта через Рону. Этот мост Тена-Турнон имел два пролета по 275 футов каждый. В 1847 году он был сделан пешеходным, поскольку оказался слишком легким для транспорта.

В 1834 году коллега Сегена Джозеф Чейли (1800–1870) завершил во Фрибуре, Швейцария, однопролетный мост длиной более 870 футов. Он был подвешен на проволочные тросы, закрепленные на башнях высотой 167 футов. Четыре троса имели диаметр 5½ дюйма. Каждый из них был свернут из 1056 проволок диаметром 1/12 дюйма. Кованые железные стержни, собранные в цепи, как это делал Телфорд, имели прочность на разрыв от 40 000 до 50 000 фунтов на квадратный дюйм поперечного сечения. Французская проволока, как в тросах Чейли, была испытана на разрыв нагрузкой от 60 000 до 70 000 фунтов на квадратный дюйм.

Сегодня проволока из жаропрочных сплавов имеет прочность до 250 000 фунтов на квадратный дюйм.

Благодаря длинным подвесным мостам стало возможно переправляться через быстрые реки и глубокие ущелья, не устанавливая промежуточные опоры. Такой тип мостов стал популярен, и в 1830-х годах их появилось много, особенно во Франции. Но как и цепной мост Телфорда через Менай, тросовый мост Чейли во Фрибуре был слишком гибким. Утверждают, что мост Телфорда во время штормов смещался на 16 футов. Мост Чейли дважды укреплялся дополнительными проволочными тросами. После перестройки в 1939 году мост Телфорда открыт для движения. Мост Чейли был разобран в 1922 году, уступив место виадуку из железобетона. Это самые известные подвесные мосты. Однако более прочные и жесткие конструкции все же были желательнее, чтобы противостоять нагрузкам от штормов, тяжелого транспорта, марширующих войск. А с появлением в 1840-х годах железных дорог с большими ударными нагрузками от колес увеличение прочности и жесткости стало обязательным.

Трубчатые мосты

Разработка в 1843 году плана строительства железной дороги из Честера в Англии до Холихеда в Уэльсе привела к появлению удивительного типа моста через пролив Менай и существенным достижениям в строительстве. Хотя тип не стал популярным, мост «Британия» Роберта Стефенсона (рис. 8.17) стал вкладом в инженерное искусство. Сначала хотели использовать одно из дорожных полотен моста Телфорда, но его недостатки для железной дороги были очевидны, и решение не было принято. Тогда Стефенсон предложил две чугунные арки, как у маленького моста в Коулбрукдейле, каждая с пролетом 350 футов и общей промежуточной опорой в середине пролива на скале. Адмиралтейство отклонило этот проект, поскольку арки будут мешать навигации.

Рис. 8.17. Трубчатый мост «Британия». Мост Телфорда – в миле к северу

Тогда Стефенсон вернулся к принципу подвесного моста и привлек к сотрудничеству Уильяма Фейрберна, имевшего опыт в кораблестроении из железа, желая получить совет, как сделать подвесную конструкцию прочнее и жестче. Они сразу согласились, что эффективной может оказаться трубчатая конструкция, и Фейрберн приступил к исследованиям. Ему на помощь пришел Итон Ходжкинсон, профессор математики. Вместе они несколько месяцев проводили опыты и расчеты и, в конце концов, пришли к выводу, что лучшей будет прямоугольная конструкция. 75-футовая модель – ⅙ предполагаемого моста – оказалась настолько прочной, что было решено отказаться от поддерживающих цепей, и это в корне изменило природу моста. Теперь это был не подвесной мост, а трубчатая балка прямоугольного сечения.

В 1846 году Фейрберн запатентовал балку со сплошной стенкой с клетчатой системой крепления. Позднее она использовалась в мостостроении редко, поскольку ту же прочность и жесткость можно было получить с открытыми фермами, которые были легче и требовали меньше материала. Кроме того, отработанные газы локомотивов (рис. 8.18), проходивших по железному тоннелю Стефенсона, не только заставляли задыхаться пассажиров, но и вызывали ускоренную коррозию стенок.

Рис. 8.18. Мост «Британия», вход с острова Англси

Остановившись на коробчатой форме, Стефенсон возвел три башни и две береговые опоры, чтобы нести четыре трубы каждого пути на 108 футов выше уровня максимального прилива. Некоторые камни этих башен весили 14 тонн. Каменная кладка была усилена 400 тоннами чугунных балок. Три центральные башни высотой более 200 футов имели размеры 52 на 62 фута в основании и 45 на 55 футов наверху. Они были построены с вертикальными щелями, уходящими на глубину 6 футов внутрь башни, чтобы рабочие могли вставить трубу и поднимать ее постепенно, шаг за шагом, заполняя щели под ней каменной кладкой (центральные секции собирали на берегу и доставляли на место на понтонах). Трубы для концевых пролетов сооружали на лесах, расположенных на уровне моста. Первое время все шло штатно. Ситуация осложнилась, когда первая из центральных труб поплыла на понтонах, повинуясь ветру и течению, и едва не была унесена в море. Описание, данное инженером Эдвином Кларком, напоминает историю об аналогичном событии из жизни строителей египетских пирамид, грузивших гигантские камни на нильские баржи, и операцию Доменико Фонтана, выполненную 30 апреля 1586 года, по подъему обелиска в цирке Нерона. Тогда зрители во главе с римским папой, затаив дыхание, безмолвствовали. Теперь, вечером 20 июня 1849 года, толпа британцев собралась у кабестана в Лланвайре, наблюдая, как трос 12 дюймов в окружности очень медленно опускает гигантскую трубу на временную сваю, с которой она должна войти в первую щель, а потом ее затащат во вторую, и начнется подъем.

«Успех операции, – писал Кларк, – зависел в основном от точного попадания на сваю. Это зависело от работы кабестана со стороны Лланвайра, но его трос запутался, сорвал кабестан с платформы, сбил с ног людей и сбросил их в воду. Возникла опасность, что трубу понесет в море и разобьет о скалы. Сохраняя присутствие духа, руководитель работ призвал зрителей на помощь. Он выдал другой трос. Зрители – мужчины, женщины и дети – схватили толстый канат и с его помощью удерживали трубу на месте, пока ее не удалось успешно опустить на сваю. Затем ее развернули и установили в нужном месте. Когда начался отлив, оба конца трубы были установлены». На всю операцию ушло полтора часа. На следующее утро строители обнаружили Роберта Стефенсона сидящим на платформе прямо над трубой. Он болтал ногами и курил сигару. О том, что делали на следующее утро египетские строители и Доменико Фонтана, история умалчивает.

Все это было зрелищно и достойно внимания, но это оказался не единственный инженерный прорыв при строительстве моста «Британия». Крупные объекты и раньше транспортировались по воде на большие расстояния в тяжелых условиях. Римляне доставляли обелиски через Средиземное море. Русским удалось переместить гранитный блок весом 1500 тонн и размером 42 на 21 на 17 футов на расстояние 5 миль на цилиндрических валах к берегам Невы и переправить его по воде, чтобы он послужил постаментом для статуи Петра Великого в Санкт-Петербурге. Более существенным достижением Стефенсона был подъем четырех центральных труб в нужное положение на башнях, на 100 футов над водой. Это он выполнил с помощью двух гидравлических прессов (рис. 8.19), запатентованных Джозефом Брама (1748–1814) в 1795 году по принципу, установленному Паскалем на основе ранних работ Стевина по гидростатике.

Каждая из центральных труб имела длину 472 фута и весила 1400 длинных тонн, или более 3 миллионов фунтов. Чтобы поднять их, Стефенсон установил гидравлические прессы в верхней части башен, по одному в каждой, на огромных балках, перекрывающих щель. Цепи, свисавшие с прессов вниз до самых труб, были из стержней с проушинами из кованого железа. Каждый стержень имел толщину 1 дюйм, ширину 7 дюймов, длину 6 футов. Он был сделан целиком из одного куска железа. Никакие сварки не уменьшали его прочность. Поскольку длина стержня была такой же, как высота подъема пресса, крепление с каждым циклом переходило к следующему стержню с проушиной. Один подъем мог занимать целый день – таковы были условия в те времена. Гидравлическое давление в прессах обеспечивали паровые насосы мощностью 40 лошадиных сил каждый.

При каждом таком продолжительном подъеме Стефенсон поднимал более 3 миллионов фунтов на высоту 6 футов. У Доменико Фонтаны было 75 лошадей и 907 человек на 40 кабестанах для подъема 350 тонн, и он сумел поднять обелиск не более чем на 2 или 3 дюйма за операцию. Контраст не может не удивлять и является показателем скорости инженерного развития за 263 года, разделявшие этих двух человек. И лишь одно не изменилось. У Фонтаны и Стефенсона была одна общая черта. Оба были инженерами, наделенными воображением, и в высшей степени осторожными людьми. Фонтана предвидел, что металлическая лента вокруг обелиска может порваться, и, когда это произошло, был готов. Стефенсон держал леса под трубой, так чтобы она не оставалась без поддержки, и категорически настаивал на том, чтобы щель сразу же закладывалась каменной кладкой. Когда один из прессов сломался и дно его цилиндра, весящее несколько тонн, упало, пролетев 70 или 80 футов, на трубу, оно разрушило деревянный кожух и погнуло пластины, но сама труба упала только на 8 или 9 дюймов на прочную каменную кладку, а не на дно пролива. И коллегам Стефенсона оставалось только поблагодарить Бога за то, что он наделил строителей таким несгибаемым упрямством.

Рис. 8.19. Пресс, который поднимал фермы моста «Британия»

Не обошлось и без потерь. Один рабочий забирался по веревочной лестнице с трубы к прессу и оказался прямо на пути падающего цилиндра. Была еще длительная задержка с 17 августа до 1 октября, когда наконец установили новый цилиндр. Но к 13 октября первая труба заняла свое место. Вторая труба была доставлена по воде 4 декабря, и ее подъем завершился 7 января. Первый пробег по одному пути совершили 3 локомотива 5 марта. Позднее мост был испытан тяжелым составом с углем из 27 вагонов, суммарным весом 248 тонн. При этом наблюдался прогиб менее чем в 1 дюйм. 18 марта 1850 года движение по первому железнодорожному пути моста «Британия» было открыто. К 19 октября закончилась постройка второго пути.

До 1850 года при создании котлов и в судостроении использовались клепочные соединения. «Британия» и мост меньшего размера, «Конуэй», который строился на той же железнодорожной линии в то же время, были первыми мостами трубчатой конструкции. Фейрберн изобрел паровую заклепочную машину, чтобы обойтись без изготовителей котлов, которые бастовали в Манчестере. Используя такую машину, два рабочих и мальчик-помощник могли за час поставить столько заклепок, сколько три рабочих и мальчик за 12 часов, работая по старой технологии. Мальчик-помощник в обоих случаях выполнял важнейшую функцию – он был приставлен к топкам. Машина использовалась на мосту «Конуэй», когда это было целесообразно и когда она не была сломана, предположительно «рабочими, которые были против ее применения». В ней был поршень диаметром 48 дюймов с 9-дюймовым поршнем под давлением 40 фунтов. Таким образом, давление на заклепку составляло 32 тонны. Между тем заклепки на «Британии» ставились вручную. Для выполнения операции требовались двое рабочих с 7-фунтовыми молотами, еще один рабочий, удерживающий заклепку с тяжелым молотом на длинной рукоятке, и два мальчика. Как писал Кларк, заклепки часто приходилось перемещать на значительные расстояния к месту выполнения работ. Их перебрасывали с помощью клещей. Зрители с удовольствием наблюдали за безошибочной точностью, с которой мальчики всего лишь одиннадцати или двенадцати лет от роду отправляли их в полет к месту назначения. А когда работы велись ночью, постоянное мелькание в темном небе этих раскаленных докрасна метеоров являло собой захватывающее зрелище.

При строительстве моста «Британия» Роберт Стефенсон применил еще три интересных инженерных решения. После подъема трубы были продлены сквозь башни и соединены заклепками. В центральной башне такие вставки имели длину 32 фута. Это дало каждому пути две непрерывные трубчатые балки длиной более 1500 футов. Эти балки добавили жесткость и несущую способность всему мосту. Крыши более длинных труб имели высоту на 7 футов больше в центре, чем на концах. Более низкой поверхности была придана выпуклость в 9 или 10 дюймов, чтобы учесть провисание и сохранить ровность пола. Стефенсон также предвидел влияние перепада температур на трубы. Чтобы предусмотреть расширение и сжатие, он установил их на чугунные ролики с обоих концов, в то время как центр был зафиксирован. Перепад температур в 76 градусов по Фаренгейту должен был дать изменение длины на 9 дюймов на всем протяжении. Поэтому был предусмотрен безопасный допуск – 12 дюймов.

Трубчатые мосты Роберта Стефенсона и Уильяма Фейрберна являют собой значительный вклад в инженерную историю. Их можно считать успешными, поскольку они выполнили непосредственную задачу, и в процессе строительства были приняты инженерные решения, которые взяли на вооружение инженеры будущего. Однако эти мосты не были хорошим вложением капитала; их спонсоры потеряли деньги. Мост «Британия», хотя был вдвое шире и мог выдерживать большие нагрузки, стоил в пять раз дороже, чем подвесной мост Телфорда через Менай. Наиболее пагубным для будущего трубчатых мостов оказался неоправданно высокий расход материалов. Не было никакой необходимости строить тоннели в воздухе. Открытые фермы вполне могли обеспечить ту же прочность, стать более долговечными и удобными. Поэтому эволюция железнодорожного мостостроения отошла от закрытых конструкций. Первой исчезла крыша, оставив две вертикальные стенки, связанные с полом. Когда началось широкое использование стали, последовали дальнейшие усовершенствования.

Глава 9

Пароходы и локомотивы

По дорогам и каналам XVIII века двигались экипажи, запряженные лошадьми, и баржи, которые тащили люди и животные. Промышленная революция в Англии, требовавшая все больше топлива, сырья и готовой продукции для перевозки, а также огромные расстояния, которые необходимо было преодолевать в Америке, привели к возникновению потребности в более скоростных средствах транспорта с повышенной провозной способностью. Первые локомотивы не были успешными, особенно для перевозки грузов, зато в первой половине XIX века быстро развивались пароходы для внутренних перевозок. Пароход стал первым радикальным усовершенствованием в транспортировке после судов с косым парусным вооружением, существовавших в Средние века.

Ранняя эволюция парохода была быстрее, чем локомотива, поскольку в первом случае приходилось решать меньше инженерных проблем. Сравнительно большой двигатель Уатта, работавший при низком давлении, мог быть поставлен на суда нескольких разных типов. К тому же на них было намного больше места для топлива, чем в наземном транспорте. Более того, предназначенные для внутренних перевозок суда, как правило, путешествовали по рекам и каналам, которые были более ровными и гладкими, чем дороги. Чтобы добиться успеха с локомотивами, инженерам надо было сначала придумать двигатели высокого давления и котлы, вырабатывающие больше лошадиных сил на фунт, чем двигатели Уатта, а также особенную дорогу с железными рельсами и небольшими уклонами.

Пароходы

Некто Джонатан Халлс оформил патент на пароход в 1737 году (рис. 9.1), после того как появилась паровая машина Ньюкомена. Поскольку двигатель был одностороннего действия и не имел вращательного движения, Халлс предложил приводить в действие кормовое колесо с помощью зубчатого механизма. Это было на 32 года раньше демонстрации Кюньо самоходной машины с зубчатыми механизмами на улицах Парижа. Идея Халлса оказалась даже менее практичной, чем идея Кюньо. Двигатель Ньюкомена был слишком слабым и для такой задачи слишком громоздким. Более того, еще не пришло время гребного колеса. Люди не понимали его эффективности, что представляется странным, поскольку идея созрела давно.

Рис. 9.1. Паровой буксир, предложенный Джонатаном Халлсом

В книге Роберто Валтурио De re militari, опубликованной в 1483 году, содержатся иллюстрации лодок с гребными колесами и кривошипной передачей (рис. 9.2). В работе А. Ра-мелли Le Diverse et artificiose machine, опубликованной в 1588 году, есть изображение бронированного военного судна-амфибии, которое при нахождении в воде приводится в действие гребными колесами (рис. 9.2). В обоих случаях источником энергии являлся человек. Рафаэль в 1514 году изобразил Галатею (рис. 9.3), сходящую на берег из раковины с гребными колесами; источник энергии – дельфины. Представляется, что идею мог подсказать Рафаэлю, не склонному к инженерии, его друг Леонардо. Среди других ранних ссылок на движение с использованием гребных колес можно назвать комментарий Гвидо Панчиролли (1523–1599), написанный изначально на латыни и опубликованный в английском переводе в 1715 году, – The History of Many Memorable Things Lost («История многих памятных утраченных вещей»). Он писал: «Я видел также изображения судов, которые назывались Liburnae, имевших по три колеса на обоих бортах. Они не касались воды. Каждое имело по восемь спиц, торчавших из колеса на расстоянии ладони друг от друга, и vix oxen внутри, которая, повернув машину, приводила в движение колеса, ободья которых отталкивали воду назад и при этом двигали Liburnae вперед с большой силой».

Генри Диркс в труде Life, Times and Scientific Labours of the second Marquis of Worcecter упоминает и приводит иллюстрацию из Гарлейского манускрипта, датированного XV веком. На ней изображено небольшое судно, приводимое в движение гребными колесами и кривошипным механизмом (рис. 9.2). В XIX веке люди все еще спорили относительно достоинств и недостатков лопастей, механических весел и аналогичных форм, даже после того, как были испытаны пропеллеры. Хотя Джеймс Уатт предложил винтовой пропеллер в 1770 году, он, похоже, не слишком интересовался продвижением паровой навигации – только предлагал свои патентованные двигатели тем, кого одобряло Британское адмиралтейство. Другие экспериментировали с немалым успехом при решающем влиянии Роберта Фултона, от работ которого на реке Гудзон в 1807 году ведет начало первый коммерческий пароход.

В Америке Джеймс Рамси из Вирджинии (1743–1792) испробовал реактивную движущую силу в 1780 году, и его судно на Потомаке действительно шло со скоростью 4 мили в час против течения. Он повторил свой эксперимент на Темзе в феврале 1793 года, чем привлек внимание Роберта Фултона, в то время находившегося в Лондоне. Рамси умер, не завершив эксперименты, и реактивному движению пришлось подождать развития аэронавтики в XX веке. В Британии Патрик Миллер (1731–1815) и Уильям Саймингтон (1763–1831), взяв за основу схему двигателя с охлаждением Уатта, построили пароход с гребным колесом и храповиком.

Рис. 9.2. Ранние изображения лодок с гребными колесами: военная амфибия из труда A. Рамелли Le Diverse et artificiose machine, 1588 г. (вверху); военные лодки с таранами из Р. Валтурио De re militari, 1483 г. (внизу слева); более сложная конструкция из Г. Диркс Life, Times and Scientific Labours of the second Marquis of Worcecter, 1865 г. (внизу справа)

Он достигал скорости 5 миль в час. Позже скорость была увеличена до 7 миль в час. Однако адмиралтейство не проявило интереса, и средства Миллера были ограничены. Получив финансирование в 1802–1804 годах от лорда Дандаса, Саймингтон запустил паровой буксир на канале Форт-Клайд. Роберт Фултон снова наблюдал. Однако собственники канала отвергли Sharlotte Dundas, поскольку создаваемое судном возмущение потока якобы угрожало берегам канала. Судно имело горизонтальный двигатель двойного действия, приводящий в движение гребное колесо, расположенное в корме. Фултон не стал копировать этот дизайн, но конструкторы вернулись к этой идее пятьюдесятью годами позже на Миссисипи.

Рис. 9.3. «Галатея» Рафаэля, написанная в 1514 г. На картине изображены гребные колеса

Тем временем среди многих других любознательных американцев двое подошли очень близко к успеху со своими идеями о пароходах. Джон Фитч (1743–1798), житель Коннектикута, создал акционерное общество для получения капитала, привлек к работе механика и построил двигатель

с цепным блоком, который приводил в действие шесть вертикальных весел на каждой стороне корпуса. Он продемонстрировал судно на реке Делавэр в июле 1786 года. Следующим летом он предложил улучшенный вариант судна составителям Конституции, которые собрались в Филадельфии. Его третья лодка с веслами на корме проплыла 20 миль вверх по течению Делавэра до Берлингтона. К 1790 году его судно уже достигло скорости 8 миль в час и обеспечивало пассажирское и грузовое сообщение между Филадельфией и Бордентауном, проходя 28 миль в один конец. По примерным оценкам, пароход Фитча прошел около 2000 миль, когда компания обанкротилась. Громоздкая машина оставляла слишком мало места для грузов. Судно было законсервировано на зиму 1790 года и больше не использовалось, поскольку Фитчу так и не удалось создать эффективную судовую энергетическую установку. В 1791 году он отправился во Францию, не нашел там поддержки, попытал счастья в Нью-Йорке с тем же успехом, удалился на свои земли в Кентукки и в 1798 году умер в нищете.

Другой американец работал в том же направлении. Заинтересовавшись трудами Рамси и Фитча, Джон Стивенс (1749–1838) из Нью-Джерси, юрист по образованию и изобретатель по природе, решил посвятить жизнь перевозкам с помощью пара. В 1796 году Стивенс экспериментировал с паровым движением на реке Пассаик. С ним сотрудничали Роберт Ливингстон, Николас Рузвельт и Марк Изамбард Брюнель, французский инженер, бежавший из Франции и вскоре прославившийся в Британии. В 1802 году Стивенс построил маленький пароход с винтовым движителем, водотрубным котлом, паром высокого давления и крейцкопфным двигателем, обеспечивающим вращательное движение. Однако крутящий момент движителя стремился двигать судно кругами, и потому его следующее судно, Little Juliana, построенное в 1804 году, имело два винта, вращавшиеся в противоположных направлениях. Стивенс обнаружил, что его двигатель не так эффективен, как ему хотелось бы, водные трубы в котле заполнялись налетом, да и высокое давление могло привести к неприятностям. Поэтому он обратился к низкому давлению, поршневому двигателю Уатта и гребным колесам. Результатом стало судно Phoenix, постройка которого началась в 1808 году, через пять месяцев после успеха Фултона. В июле 1809 года Джон Стивенс отправил Phoenix вокруг Кейп-Мей в реку Делавэр. Это был первый океанский рейс парохода. Переход занял тринадцать дней и был связан с множеством сложностей, обусловленных ветром и погодой, – едва ли благоприятное начало для океанских пароходов. Но сын Стивенса Роберт Л. благополучно привел судно в Филадельфию, где оно стало паромом. Роберт Л. Стивенс (1787–1856) впоследствии внес бесценный вклад в развитие пароходов, в том числе внедрил подпалубную продольную балку для предотвращения продольного изгиба корпуса судна. Он увеличил скорость пароходов до 15 миль в час, однако, как и его отец, стал больше всего известен своими делами на железной дороге.

Вкладом Роберта Фултона (1765–1815) в развитие пароходов был не двигатель – он использовал двигатель британских производителей Болтона и Уатта. Не открыл Фултон и законы плавающих тел и их движения. Для этого ему было достаточно изучить эксперименты Марка Бофоя, которые тот вел в 1793–1798 годах. Достижением Фултона стала координация корпуса и силовой установки, так чтобы комбинация оказалась экономически успешной. Он мог добиться успеха раньше – на Сене, если бы его корпус оказался достаточно прочным, чтобы выдержать вес двигателя. У художников и инженеров есть общие черты – наблюдательность и склонность к анализу. Леонардо да Винчи и Роберт Фултон были очень разными, однако их объединяло бесконечное любопытство и настойчивость. Оценивая любое достижение, всегда следует принимать во внимание дополнительные факторы. Фултон прекрасно знал, что дает благосклонность сильных мира сего, и умел ее добиваться. Да Винчи поставил свои идеи на службу герцогу Миланскому и королю Франции. Фултон имел дело с Наполеоном, британским Адмиралтейством и затем с канцлером Ливингстоном из Нью-Йорка, который был вхож в законодательные органы штата, имевшие право давать монополии. Вместе Роберт Р. Ливингстон и Р. Фултон заручились благосклонностью политиков и финансовыми кредитами. Обладали научными знаниями и воображением, и, разумеется, их объединяло общее желание делать деньги.

Рис. 9.4. Clermont Фултона после того, как были закрыты гребные колеса

Их пароход (рис. 9.4) стал коммерчески успешным со дня его первого прохода по реке Гудзон 17 августа 1807 года. Фултон восторженно писал своему другу, поэту и политику Джоэлу Барлоу, что тот обогнал множество парусников, словно они стояли на якорях. К октябрю пароход уже перевозил от 60 до 90 пассажиров из Олбани в Нью-Йорк и обратно. Рейс занимал от 30 до 36 часов. О расходе древесины на топливо и ее стоимости информации нет. Само судно стоило 20 000 долларов и за три месяца заработало 1000 долларов. Фултон был удовлетворен, хотя его арифметика была скорее вызвана энтузиазмом, чем точностью. Партнеры планировали более крупные пароходы для Гудзона и ЛонгАйлендского пролива и уже заглядывались за Аппалачи в Огайо, Миссисипи и Миссури. Вполне возможно, они могли установить такую же успешную монополию в Новом Орлеане, как в Нью-Йорке.

Изначально пароход Фултона и Ливингстона имел длину 113 футов, плоское днище, ширину 13 футов, высоту борта 7 футов и очень маленькую осадку. Грузоподъемность – 100 тонн. Попытка воссоздать этот дизайн для столетнего юбилея в 1907 году показала, что судно не обладало мореходными качествами, и его размеры пришлось изменить. Двигатель Фултона (рис. 9.5) имел 24-дюймовый цилиндр и 4-футовый ход поршня. Еще там был маховик на промежуточном валу, связанный замысловатым соединением с коленчатым валом. Двигатель вырабатывал около 20 лошадиных сил. Гребные колеса имели 8 лопастей длиной 4 фута и шириной 2 фута. Сначала они не были ничем закрыты. После перестройки в 1808 году и переименования в Clermont тоннаж судна увеличился до 182½ тонны, длина – до 149 футов, ширина – до 17,9 фута. Другие параметры остались прежними. Количество лошадиных сил не изменилось, и скорость судна составила 4,6 мили в час.

Находясь по своим делам в Париже, Роберт Р. Ливингстон не мог не встретиться с Робертом Фултоном и не понять грандиозных возможностей, заключенных в его идеях. Ливингстон вел переговоры о луизианской покупке. Он занимался пароходами еще до того, как в 1801 году, став министром в правительстве Джефферсона, отправился во Францию. Если бы Ливингстон и Фултон могли создать пароход и получить монополии на Гудзоне и Миссисипи, перед ними открылись бы воистину безграничные возможности, и они оба это понимали. Сам Ливингстон прорабатывал вопрос в законодательных органах штата Нью-Йорк. К февралю 1804 года его брат Эдуард прибыл в Новый Орлеан, рассчитывая позаботиться об интересах семьи, если возникнет необходимость. Он оказался настолько успешным, что к 1811 году власти Луизианы дали монополию на пароходы Ливингстона и Фултона.

Вытесненный из вод Нью-Йорка Ливингстоном и Фултоном и не приветствуемый властями штата Нью-Джерси, Николас Дж. Рузвельт договорился об участии в паровом судоходстве на Огайо и Миссисипи. В 1811 году он построил в Питтсбурге New Orleans – первый пароход к западу от Аппалачей. Круглый корпус судна принимал так много воды, что оно проскакивало через пороги в районе Луисвилла, имея надводный борт только 5 дюймов. Как New Orleans пережил шторм на реке, вызванный великим землетрясением 1811 года, – загадка. Двигатель парохода был вполне способен преодолевать течение в низовьях Миссисипи. Он совершал регулярные рейсы в Натчез, пока не потерпел крушение, налетев на топляк в 1814 году в районе Батон-Руж.

Рис. 9.5. Судовая энергетическая установка на пароходе Clermont, 1807 г.

Монополисты с востока вскоре стали строить больше судов на Миссисипи, но они не могли рассчитывать помешать другим желающим участвовать в судоходстве. Генри М. Шрив (1785–1851), житель Нью-Джерси, стал капитаном Enterprise для Дэниела Френча в первом рейсе вверх по течению из Нового Орлеана в Луисвилл 31 мая 1816 года. Enterprise, построенный в 1814 году, оказывал помощь генералу Джексону во время битвы за Новый Орлеан в 1815 году. Шрив выиграл дело в суде против территориального закона Луизианы, дававшего монополию на пароходы Ливингстону и Фултону. Шрив получил этот вердикт в Окружном суде Соединенных Штатов округа Луизиана в 1819 году, за пять лет до того, как председатель Верховного суда Джон Маршалл вынес решение по делу Гиббонс против Огдена.

Как и Рузвельт, Шрив понимал, что круглые корпуса океанских судов смогут ходить по рекам только при высокой воде. Enterprise дошел до Луисвилла только благодаря разливам, а потом вошел в канал. Поскольку Френч не был убежден докладом Шрива, тот решил строить пароход самостоятельно. Он планировал, что его пароход будет способен двигаться по реке против любых течений и при нормальном уровне воды проходить через пороги Луисвилла в Питтсбург. В Уилинге, Вирджиния, 10 сентября 1815 года был заложен киль для парохода Washington, первого из пароходов Миссисипи, занявшего прочное место в американской литературе.

Washington Шрива был плоскодонным судном с гребным колесом в корме, приводимым в движение паром. Конструктор поместил двигатель на главную палубу и построил над ней еще одну палубу для котлов. Он отказался от занимавшего много места конденсатора и удалял выхлопные газы прямо в атмосферу. Обслуживание установки было трудоемким – очень часто приходилось очищать котлы от грязи. Шрив установил два цилиндра горизонтально и сделал их стационарными, а не подвижными, как у Френча. Шрив передавал мощность кривошипам с крейцкопфами и соединительными стержнями. Кривошипы располагались под прямыми углами друг к другу. Цилиндры имели диаметр 24 дюйма, а поршни – 6-футовый ход. Четыре котла также располагались горизонтально, и, как Оливер Эванс, его современник, Шрив поместил газоходы в свои котлы, которые работали при давлении выше атмосферного.

Риск взрыва был высок; на самом деле один взрыв имел место во время первого рейса. Тогда восемь человек погибли на месте и еще шесть получили смертельные травмы. Самого Шрива выбросило за борт, он тоже получил ранения разной степени тяжести, но отремонтировал судно и упорно продолжал сохранять высокое давление, поскольку желал иметь мощность и скорость. Таким образом, он отверг одну из идей Джеймса Уатта и применил другую, хотя неизвестно, осознавал это или нет: он установил клапан и кулачок, чтобы перекрыть пар в начале цикла. Это решение позволяло использовать преимущество силы расширения пара в цилиндрах, и устройство потребляло меньше топлива.

В Nile’s Weekly Register 20 июля 1816 года была опубликована заметка о пароходе капитана Шрива. Джентльмен из Нью-Йорка утверждал, что условия размещения на нем лучше, чем на любом другом. Главная каюта весьма просторная, имеет длину 60 футов, есть еще три частные каюты и удобный бар. Его 100 лошадиных сил работают «по совершенно новому принципу, простому и легкому». Весь двигатель («изобретение капитана Шрива») весит только «девять тысяч фунтов». В точности не известно, были на Washington боковые гребные колеса или кормовое колесо – сведения разные. В газетах Liberty Hall и Cincinnati Gazette от 23 сентября 1816 года говорится, что, когда судно шло после ремонта в Луисвилл, на нем было только одно гребное колесо, установленное в корме. На изображениях и в других источниках указано, что Washington 1816 года имел боковые гребные колеса. Правда, все эти описания датированы несколькими годами позже, когда боковые колеса считались господствующими, а судна Washington уже не было на реке. Новый George Washington Генри Шрива, построенный в Цинциннати в 1824 году, имел боковые колеса. Гребные колеса были связаны с двигателями раздельно, так что одно могло давать задний ход, когда другое продолжало двигаться вперед, и судно поворачивало, причем для этого ему требовалось меньше места, чем если бы гребное колесо было установлено в корме.

Инженеру Генри Шриву удалось достичь своей цели. Washington продемонстрировал преимущество малой осадки и высокой скорости во время путешествия по Огайо и Миссисипи в Новый Орлеан в сентябре 1816 года. Шрив совершил круговой рейс между Луисвиллом и Новым Орлеаном за 41 день. Он поднялся вверх по течению за 24 дня и прошел пороги Огайо при обычном уровне воды. На торжественном ужине в его честь один из гостей предположил, что, возможно, кто-то когда-нибудь сумеет совершить этот переход за десять дней. Между прочим, еще до появления железной дороги и начала гражданской войны путешествие из Нового Орлеана в Луисвилл занимало меньше пяти дней. Пакетботы, речные и океанские суда ходили по расписанию между Луисвиллом и Ливерпулем через Гаванну.

Эффект от успеха Фултона и аннулирования Маршаллом монополии на Гудзоне был подобен открытию ворот шлюза. Пароходы появились везде. К 1824 году, когда монополия в штате Нью-Йорк была ликвидирована, они регулярно ходили по Лонг-Айлендскому проливу, обеспечивая лучшее средство транспорта для речных и приморских городов юга Новой Англии. Это было задолго до того, как образовалась единая транспортная система. Французский инженер Жан-Батист Марестье (1782–1832), прибывший по заданию своего правительства познакомиться с обстановкой, был впечатлен большим количеством пароходов на реках и озерах. И хотя парусники еще долгое время перевозили грузы на Великих озерах, именно пароходы ускорили рост населения и развитие речных портов Буффало, Кливленда, Детройта, Милуоки и Чикаго. Пусть главным фактором быстрого развития промышленности Чикаго была железная дорога, но нельзя отрицать и вклад пароходов, которые везли зерно, железную руду и прочие грузы. Точно так же они дали толчок раннему развитию Цинциннати на реке Огайо.

Необходимость, расстояния и стимулы в Европе были меньше, чем в Соединенных Штатах. Поэтому, несмотря на оптимистичный доклад Марестье, было меньше спешки в организации движения пароходов по водным путям Британских островов и Европейского континента. В 1811 году Генри Белл (1767–1830) построил Comet – 40-футовую лодку с двигателем мощностью 4 лошадиные силы. Она ходила трижды в неделю по реке Клайд из Глазго в Гринок. Обычно она проходила 27 миль за 3½ часа. Белл не достиг коммерческого успеха и превратил Comet в прогулочное судно, которое должно было ходить вдоль берегов Англии, Ирландии и Шотландии и показывать широкой публике преимущества паровой навигации над всеми другими видами. Двигатель можно увидеть в музее Южного Кенсингтона, Лондон.

В 1815 году после смерти Фултона, выполняя работу для русского правительства, Чарльз Берд установил двигатель на баржу и в 1817 году построил еще один пароход. В 1816 году пароходы ходили через Английский канал из Брайтона в ЛеГавр. Джон Руби построил Prinzessin Charlotte для реки Эльба в 1816 году. Гребное колесо этого судна было установлено в центре и закрыто, а двигатель вырабатывал 14 лошадиных сил. Заметим, что для пароходов крупные реки, такие как Рейн, Дунай и Рона, были слишком быстрыми, и требовались более мощные и компактные двигатели. Только в 1830 году англичанину Дж. Притчарду удалось преодолеть пороги в районе Флоридсдорфа на Дунае на пароходе Francis the First. Он получил эксклюзивные права на плавание пароходов по Дунаю на пятнадцать лет.

Речные суда быстро совершенствовались. Этим занималось так много людей, что четко выделить вклад каждого не представляется возможным. Усовершенствования были и крупными, и мелкими. Поворотные лопасти повысили эффективность гребного колеса. Уголь давал больше жара, чем дрова. Продольные балки ферменной конструкции, которые обычно приписывают Стивенсу, хотя древним египтянам тоже был известен этот принцип, укрепляли корпуса, которые иначе были слишком гибкими. Рамный ромбовидный железный балансир, впервые использованный в 1823 году, позволил применить законы напряжений в балке, чтобы сохранять ее прочность, значительно снижая вес в сравнении с массивными деревянными балансирами. С появлением составных двигателей типа двигателя Хорнблауэра давление в котле повысилось.

Пароходы медленно продвигались в открытое море из-за консервативности мышления адмиралтейских чиновников, приверженцев парусного флота, и только в середине века процесс пошел быстрее. Неопределенность с двигателями и местом для топлива сдерживала использование пара на море. Если заканчивалось топливо, пароход не мог дрейфовать по течению к следующей поленнице или угольной яме. В общем, использование пара на море казалось настолько ненадежным, что только в начале 1900-х годов крупные суда наконец перестали использовать вспомогательное парусное вооружение на случай непредвиденных обстоятельств.

Первый трансатлантический рейс приписывается пароходу Savannah (рис. 9.6), 350-тонному судну с полным парусным вооружением. Он без пассажиров и груза вышел из порта Саванна, Джорджия, 16 мая 1819 года и взял курс на Санкт-Петербург. Его владельцы рассчитывали заинтересовать русское правительство американскими пароходами и продать судно в России. Двигатель Savannah очень заинтересовал француза Марестье, и он опубликовал его чертежи. Единственный цилиндр имел диаметр 4 дюйма и 6-футовый ход поршня. Утверждают, что его эффективная мощность составляла 72 лошадиные силы, при этом скорость судна составляла 5–6 узлов. Железные боковые гребные колеса могли складываться, как веер, и укладываться на палубу, если не использовались. На судне было 75 тонн угля и 25 кордов (128 кубических футов) сосновых дров в качестве топлива. Когда оно достигло Ирландии, угля уже не осталось. Надо было принять дополнительный груз угля в Ирландии для перехода в Ливерпуль и, предположительно, повторить эту операцию еще раз, прежде чем судно дошло до Санкт-Петербурга спустя 50 дней после ухода из Соединенных Штатов. Этот рейс, безусловно, был очень важен для истории мореплавания, однако было бы преувеличением утверждать, что Savannah совершило первый трансатлантический переход под паром. Согласно судовому журналу, паровой двигатель использовался далеко не постоянно – меньше половины общего времени в пути. Владельцы не смогли продать Savannah русским. Остаток своих дней судно ходило под парусами вдоль американского побережья.

Рис. 9.6. Американский пароход Savannah, 1819 г., и складное гребное колесо

Известный популяризатор науки Дионисий Ларднер (1793–1859) в 1839 году на одной из своих лекций заявил, что путешествие из Нью-Йорка в Ливерпуль с использованием парового двигателя на всем протяжении – химера. С таким же успехом можно говорить о путешествии из Нью-Йорка на Луну. Среди всего прочего он раскритиковал новый поверхностный конденсатор Сэмюела Холла (1781–1863) для использования отработанного пара. Цель – сохранить чистую воду для неоднократного ее использования в течение долгого путешествия. Ларднер всегда ясно и четко формулировал свои мысли, в этом случае даже слишком. У него были основания сомневаться, смогут ли суда взять на борт достаточно топлива для трансатлантического путешествия из Нью-Йорка в Ливерпуль с использованием парового двигателя того времени. Также он считал сомнительным, что при этом останется место для других грузов. Несколько пароходов в 1820-х годах пересекли Атлантику, но они часть пути использовали паруса. Royal William в 1831 году совершил три коротких рейса из Монреаля в Галифакс, а в августе 1833 года из Пикту через Атлантику в Грейвсенд. Большую часть пути пароход шел под паром, но паруса на нем были тоже. Уголь для двигателя мощностью 200 лошадиных сил занимал почти весь трюм. Через океан пароход перевез следующий груз: 254 челдрона (мера веса) угля, коробку с чучелами птиц и шесть бревен, один ящик и один сундук, мебель для дома, арфу и семь пассажиров.

Две группы в Британии меньше заинтересовались заявлением Дионисия Ларднера, чем достижением Royal William. Компания Qween некоторое время эксплуатировала 700-тонный пароход Sirius. Он совершал рейсы между Лондоном и Корком, что в Ирландии. Расстояние между ними составляет примерно 600 миль. Руководители компании знали, на сколько Sirius (рис. 9.7) хватит одной тонны угля, а также знали, что более крупное судно вот-вот пересечет Атлантику. Они погрузили на Sirius более 450 тонн угля и отправили его с несколькими пассажирами из Корка в Нью-Йорк. Это было 4 апреля 1838 года. Спустя восемнадцать дней Sirius появился в районе Сэнди-Хук и на следующий день бросил якорь у Бэттери. Уголь к этому времени у него практически кончился. Его конкурент Great Western вышел в море четырьмя днями позже, а прибыл к месту назначения в тот же день. В газетах много писали о гонке через Атлантику. На самом деле Great Western мог первым выйти в море и прибыть в Америку, если бы его не задержал пожар и посадка на мель в Грейвсенде, недалеко от Лондона.

Рис. 9.7. Sirius после прибытия в Нью-Йорк, 1838 г.

Думая о Бристоле как о следующей остановке на линии после Нью-Йорка, директора Великой Западной железной дороги сформировали в 1835 году вспомогательную судоходную компанию и поручили инженеру Изамбарду К. Брюнелю построить судно для трансатлантических перевозок. Брюнель и его коллеги создали Great Western длиной 235 футов, шириной 35¼ фута и водоизмещением 1320 тонн. Его двигатели с цилиндрами диаметром 73½ фута вырабатывали мощность 750 лошадиных сил. Гребные колеса имели диаметр 28 футов; судно развивало скорость до 8 узлов. Оно пересекало Атлантику от Бристоля до Нью-Йорка за пятнадцать дней, расходуя 655 тонн топлива. До продажи в 1847 году Great Western снизило время в пути до 12 суток и восемнадцати часов на запад и двенадцати дней и семи часов на восток. Отвечало ли это океанское судно всем ожиданиям директоров Великой Западной железной дороги, сомнительно. Но оно определенно, вместе с Sirius, знаменовало начало трансатлантических перевозок под паром. В 1851 году Дионисий Ларднер заявил, что никогда не называл трансатлантические рейсы «химерой», как это было указано в Liverpoll Albion от 14 декабря 1835 года.

Рис. 9.8. Great Western постройки 1838 г.

Кьюнарды начали появляться в 1840 году. Первый из них, Britannia, построенный из дерева и имеющий боковые колеса, вышел из Ливерпуля в Америку в пятницу 4 июля 1840 года, предпочтя суевериям рекламу, и прибыл в Бостон 18 июля. Судно имело водоизмещение 1154 тонны. Его четыре котла работали под давлением 9 фунтов. Одноцилиндровый двигатель потреблял 38 тонн угля в день, вырабатывал 740 лошадиных сил, и судно развивало скорость 8½ узла. К 1843 году у Великой Западной компании уже было железное судно для трансатлантических перевозок. Джон Уилкинсон, Уильям Фейрберн и другие инженеры некоторое время строили железные корпуса. У железа было много преимуществ в сравнении с деревом: железные корпуса были легче, прочнее, более долговечны и не подвержены гниению. Вместимость судна была больше. Его можно было делать длиннее, не опасаясь изгиба. В целом железо намного больше, чем дерево, отвечало требованиям сторонников больших судов. Судно Great Britain (рис. 9.9) было так велико, что для него пришлось построить специальную верфь. Его водоизмещение составляло 3443 тонны.

Рис. 9.9. Great Britain, первый железный пароход, 1843 г.

Вскоре после этого изобретатель Джон Эриксон (1803–1889), швед по рождению, впоследствии прославившийся своим броненосцем Monitor, и англичанин Фрэнсис П. Смит продемонстрировали гребные винты. Они превосходили гребные колеса при волнении и при появлении в воде льда, так как все время оставались погруженными в воду и не забивались льдом. Правильно поставленные, они не «сверлили дыры» в воде и были эффективнее гребных колес. На новом судне Брюнеля – Great Britain – гребные колеса, планировавшиеся изначально, заменили новыми движителями – гребными винтами. Вал гребного колеса, для производства которого Джеймс Несмит (1808–1890) изобрел свой паровой молот, так и не был изготовлен. Вместо этого был сделан вал гребного винта, который вращался четырьмя плоскими цепями, двигавшимися по барабану диаметром 18¼ дюйма и длиной 36 дюймов. Барабан был установлен на коленвал, который приводился в движение четырьмя цилиндрами. Каждый цилиндр имел диаметр 88 дюймов и 6-футовый ход поршня. Шкив на валу винта имел диаметр 6 футов, так что вал гребного винта вращался в четыре раза медленнее коленвала. Пар поступал из пяти котлов под давлением 5 фунтов, обеспечивая 1500 лошадиных сил. Гребной винт имел диаметр 15 футов 6 дюймов, сначала на нем было четыре лопасти, потом их число увеличили до шести.

Имея на борту 50 или 60 пассажиров и 600 тонн груза, Great Britain, самое крупное океанское судно того времени, вышло из гавани Ливерпуля 26 июля 1845 года и прибыло в Нью-Йорк через 14 дней и 21 час. Оно двигалось со скоростью 9½ узла. Хотя эта скорость не была особенно примечательной, судно Great Britain установило норму на ближайшие годы. Как известно, старые вещи достигают совершенства, когда появляются новые, призванные их заменить. Клиперы 1850-х годов с полным парусным вооружением продолжали бороздить моря, восхищая своей неповторимой грацией и красотой. Но они замирали, когда не было ветра, наполнявшего их паруса, и мимо них деловито проплывали пароходы, торопясь в порт по расписанию.

Паровые двигатели на судах

Пока Генри Бессемер демонстрировал металлургам Британии процесс выплавки стали, Изамбард Кингдом Брюнель (1806–1859) планировал постройку самого большого судна в мире. Оно должно было превзойти по тоннажу и мощности все существующие суда. Судно Great Britain 1843 года имело водоизмещение 3443 тонны, и мощность его энергетической установки составляла 1500 номинальных лошадиных сил. Судно Great Eastern (рис. 9.10) должно было иметь валовой тоннаж 27 060 тонн, а мощность его энергетической установки предусматривалась в размере 11 000 номинальных лошадиных сил. Судно Great Britain имело длину 322 фута и ширину 50 футов 6 дюймов. Судно Great Eastern должно было иметь длину 692 фута, а ширину – 83 фута до кожуха гребного колеса и 120 футов – максимальную. На нем должны были располагаться каюты для 800 пассажиров первого класса, 2000 пассажиров второго класса и 1200 пассажиров третьего класса – всего 4000 человек. Команда – 400 человек. Пассажиры должны были размещаться в центральной части судна над машинным отделением. Такая компоновка считалась инновацией и двадцатью годами позже, когда была принята на линии White Star. На Great Eastern предусматривалось место для 6000–8000 тонн груза, а бункеры вмещали 12 000 тонн угля, что было достаточно для путешествия в Индию, Китай или Австралию и обратно вокруг мыса Доброй Надежды. В общем, Great Eastern – будущий властелин морей.

Рис. 9.10. Great Eastern в океане

Его постройка началась слишком рано, чтобы на нем могли использовать сталь. Судно было спущено на воду 31 января 1858 года. При создании его железного корпуса применялись все принципы, по сей день являющиеся основополагающими для судостроения из стали. Он имел продольный набор и трубчатую конструкцию – это напоминало двойной купол Брунеллески и фермы Фейрберна моста «Британия». Вдоль дна, бортов и палубы были пущены стрингеры, на которые опирались 10 поперечных водонепроницаемых переборок, жестко скрепленных с ними и доходящих до верхней палубы. Также были предусмотрены две продольные водонепроницаемые переборки. Дно и борта были двойными, собранными из стальных пластин. Расстояние между внутренней и внешней «оболочками» – 2 фута 10 дюймов. При этом достигалась не только прочность корпуса, но и безопасность. Судно было разделено на ячейки и при затоплении одной или двух из них оставалось на плаву.

Движителями Great Eastern были гребные колеса и гребной винт. На гребные колеса работала паровая машина с четырьмя качающимися цилиндрами диаметром 74 дюйма каждый; давление – 25 фунтов, ход поршней – 14 футов, максимальная мощность – 5000 лошадиных сил при 16 оборотах в минуту. На винт работала паровая машина с четырьмя цилиндрами диаметром 84 дюйма каждый, давление – 25 фунтов, ход поршня – 4 фута, максимальная мощность – 6500 лошадиных сил при 55 оборотах в минуту. Обе машины были простыми, то есть однократного расширения пара. Гребные колеса имели диаметр 56 футов, лопасти – длину 13 футов и ширину 3 фута, число лопастей на каждом колесе – 30. Гребной винт имел диаметр 24 фута и 4 лопасти.

На судне было установлено 10 железных котлов, прямоугольных по форме, 6 – для двигателей гребного винта и 4 – для двигателей гребных колес. Они были оборудованы медными жаропрочными трубами, имели размеры 18 на 14 на 18 футов. Каждый котел имел 10 топок, в которых надо было днем и ночью поддерживать огонь – вручную, в удушающей жаре. Брюнель не применял новый поверхностный конденсатор Холла, желая сэкономить отработанный пар и повторно использовать его, как свежую воду. Вместо этого он использовал старый метод впрыскивания воды в конденсационные камеры; в качестве питательной воды продолжала использоваться морская вода, что приводило к неизбежному повреждению котлов из-за растворенных в воде солей и прочих веществ, и вызывало необходимость частого ремонта. Но даже при этом они вырабатывали достаточно мощности, чтобы Great Eastern двигался со скоростью 14–15 узлов. Самые быстрые клиперы 1850-х годов при сильном попутном ветре могли двигаться со скоростью 18 узлов. Great Eastern, не зависящий от ветра и имевший возможность выбрать прямой путь, неизбежно опережал их в соревновании от порта до порта – если, конечно, ничего не случалось с его двигателями. На судне было шесть мачт. Все были оснащены косыми парусами, а вторая, третья и четвертая – также реями. Мачты имели высоту от 130 до 170 футов. Пять мачт были из кованого железа, свернутого в трубчатую форму, диаметром от 2 футов 9 дюймов до 3 футов 6 дюймов. Бизань была деревянной с пеньковыми оттяжками, чтобы снизить влияние магнетизма железа на судовой компас, установленный на мачте.

Имея на борту 38 платных пассажиров и 8 гостей, Great Eastern вышел в рейс через Атлантику 17 июня 1860 года и прибыл в Нью-Йорк спустя 11 дней. В пути проблем не возникло. Определенное беспокойство вызвало только прохождение отмели в районе Сэнди-Хук, однако все обошлось благополучно. Рейс стал предтечей будущей трансатлантической навигации, однако судно было неповоротливое, слишком большое и сложное в эксплуатации. Прошло около сорока лет, прежде чем Oceanic обогнал по длине Great Eastern, а его тоннаж не был превзойден, пока в 1901 году не было построено судно Celtic.

По общепринятому мнению, Great Eastern появился в истории паровой навигации слишком рано, чтобы стать успешным. Высокая цена привела к разорению компании-владельца и продаже судна другой компании, не заинтересованной в восточной торговле, для которой предназначалось судно. Трансатлантический переход был слишком коротким, чтобы проявились преимущества гигантских размеров и надежности этого судна. Какое-то время оно работало на прокладке атлантического кабеля, но больше не принесло никакой пользы на море и окончило свои дни на Мерси в роли плавучего зала для развлечений. В 1889 году оно было разобрано и продано на металлолом за 16 000 фунтов, что составляло примерно 1/60 часть его первоначальной цены.

Большое судно было задумано до начала работ на Суэцком канале. Если бы судно сумело прочно утвердиться на длинных морских переходах в начале 1860-х годов, до открытия в 1869 году Суэцкого канала, оно бы в какой-то степени определил размеры канала. Если так, то последующая история трансокеанской навигации стала бы другой. После ввода в эксплуатацию Суэцкого канала стало очевидно, что все суда восточной торговли должны быть скорее достаточно маленькими, чтобы пройти по каналу, чем достаточно большими, чтобы выдержать долгий океанский переход вокруг мыса Горн и через Индийский океан. Размышления о том, как могли обернуться дела, весьма интересны, но исторический факт остается. Важность Great Eastern заключается не в его успехе или провале, а в его влиянии на практики морской инженерии. Уильям Х. Уайт, президент Института гражданских инженеров, в 1903 году отметил среди его достижений достаточную прочность при минимальном весе, безопасность благодаря ячеистой конструкции и двойному дну, экономию угля и готовность к дальним переходам под паром. Это судно, указал Уайт, также обладало весьма неплохими мореходными качествами. Он отметил, что Брюнель продемонстрировал знания, которыми не обладал ни один конструктор того времени, и его дерзкие решения получили оправдание последующим опытом. Главное, он доказал, что размеры судна – это его преимущество и должны ограничиваться только спросом и возможностями портов.

Однако после Great Eastern на какое-то время установился спрос на небольшие суда с более высокой эффективностью и скоростью. Переход от железа к стали имел место с развитием бессемеровского и мартеновского процессов выплавки стали. Этот переход дал более легкий вес и большую прочность каждой детали. К 1891 году 80 процентов всех строящихся пароходов были из стали. Одновинтовые движители заменили гребные колеса на океанских судах. Паровые машины высокого давления трехкратного и четырехкратного расширения снизили расход топлива на 50 процентов. Появилось больше места для оплачиваемых грузов. Энергия пара окончательно доказала свое превосходство в конкуренции с парусами на океанских переходах, чего не было в первые дни Great Eastern.

Локомотивы

После того как древние поняли значение хомута и подковы, которые позволяют лошади тянуть тяжелые телеги, прошло около тысячелетия, прежде чем был сделан новый важный шаг в сухопутных перевозках. Транспортным средством, заменившим конные телеги на больших расстояниях, стали паровозы – железные кони. Хотя первые дорожные локомотивы не были успешными, они имеют определенную историческую важность, потому что стали предками железнодорожных локомотивов. Фламандский иезуит-миссионер, проповедовавший в Китае во времена династии Цин, стал первым создателем самодвижущегося транспортного средства. Используя эолипил Герона Александрийского, знания в области механики, полученные им дома, собственную изобретательность и время, свободное от проповедей язычникам Пекина, Фердинанд Вербист (1623–1688) построил из легкого дерева модель повозки длиной два фута. Ось ее передних колес была соединена с эолипилом, паровой турбиной, которая подпитывалась из сосуда, полного горящих углей. Транспортное средство Вербиста двигалось по кругу в течение часа или около того – столько времени, сколько пар продолжал вырываться из эолипила. Вероятнее всего, Вербист сделал свою паровую повозку в 1665–1681 годах. Рассказ о ней впервые появился в Европе в Диллингене, Бавария, в 1687 году в главе о пневматике книги Вербиста Astronomia Europea.

Французский ученый Дени Папен (1647–1712) создал вторую модель самодвижущегося транспортного средства около 1698 года и использовал в ней свои идеи о цилиндре и поршне. Оно предназначалось для военных целей. Французский военный инженер Никола Жозеф Кюньо (1725–1804) стал первым, кто вывел самодвижущуюся машину на дорогу (рис. 9.11), использовав паровой двигатель, созданный независимо от двигателей Ньюкомена и Уатта. Кюньо использовал идеи Папена относительно цилиндра, поршня и пара. Его двигатель работал при давлении выше атмосферного, без конденсатора – характерной черты британских двигателей. Годом позже паровая машина Кюньо подверглась некоторым усовершенствованиям, чтобы стать трехколесной «огненной телегой», используемой для буксировки артиллерийских орудий. Мощность поступала непосредственно на единственное переднее колесо. Таким образом, изобретатель уходил от проблемы дифференциального механизма или других приспособлений, необходимых, чтобы заставить одно колесо двигаться быстрее другого при резких поворотах. Между тем он подвесил котел на ведущее колесо, вместо того чтобы поставить его внутри транспортного средства, что сделало машину громоздкой, неустойчивой из-за высокого центра тяжести и склонной к опрокидыванию. Кроме того, два цилиндра, установленные изобретателем, не справлялись со своей задачей, хотя их диаметр составлял 13 дюймов. Они должны были работать при относительно высоком давлении, и поступательное движение поршней в цилиндрах преобразовывалось при помощи храпового механизма во вращательное движение ведущего колеса. Переднее колесо поворачивали два толкающих рычага. При этом давление быстро падало, и телегу приходилось часто останавливать, чтобы добавить воды и вновь развести огонь в топке. Паровая телега двигалась со скоростью около 4 миль в час – в лучшем случае. Ее до сих пор можно видеть в парижском музее Conservatoire des Arts et Metiers.

Рис. 9.11. Паровая телега инженера Кюньо, 1770 г.

В Британии тоже велись эксперименты по созданию дорожного транспортного средства. Блестящий помощник Джеймса Уатта, шотландец по рождению Уильям Мердок (1754–1839) построил рабочую модель высотой 1 фут и испытал ее на дороге, ведущей к церкви. Шипящий маленький монстр произвел в высшей степени негативное впечатление на священнослужителя. Уатт подумывал о создании двигателя, который будет везти сам себя, однако раскритиковал идею своего помощника, как это делал со всеми машинами высокого давления, и дело остановилось на стадии модели. Не таким был упрямый житель Корнуолла Ричард Тревитик. Он пожелал во что бы то ни стало или опровергнуть Уатта, или превзойти его.

Тревитик построил модель в 1798 году и к 1801 году превратил ее в полномасштабный локомотив, с помощью которого планировал перевозить пассажиров. Получив патент 24 марта 1802 года, он в 1803 году отправил свой двигатель морем из Плимута в Лондон и действительно вывел машину на улицу. Это была адаптация его двигателя, работавшего на выхлоп, с цилиндром диаметром 5½ дюйма и ходом поршня 2½ фута. Он работал при давлении до 30 фунтов, совершая 50 ходов поршня в минуту. Три колеса машины Тревитика были из дерева с железными «шинами». О скорости машины на дороге информации нет. Однако до важнейшего события в истории перевозок было уже рукой подать. Надо было только, чтобы Тревитик довел дело до конца. Оказалось, что инженерное воображение Тревитика намного богаче, чем его упорство. При первой серьезной поломке он утратил интерес к паровым машинам на дорогах и приступил к разработке паровых машин для рельсов. Его идеи были по-настоящему новаторскими, но и здесь он не довел дело до конца, отвлекшись на другие проблемы, показавшиеся ему еще более интересными.

Тем временем американский конкурент Тревитика в создании парового двигателя высокого давления Оливер Эванс тоже подумывал о «паровых телегах», но достиг большего со стационарными силовыми установками. В том, что Эванс прекратил эксперименты по созданию паровых машин для автодорог, следует винить не столько его, сколько законодательство штата Пенсильвания. Когда он потребовал выдать ему права на паровую перевозку по дорогам, власти посчитали его безумным и проигнорировали требование. Тем не менее изобретатель работал над самодвижущимися колесными средствами достаточно долго, чтобы приспособить один из своих двигателей высокого давления к деревянной драге на колесах (рис. 9.12). Он назвал свое детище Orukter Amphibolos, что в буквальном переводе означает копалка, работающая в обоих направлениях. В июле 1805 года Orukter Amphibolos проехал 1½ мили по Маркет-стрит и несколько раз вокруг центральной площади Филадельфии, после чего въехал в Скулкилл. Там начало работать гребное колесо, и он проплыл 16 миль к причалу на реке Делавэр.

Рис. 9.12. Orukter Amphibolos Эванса

Orukter Amphibolos должен был драгировать у причалов и набережных города. Но после трех лет экспериментов проект был заброшен. Городские власти потратили 4800 долларов на «грязевую машину». Наблюдая за легкостью, с которой это странное устройство двигалось по Маркет-стрит и вокруг площади, Эванс пришел к выводу, что оно преодолеет любой подъем на дорожной магистрали, не превышающий 4 градусов, то есть 7 процентов. Похоже, больше никто так не считал. Изобретатель оценил максимальную скорость – 15 миль в час. Это устройство можно посчитать не более чем историческим курьезом, и уж ни в коем случае не предком современного автомобиля.

Учитывая успехи паровозостроения, многие изобретатели в течение следующих двадцати лет пытались создать паровые транспортные средства для дорог. Особенно актуальной была эта проблема в Англии, где Телфорд, Макадам и другие инженеры прокладывали хорошие дороги с твердым покрытием через густонаселенную сельскую местность. Среди инженеров, испытывавших самодвижущиеся машины на дорогах Британии, можно отметить Голдсуорси Герни (изображение машины дано на рис. 9.13), Тимоти Берстолла, Джона Скотта Рассела и Уолтера Хэнкока. Рассел впоследствии стал строителем парохода Great Eastern. Берстолл конкурировал со Стефенсоном в испытаниях двигателей для рельсовых локомотивов. Герни прославился успехами в химии, и его лекции по этому предмету оказали влияние на Майкла Фарадея.

Рис. 9.13. Паровая повозка Герни, 1812 г.

Еще ребенком Герни (1793–1875) был глубоко впечатлен демонстрацией двигателя Тревитика на колесах. В публичной лекции в 1822 году он заявил, что «элементарная сила» может использоваться для движения экипажей по дорогам. Десятью годами позже он вспоминал, что его взгляды не были приняты ни инженерами-практиками, ни учеными, которые отнеслись к ним с очевидным скепсисом. Правда, их именитый коллега Гемпфри Дэви активно экспериментировал с механическим использованием сжатого диоксида углерода вместо пара. Герни решил доказать, что все они ошибаются, и ему это удалось. К 1832 году его паровая повозка ходила по расписанию четыре раза в день между Глостером и Челтенхемом. Двигатель Герни весил 2 тонны. Он состоял из водотрубного котла, который разогревался коксом, чтобы предотвратить дым. Он работал под давлением до 70 фунтов и обеспечивал скорость 24 мили в час. Колеса имели диаметр 4 фута и железные «шины» шириной почти 4 дюйма. За 396 поездок было перевезено 3000 пассажиров без серьезных аварий, за меньшее время, чем конные экипажи, и половинную плату.

Аналогичные экипажи имели скорость от 12 до 20 миль в час. Натаниэль Огл засвидетельствовал перед комиссией парламента, что смог добиться скорости 30–35 миль в час при относительно нормальной погоде и состоянии дороги. Другой оператор утверждал, что его дорожный локомотив проходит милю за 70 секунд. Правда, при внимательном прочтении отчета о его рейсе становится ясно, что дорога шла вниз по склону, а тормоза отказали. Едва ли все это можно считать доказательством силы пара. Новые способы передвижения утверждались в борьбе со старыми. Владельцы почтовых лошадей были крайне недовольны – впрочем, этого и следовало ожидать. Ведь, как утверждал один оператор, дорожный локомотив может пройти за день сто миль и заменить пятьдесят лошадей. Фермеры, выращивавшие овес, тоже были против новшества. Да и среди путешественников консерваторов было немало. Там, где имеется паровой котел, всегда присутствует вероятность катастрофы. А значит, новомодное средство передвижения не только неудобно, но и опасно. В случае взрыва все пассажиры отправятся сразу и все вместе из этого мира в иной.

По факту котлы действительно часто выходили из строя и теряли мощность. Ущерб от этого был совсем невелик, потому что в котле было мало воды. Временами пассажиры даже не знали о выходе из строя котла, пока экипаж не останавливался. Взрывов с самого начала было мало, а жертв еще меньше. Парламент тем не менее прислушался к жалобам, были устроены слушания об опасности миру и спокойствию, правам собственности и возможном ущербе общественным дорогам. Было принято решение о введении различных ограничений. Дорожные локомотивы были обложены большими пошлинами. Даже было решено, что перед каждым дорожным локомотивом должен идти человек, держа в руках красный флаг. Ограничения существовали в Британии до 1896 года.

Но вовсе не зависть владельцев лошадей и фермеров в 1840-х годах не пускала паровые локомотивы на дороги Британии и Америки. Существовала разница между пошлинами для паровых локомотивов и пошлинами для конных экипажей. Впрочем, этой пошлины было, вероятнее всего, недостаточно, чтобы вытеснить с дорог локомотивы. Самые главные неприятности обрушились на головы операторов предшественников автомобилей с появлением железных дорог. Комментируя движение паровых локомотивов по дорогам Британии, нью-йоркский журнал American Road Journal от 30 июня 1832 года писал: «Было бы весьма своеобразно, если бы компании-операторы дорожных локомотивов вели себя по отношению к железным дорогам с той же бесцеремонностью, с которой железнодорожные компании относятся к операторам канального транспорта». Но все получилось не так. Железнодорожные компании, как и фермеры, владельцы лошадей и дорожные компании, обратились в парламент и стали осуществлять давление на творцов законов. Еще более значимым, чем запретительное законодательство, стал тот факт, что железные дороги предоставляли услуги по высокоскоростной перевозке грузов и пассажиров так хорошо, что самодвижущиеся дорожные локомотивы не могли с ними конкурировать. Триумф железных дорог продолжался до появления бензина, продукции, собираемой на конвейерных линиях, железобетона и резины.

Локомотивы на рельсах

Как уже говорилось, успех локомотивов зависел главным образом от создания компактных двигателей высокого давления и котлов, а также использования железнодорожных рельсов на земляных полотнах с небольшим градиентом. Первый прорыв в решении этих проблем был сделан в Англии, где паровые двигатели были изобретены и совершенствовались и где выплавлялось много железа. Инженеры модернизировали котлы высокого давления и двигатели для дорожных локомотивов, описанных выше, но решение некоторых железнодорожных проблем не было достигнуто до тех пор, пока первый пароход не пересек Атлантику, двигаясь на всем пути только под паром. Лишь в конце первой четверти XIX века металлурги сумели поставить адекватные железные рельсы. К этому времени инженеры осознали, что только почти ровное железнодорожное полотно позволит локомотиву буксировать достаточно много груженых вагонов, чтобы это приносило доход. Прошло сравнительно немного лет после строительства первых железных дорог, и паровые железнодорожные локомотивы стали вытеснять пароходы во внутренних перевозках. Хотя на реках и каналах еще оставалось немало пароходов, на их долю остался лишь небольшой процент тонно-миль, в сравнении с железной дорогой.

Ричард Тревитик испытал паровой локомотив в феврале 1804 года в Уэльсе. Вероятно, это был самый первый паровоз, прошедший по рельсам. Он вез 10 тонн железа, 70 человек, 5 прицепных вагонов 9½ мили со скоростью 5 миль в час, исключая время остановок для ликвидации препятствия на рельсах. В марте Тревитик писал, что испытал паровой локомотив с 25 тоннами железа. Когда он повредил рельсы, Тревитик определил его на стационарную работу, как сделал это с двигателем от своего дорожного локомотива. Тревитик отправил 8-тонный двигатель морем в Лондон и продемонстрировал его на кольцевой рельсовой дороге, установив на первый в мире пассажирский паровоз. На нем за 5 шиллингов мог прокатиться любой желающий. Свое детище изобретатель назвал «Поймай меня, кто сможет». Паровоз развивал скорость 12 миль в час, хотя Тревитик утверждал, что на прямой дороге он сможет разогнаться до 20 миль в час. Диаметр его цилиндров – 14½ дюйма, ход поршня – 4 фута. В конце концов агрегат сошел с рельсов и перевернулся. Из-за отсутствия средств его даже не стали восстанавливать.

По мнению многих специалистов, именно Ричард Тревитик первым показал, что сцепление гладких колес и гладких рельсов достаточно при небольших уклонах, и первым использовал паровую струю в дымовой трубе для увеличения тяги, а также попарно соединил четыре колеса транспортного средства, сделав их все ведущими. Это попарное соединение он выполнил с помощью передачи. В двигателе имелся только один цилиндр, и существовала опасность, что поршень застрянет в мертвой точке в момент остановки. Тревитик также использовал пламя отходящих газов в своих котлах. Все это предстояло скоординировать и усовершенствовать, прежде чем паровой двигатель локомотива будет признан экономичным и полезным на практике.

Рис. 9.14. Кольцевая железная дорога Тревитика в Лондоне в 1808 г.

Вряд ли стоит говорить, что такой безусловный талант, как Ричард Тревитик, непременно достиг бы успеха, если бы попытался все это сделать. Но он не пытался. Он занимался драгированием, строил тоннель под Темзой, совершенствовал свои стационарные двигатели и в 1816 году отправился в Перу на шахты, где оставался до начала войны за независимость от Испании. Есть сведения, что он планировал железную дорогу в Центральной Америке от Атлантики до Тихого океана. В 1827 году в Венесуэле он встретился с Робертом Стефенсоном (1803–1859), который также работал на шахтах. Те, кто знает политическую историю Британии и ее роль в освобождении республик Латинской Америки, увидят здесь нечто большее, чем простая антипатия к плохому управлению испанской монархии. Поскольку Тревитик был беден, Стефенсон снабдил его средствами. Вскоре они вернулись домой. Стефенсон добился славы в строительстве железных дорог и мостов, а Тревитик, один из самых талантливых британских изобретателей, умер в нищете.

Джон Бленкинсоп (1783–1831) в 1811 году построил локомотив для железной дороги. Он мог везти 94 тонны со скоростью 3½ мили в час на ровной дороге и преодолевать уклон более 5 градусов. По предложению Мэтью Мюррея из Лидса двигатель имел два цилиндра, причем кривошипы были расположены под прямым углом, чтобы преодолеть мертвые точки. Этот принцип был использован в последующих проектах локомотивов. Двигатель Бленкинсопа мог приносить доход, но работал нестабильно, и, в конце концов, его котел взорвался. Отец Роберта Стефенсона Джордж (1781–1848), талантливый самоучка, видел недостатки творения Бленкинсопа. Он решил, что сможет построить лучший «путешествующий двигатель», чем существовавшие. Еще до завершения работ он внес многие усовершенствования, необходимые для технической эффективности и экономического успеха паровых локомотивов на рельсах.

Стефенсон вернулся к использованию гладких колес и рельсов. Свой первый паровоз он назвал «Блюхер» в честь прусского генерала, воевавшего с Веллингтоном против Наполеона, и испытал его в Киллингсуорте 25 июля 1814 года. Двигатель имел два вертикально поставленных паровых цилиндра и котел. Цилиндры имели диаметр 8 дюймов и 2-футовый ход поршня. Поршни двигались вверх к крейцкопфам, откуда движение передавалось вниз по обе стороны котла через шатуны на кривошипы. Кривошипы были расположены под углом 90 градусов друг к другу, чтобы избежать остановки в мертвой точке. Оси были соединены посредством передаточных цепей и звездочек, так что все колеса, как у Тревитика, работали одновременно. Стефенсон сделал цилиндрический котел из кованого железа длиной 8 футов и диаметром 2 фута 10 дюймов с проходящей через него дымоотводной трубой. Как ранее поступил Тревитик, он отвел отработанный пар в дымовую трубу, тем самым повысив тягу. Локомотив Стефенсона тянул поезд из тридцати вагонов в угольной шахте со скоростью 4 мили в час. Но он был слишком дорогим, чтобы эксплуатироваться постоянно. Нужны были усовершенствования.

В 1815 году Стефенсон построил второй паровоз, в успехе которого был совершенно уверен, но, как выяснилось, зря. К 1818 году он пришел к выводу, что необходимо больше узнать о сопротивлении, которое его локомотив должен преодолеть. Главных было три. Это трение осей, трение колес и рельсов и сила гравитации на уклонах. Он сконструировал инструмент для измерения сопротивления поезда тяговому усилию двигателя и с помощью Николаса Вуда (1795–1865) сделал важнейшее открытие для всех будущих строителей-железнодорожников. Оказалось, что трение постоянно при любой скорости. Сопротивление вагонов на ровном прямолинейном участке достигает примерно 10 фунтов на длинную тонну. Но даже такой небольшой подъем, как 1 фут на 100, требует дополнительного усилия в 22,4 фунта на длинную тонну, чтобы преодолеть силу гравитации. Иными словами, однопроцентный градиент более чем в два раза увеличивает сопротивление движению в сравнении с ровным участком, а значит, тяговое усилие локомотива должно увеличиться больше чем в три раза. Стефенсон посчитал очевидным следующий факт: чтобы железнодорожные локомотивы стали практичными и успешными, они должны работать на максимально ровных путях. Этот важнейший фактор не был применен к первому железнодорожному пути, который Стефенсон начал строить в 1822 году, чтобы соединить угольные разработки Дарлингтона с портом в Стоктоне-на-Тис. Ни средства, ни профессиональный опыт строителей не могли сделать местность идеально ровной. На пути имелось несколько наклонных плоскостей со стационарными двигателями, и на некоторых участках даже приходилось использовать лошадей. Два локомотива, однако, стали заметными усовершенствованиями по сравнению с третьим. В день открытия дороги, 27 октября 1825 года, локомотив номер 1 тронулся в путь с грузом общим весом 90 тонн в 36 вагонах и 600 пассажирами со скоростью 12 миль в час.

Немного раньше в том же году Николас Вуд в первом издании своей книги A Practical Treatise on Railroads написал: «Я далек от мысли объявить миру, что нелепые ожидания, вернее, фантазии исполненного энтузиазма мечтателя будут реализованы, и мы увидим движение поездов со скоростью 12, 16, 18 и даже 20 миль в час. Ничто не может больше повредить их совершенствованию, чем обнародование подобной чепухи». Во втором издании его книги в 1831 году этой фразы не было.

Стоктонская и Дарлингтонская железные дороги привлекли внимание всего мира. Планы, которые некоторое время без особого энтузиазма рассматривались в самых разных местах, наконец обрели форму. Депрессия остановила некоторые из них, но ненадолго. Экономическое значение лучшей связи между текстильным городом Манчестером и портом Ливерпуль, тогда проходившей по Бриджуотерскому каналу Бриндли, было очевидно. В 1797 году прорабатывался вопрос об организации конной трамвайной линии, в 1822 году он возник снова, и в 1826 году, наконец, был выбран прямой путь. Джордж Стефенсон стал главным инженером, его сын Роберт строил локомотивы и отвечал за сооружение земляного полотна. Молодые инженеры, которых он собрал вокруг себя, тоже работали с неиссякаемым энтузиазмом.

Железная дорога между Ливерпулем и Манчестером стала решающим успехом, который понимали ее современники. Историк Генри Бут писал: «Скорость – отправка – расстояние – все еще относительные величины, однако их значение за последние месяцы изменилось». Джордж Стефенсон смог не обращать внимания на стоимость и претворить в жизнь свой принцип относительно того, что уклоны должны быть как можно более плавными. После завершения строительства оказалось, что стоимость дороги увеличилась вдвое. Впоследствии тоже без дополнительных расходов не обошлось. На одном участке длиной 2 мили у горы Олив, недалеко от Ливерпуля, колея местами шла под уклоном 80 футов. Через тоннель длиной 1¼ мили, тоже в районе Ливерпуля, градиент составил 2,1 процента, и в первое время поезда затаскивали на наклонную плоскость с помощью стационарного двигателя, которые убрали только в 1832 году. Другой чертой инженерии Стефенсона, которая увеличила стоимость, но заставила замолчать критиков, была постройка для дороги огромной насыпи напрямик через илистую трясину Кошачье болото. Весьма примечательным стал арочный виадук Санки, проложенный через долину Санки, – самый ранний железнодорожный виадук в мире. Но не он, а паровой локомотив, который Джордж Стефенсон и его сын построили для новой железной дороги, положил конец всем сомнениям в том, сможет ли паровоз заменить лошадь.

Джордж Стефенсон убедил энтузиастов провести публичные испытания и предложить приз 500 фунтов за лучший локомотив, который будет отвечать установленным условиям – весу, скорости, тяговому усилию. Из четырех локомотивов, принявших участие в соревновании, проведенных 6—14 октября 1829 года, два столкнулись с техническими трудностями, а третий оказался слишком слабым. Верх одержала «Ракета» Стефенсона (рис. 9.15), отвечавшая всем поставленным условиям. Во время второго пробега локомотив провез экипаж с пассажирами со скоростью 25–30 миль в час. В этом паровозе сконцентрировались черты, особенно важные для эффективного парового локомотива. Котел Стефенсона был многотрубный, оснащенный 25 медными трубами диаметром 3 дюйма. По ним шел поток горячих газов в дымовую трубу. И совершенно не важно, узнал ли Стефенсон о такой компоновке от Марка Сегена (1786–1875) или француз от него. Возможно, оба разработали ее независимо, как это сделал Джон Стивенс в Америке. Важно лишь то, что Стефенсон использовал ее в своей «Ракете», повысив термическую эффективность двигателя и мощность парообразования. Топка, расположенная в задней части котла, была окружена водяными отсеками – водяными петлями, чтобы сберегать жар. Эти детали со времен Стефенсона не слишком изменились. Стефенсон отправлял отработанные газы в дымовую трубу, а наличие отверстий предохраняло от взрыва. Согласно первому биографу Стефенсона Сэмюэлу Смайлсу, он таким образом удвоил мощность двигателя. Цилиндры располагались под наклоном, но поршни были соединены напрямую с ведущими колесами. «Ракета» с тендером весила около 7¼ тонны. Некоторые паровые локомотивы XX века с тендерами весили 500 тонн.

Рис. 9.15. «Ракета» Стефенсонов

После победы «Ракеты» Стефенсоны несколько модифицировали конструкцию двигателей. Они сделали цилиндры горизонтальными и расположили их в передней части локомотива, чтобы те двигались назад к главной оси. Место оператора двигателя находилось позади котла, так чтобы и он, и кочегар могли следить за огнем и работой двигателя. Много лет европейские локомотивы были с внутренними связями, иначе говоря, шатуны были связаны с кривошипами в осях между колесами. Американские конструкторы довольно рано начали строить локомотивы с наружными связями, с шатунами с внешней стороны ведущих колес. Были и другие перемены, однако можно с уверенностью утверждать, что последующие модели локомотивов были, в большинстве своем, всего лишь модификациями в некоторых деталях «Ракеты» Джорджа и Роберта Стефенсонов.

Рис. 9.16. Четырехколесная тележка XVI в. на рельсах

Совершенствование рельсовых путей началось сразу после того, как испытания в Рейнхилле показали возможность практического применения локомотивов. Самые разные рельсы использовались под землей в средневековых шахтах. Первая иллюстрация четырехколесной тележки на рельсах (рис. 9.16) была опубликована в 1519 году. Представляется, что германские шахтеры принесли эту идею на угольные шахты Нортумберленда в Британии около 1600 года – не первый и не последний раз, когда привозной труд положил начало важным изменениям в стране. Не надо было обладать особенно богатым воображением, чтобы перенести рельсы из подземелья на причал ближайшего водного пути, и никакого воображения вообще не требовалось, чтобы нагрузить тележки другими грузами, помимо угля и руды. «Вагоны» тянули или толкали лошади.

Рис. 9.17. Гранитная дорога в Квинси, одна из первых в США, 1826 г.

Следующим усовершенствованием стало прикрепление железных полос к деревянным рельсам, а потом – установка металлических шин на колеса. Эти два усовершенствования снизили сопротивление движению и продлили срок службы как колес, так и рельсов. Так возникли частные трамвайные линии XIX века. Среди них можно назвать 3-мильную железную дорогу в Квинси, Массачусетс, построенную в 1826 году (рис. 9.17), по которой перевозили гранит из каменоломни на причал для последующей транспортировки к месту строительства монумента Банкер-Хилл, маяка на Майнот-Ледж, здания Бостонской таможни и других памятных сооружений. Эта дорога была лучше всех известна, пусть даже не была самой первой в Соединенных Штатах.

Первая железная дорога протяженностью 8 миль, изначально предназначенная для перевозки пассажиров, была построена от реки Темза в Лондоне на юг до Кройдона, где сегодня находится первый крупный лондонский аэропорт. Эта дорога, получившая название Суррейской, была открыта в 1803 году. Позже она была продлена и работала до 1846 года. Компании, ее эксплуатировавшие, платили сборы и владели или нанимали экипажи. По своей сути эта дорога мало чем отличалась от лежневой, но была сделана по образцу конножелезной дороги. Лежневые дороги впоследствии были популярны в американских и канадских общинах, где было много лесов и, значит, дешевые лесоматериалы, а время мощенных камнем дорог еще не пришло. Хотя лежневые дороги были частными, они были открыты для всех после уплаты сборов. Экипажи предоставлялись владельцами дороги.

Проблема удержания вагонов на рельсах, таким образом, была решена до того, как ее поставило появление локомотивов. Сначала это был простой зубец под вагоном, двигавшийся в траншее между рельсами. Это приспособление можно видеть в De re metallica Агриколы на шахтерской тележке 1556 года. Система использовалась до 1870-х годов для конки в Женеве, Швейцария. Когда именно появилось колесо с ребордой, в точности не известно, но идея созрела в 1730-х годах. Тележка Ральфа Аллена имела реборды на чугунных колесах. Они плотно прилегали к деревянному рельсу. Были испытаны реборды и на самих рельсах, как с внутренней части, так и снаружи, но не нашли широкого применения.

О происхождении железнодорожных шпал нам известно не больше, чем о происхождении колеса и оси. Шпалы, определенно, являются не такими древними, однако поперечные связи на мостах, рамных опорах разного рода и других деревянных конструкциях широко использовались со времен Цезаря. На ранних железных дорогах применялись крестовины. Использование массивных каменных блоков для поддержки рельсов без крестовин, которое вошло в моду вместе с первыми локомотивными двигателями, на самом деле было неудачным отходом от проверенного приспособления. Шпалы лучше предохраняли рельсы от раздвижки, они также намного лучше обеспечивали устойчивость. К 1838 году Николас Вуд, коллега Стефенсона, особенно настаивал на установке шпал там, где земля подвергалась оседанию. Жесткий камень, стальные или бетонные опоры часто используются сегодня на терминалах и погрузочных платформах, где необходима устойчивость, а скорость не принимается во внимание, но подобные опоры являются несжимаемыми и потому не подходят для высокоскоростных железных дорог. Даже самый прочный и устойчивый железнодорожный путь должен обладать некоторой степенью эластичности, иначе подвижной состав будет повреждаться от ударов. Поездам, как и лошадям, нужна небольшая упругость дороги, по которой они следуют.

По вопросу ширины железнодорожной колеи в 1840-х и 1850-х годах в Британии разгорелась настоящая война между Стефенсонами и Изамбардом К. Брюнелем, строителем Великой Западной железной дороги к порту Бристоль. Стефенсоны считали, что в будущем все железные дороги Британии войдут в единую систему. Брюнель мечтал о региональных группах, действительно вскоре появившихся, колея которых могла изменяться в зависимости от местных условий. Он грезил о более широкой колее, мощных двигателях и тяжелых поездах – таким он видел транспорт будущего. Стефенсоны строили для Брюнеля локомотивы с 7-футовой колеей, как он требовал, но сами предпочитали сохранять расстояние между рельсами 4 фута 8½ дюйма – такова была традиционная колесная база тележек. Представляется, что именно их двигатели сделали эту ширину стандартной. Испытывали разные размеры колеи, от 2 до 7 футов. За меньшую ширину выступали сторонники экономии, за большую – сторонники высоких производственных возможностей. Были построены сотни миль железнодорожных путей, имеющих разную колею, но все они со временем были заменены на стандартную. На железной дороге Эри в Соединенных Штатах, к примеру, до 1878 года использовалась 6-футовая колея, однако там больше занимались финансовыми манипуляциями, а не инженерией. Отличные локомотивы Стефенсона, имеющие стандартную колею, одержали верх в Америке. Желательность одинаковой колеи стала очевидной с появлением перевозок между городами, штатами и государствами. Только сугубо местные компании могли позволить себе иметь одну колею при въезде в город, а другую – в прочих местах. Когда колея Стефенсонов стала стандартной, было уже слишком поздно возражать. Ширина колеи древних тележек, составлявшая около 5 дюймов, стала стандартной для их преемников, что, вероятно, безмерно удивило бы древних владельцев.

Есть несколько малоправдоподобных теорий относительно происхождения колеи шириной 4 фута 8½ дюйма, и, между прочим, споры до сих пор продолжаются. Испанцы, к примеру, придерживаются колеи 5 футов 6 дюймов, ирландцы – 5 футов 3 дюйма, русские – 5 футов. Во всем мире есть множество как узкоколеек, так и дорог с более широкими колеями.

Рельсы тоже изменились, отвечая требованиям появившихся локомотивов. Деревянные трамвайные пути были покрыты полосками железа. Хотя они часто ломались, их продолжали использовать, в первую очередь в Америке, еще много лет после того, как в Британии были приняты железные рельсы. Рельсы, как и балки, сначала, в 1789 году, изготавливали из чугуна, они имели большее сечение в середине пролета между шпалами, чтобы выдерживать большие нагрузки. Рельс слегка провисал между шпалами, напоминая рыбье брюхо. Их так и назвали – «рыбье брюхо». Джордж Стефенсон посоветовал применять рельсы без подошвы на железной дороге Стоктон – Дарлингтон в 1821 году. Он считал, что такие рельсы будут оптимальными. Руководствуясь законами механики, наибольшая прочность будет достигнута, если увеличивать высоту, а не ширину рельса. Другое усовершенствование – устранить, насколько возможно, избыток металла в районе центра и сконцентрировать его в верхней и нижней частях, где напряжения от сжатия и растяжения наиболее велики. Такие рельсы имели Т-образное поперечное сечение. Но рельсы Стефенсона для железной дороги Стоктон – Дарлингтон были не такими. Они имели прямоугольное поперечное сечение, были сделаны из кованого железа, имели длину 12–15 футов и удельный вес – 28 фунтов на ярд. Они опирались на чугунные опоры – или стулья, которые были вбиты в каменные блоки.

Автором очередного усовершенствования стал американец Роберт Л. Стивенс (1787–1856), сын Джона Стивенса (1749–1838), который прославился разработкой парохода. Р. Стивенс, президент железной дороги Кэмден – Амбой – изначально это была линия для поездок между Нью-Йорком и Филадельфией, позже стала частью Пенсильванской железной дороги, – решил изучить состояние дел с железными дорогами в Британии. Также он тщательно обдумывал материалы и типы рельсов. По прибытии в Англию он разместил в одной из фирм Южного Уэльса заказ на рельсы с Т-образным сечением. Они были из кованого железа, длиной 18 футов и весом 36 фунтов на ярд.

Эксперименты с разнообразными поперечными сечениями на паровых железных дорогах прекратились в Америке только в 1840-х годах, когда началось массовое производство рельсов. Таким образом, Роберт Стивенс сумел выбрать тип рельса, который используется и сегодня на американских дорогах. Размер рельса увеличился. Некоторые рельсы сегодня имеют высоту 7½ дюйма над основанием шириной 6½ дюйма, а их вес возрос до 155 фунтов на ярд. Материалом стала сталь, подвергшаяся прокатке и температурной обработке, чтобы увеличить ее прочность и долговечность. Британский тип рельса, придуманный одним из инженеров Стефенсона, Чарльзом Виньолем, является двухголовым, то есть имеет симметричный верх и низ, и опирается на чугунные стулья.

Т-образные рельсы Стивенса устанавливали на каменные блоки. Однако деревянные шпалы быстро доказали свое превосходство и с тех пор использовались повсеместно. Практика расположения шпал варьировалась. В Соединенных Штатах их обычно помещали с промежутком 20–22 дюйма. Первоначально, чтобы придать устойчивость, их выравнивали и утрамбовывали землей и песком, гравием, битым камнем или даже угольной крошкой – в общем, практически любым материалом, оказавшимся под рукой. Представление, что битый камень необходим из-за большего веса и скорости современных поездов, в целом верно, однако оно не объясняет всей проблемы земляного полотна железной дороги. Балласт необходим, чтобы удержать рельсы на месте, предотвратить их соскальзывание и оседание. Ударная нагрузка от локомотива и поезда проходит по всей конструкции, состоящей из рельсов, шпал и земляного полотна. Как заметил Макадам, строя дороги, земляное полотно, чтобы сохранить твердость и устойчивость, должно быть сухим. Поэтому современные железные дороги укладывают на тщательно подготовленные поверхности, ровные и сухие. Каменная балластировка необходима для отвода воды от шпал.

Будь у строителей железных дорог выбор, каждая новая линия была бы прямой и ровной, согласно заветам Джорджа Стефенсона. Каждая кривая на ранних железных дорогах была просто дугой круга. Довольно скоро люди поняли, что для плавной езды при любой скорости в конце каждой кривой должна быть переходная часть с постепенно меняющимся радиусом. Тогда поезда смогут с минимумом потрясений переходить из поворота, где внешний рельс приподнят над внутренним, чтобы сбалансировать центробежную силу, на прямые участки, где нет возвышения рельса. Впервые заметил необходимость сгиба колесной базы транспортного средства на рельсах английский изобретатель. Уильям Чэпмен (1749–1832) в 1812 году запатентовал то, что британцы называют тележкой. Колеса его поворотной тележки двигались по рельсу или окружности кривой, а транспортное средство над ним – по хорде дуги. Длинные гранитные колонны для нового здания почты в Бостоне в 1826 году перевозили на весу ниже осей между двух четырехколесных платформ. Принцип использовался тот же, что в патенте Чэпмена. Так раньше могли перевозить длинномерные грузы.

Британские инженеры не сразу приняли идею Чэпмена, в отличие от американцев. Джон Блумфилд, главный инженер компании, занимавшейся строительством Делавэрского и Гудзонского каналов, получивший инженерный опыт на строительстве канала Эри, и его молодой помощник Горацио Аллен (1802–1889), который пришел в инженерию, отказавшись от юридической карьеры, были среди первых инженеров в Америке, обратившихся от каналов к железнодорожному строительству. Их план заключался в постройке 17-мильной железной дороги от угольных шахт в Карбондейле, Пенсильвания, до Хонесдейла на канале. Джервис составил спецификации для постройки в Англии паровоза Stourbridge Lion – «Лев Стоурбриджа», – за которым отправился Аллен. Он вел новый паровоз на 6-мильном испытательном участке 8 августа 1829 года, то есть за несколько месяцев до знаменитых Рейнхильских состязаний, став первым в Америке машинистом локомотива. Только 8-тонный вес локомотива оказался слишком большим для деревянного пути с покрытыми железом рельсами, а колеса – слишком жесткими для криволинейных участков, один из которых пересекал реку Лакаваксен по хрупкой деревянной эстакаде высотой 18 футов. Аллен благополучно провел паровоз по ней со скоростью 5 миль в час, но локомотив после еще одной попытки 9 сентября больше не работал.

В следующем году Горацио Аллен стал главным инженером Южно-Каролинской железной дороги и надзирал на заводе в Нью-Йорке за строительством локомотива Best Friend – «Лучший друг». Летом 1830 и 1831 годов он посетил Олбани вместе с Джервисом, который занимался строительством железной дороги между рекой Мохок и Гудзоном. Она должна была составить конкуренцию каналу Эри. Вместе они решали, как распределить вес локомотива на большее число колес, не увеличивая его воздействие на железнодорожный путь. Спустя сорок лет Джервис вспоминал, что Аллен хотел поместить два двигателя рядом, подвесив один котел между ними. Как Аллен расположил цилиндры, Джервис не уточнил. Оба инженера знали, как соединить две платформы и использовать их для перевозки длинномерных грузов на умеренной скорости. Они также из трудов Николаса Вуда знали, что велись эксперименты с аналогичным двигателем, имевшим две четырехколесные рамы, и котел располагался на одной из них. Джервис настаивал, что ведущие колеса, так же как и котел, должны располагаться на одной тележке. Вторую тележку – поворотную – он поставил спереди, для поддержания и направления транспортного средства в криволинейные участки. Результатом их многочисленных дискуссий и экспериментов стала система из двух пар ведущих колес, двух осей и передней поворотной тележки (рис. 12.1). Она стала называться американской и распространилась по всем Соединенным Штатам.

Железные дороги стали активно развиваться после знаменитого шоу Джорджа Стефенсона в Райнхилле. Строительство шло везде по мере стабилизации политических условий, даже во Франции, где Адольф Тьер советовал своему королю Луи-Филиппу, что железные дороги, пусть даже они хороши для Британии, не предназначены для Франции. Марк Сеген, как всегда, вырвался вперед и в 1831 году запустил паровые локомотивы на железной дороге Лион – Сент-Этьен. К 1842 году французское правительство запланировало постройку девяти линий, причем семь из них должны были исходить из Парижа. Главным фактором, определившим их расположение, была возможность быстрой мобилизации военных сил, но в других странах думали о бизнесе и путешествиях. Самая длинная дорога соединила Париж и Руан для путешествия в Британию через Английский канал.

К 1835 году в Бельгии появилась небольшая железнодорожная система. Она была построена и эксплуатировалась государством. Государство также было ее владельцем. По форме система напоминала крест с центром в Мехелене и имела железнодорожные терминалы на границах с соседними государствами. Германские железные дороги начались с линии Нюрнберг – Фюрт в Баварии, открытой в 1835 году. Другие соединили Лейпциг и Дрезден, Мюнхен и Аугсбург, Берлин и Потсдам. Они проектировались скорее для пассажиров, чем для грузов. Одни были частными предприятиями, другие принадлежали государству. Их объединение в единую систему произошло уже после Бисмарка. Голландия соединила Амстердам и Харлем в 1839 году, имея перспективный план импорта германского угля и перевалки испанской руды для германской промышленности на Рейне. Король Вильгельм II за свой личный счет профинансировал и построил железную дорогу. Россия, Австрия, Италия и Испания тоже строили планы. Первоначально почти все оборудование и подрядчики были британскими, но очень скоро им составили достойную конкуренцию американцы. Американец Джордж Вашингтон Уистлер, отец известного художника, в 1842 году отправился в Россию по приглашению царя Николая I, чтобы построить железнодорожную линию между Москвой и Петербургом.

Как и железная дорога Манчестер – Ливерпуль, дорога между Балтимором и Огайо стала мастерской, экспериментальной лабораторией железнодорожного строительства в Америке. Здесь локомотив Питера Купера Tom Thumb вступил в состязание с лошадью, проиграл лошади, но все равно продемонстрировал преимущества пара. Именно здесь была доказана нецелесообразность и непрактичность частных средств транспорта – над ними должен быть установлен централизованный контроль. Здесь же дорога впервые вышла за пределы речных долин, где почти нет неровностей, и вторглась в горную страну. Лучшая сила сцепления была получена увеличением нагрузки на ведущие колеса, и подталкивающие локомотивы без особого труда преодолевали подъемы до 4 процентов. Градиенты, форма рельсов и шпал – все это совершенствовалось на основании опыта и в конечном счете стало современным железнодорожным полотном. К 1853 году, спустя двадцать пять лет после того, как в Балтиморе появилась маленькая конная железная дорога, крупнейшая по тем временам железная дорога между Балтимором и Огайо пересекла Аппалачи и дошла до своей тогдашней конечной станции в Уилинге, штат Вирджиния, на реке Огайо. Строительство велось под руководством двух американских инженеров, сначала Джонатана Найта (1787–1858), а потом Бенджамина Генри Латроба (1806–1878). Европейским аналогом дороги Балтимор – Огайо стала Земмерингская железная дорога, открытая в 1853 году на главной линии от Вены к Триесту на Адриатике. Она пересекла Альпы, имевшие высоту почти 3000 футов над уровнем моря, через 15 тоннелей и по 16 виадукам на протяжении 33 миль.

В Соединенных Штатах дорог было немало. В 1851 году была открыта линия между Нью-Йорком и Буффало. Мы уже упоминали о системе каналов, которая составляла в 1830-х годах большую часть пути между Пенсильванией и Питтсбургом, примерно следуя маршрутом сегодняшней Пенсильванской железной дороги. Восточные 82 мили этого пути, между Филадельфией и Колумбией, были построены в 1834 году, как и канал, штатом Пенсильвания. Самой зрелищной чертой Пенсильванского канала был 36-мильный участок железной дороги, по которому грузы и пассажиры переправлялись через горы Аллегейни через Блэр-Гэп, что 2236 футах над уровнем моря.

Дэвид Стивенсон (1815–1886), шотландский инженер, охарактеризовал достижения Пенсильвании с позиций эксперта. В своем рассказе, опубликованном в 1838 году, он высоко оценил горную железную дорогу за смелость проекта и трудности его исполнения. Даже тоннели Мон-Сени и Симплтона показались ему не столь большим инженерным достижением, как железная дорога через Аллегейни. Он особенно выделил наклонные плоскости, назвав их самыми замечательными работами в этой области. Также он отметил 900-футовый тоннель и несколько воистину удивительных виадуков. Железная дорога состояла из 11 ровных или почти ровных участков общей длиной 32 мили и 4 миль наклонных плоскостей. Общий подъем от Холлидейсбурга до верхней точки на Блэр-Гэп составлял 1400 футов; далее шел спуск протяженностью 1171 фут по пяти равнинам и пяти пологим склонам к каналу в Джонстауне. Десять наклонных плоскостей были разной длины от 1500 до 3100 футов с уклоном 7—10 процентов. Линия состояла из двух путей, и на почти ровных участках некоторые небольшие вагоны тянули только паровые локомотивы. На подъемах им помогали стационарные двигатели мощностью примерно 25 лошадиных сил каждый. Одновременно можно было тянуть вверх 4 вагона с грузом 3,5 тонны и еще четыре спускать вниз.

Дэвид Стивенсон узнал, что в 1836 году с апреля по октябрь по железной дороге Аллегейни было провезено 14 300 вагонов – около 100 единиц в день. Можно было перевезти и больше, но для этого была необходима круглосуточная эксплуатация дороги. За этот период были перевезены 37 081 тонна грузов и 19 171 пассажир. Поездка Стивенсона из Холлидейсбурга в Джонстаун началась в девять часов утра и закончилась в 5 часов вечера с часовой остановкой для обеда. Средняя скорость – 5 миль в час. Все необыкновенное путешествие Стивенсона из Филадельфии в Питтсбург заняло 91 час чистого времени при скорости 4,34 мили в час. Из 295 миль он проехал 118 по железной дороге и 277 по каналу.

Чарльзу Диккенсу следовало бы приехать в Америку раньше, чтобы набраться опыта, прежде чем в своих «Американских заметках» написать такой очень английский комментарий об Америке: «Чудесно было ехать вот так на большой скорости по гребню горы, смотреть вниз в долину, залитую светом и радующую глаз нежностью красок; сквозь вершины деревьев мелькают разбросанные хижины, дети выбегают на порог, с лаем выскакивают собаки, которых мы видим, но не слышим. Испуганные свиньи опрометью несутся домой, семьи сидят в незатейливых садиках, коровы с тупым безразличием смотрят вверх, мужчины без сюртука, но в жилетах глядят на свои недостроенные дома, обдумывая, что делать завтра, а мы, словно вихрь, мчимся высоко над ними». Водители, проезжающие сегодня по скоростной автомагистрали, ведущей из Харрисбурга в Питтсбург, могли бы прочувствовать Диккенса полнее, если бы у них было время остановиться и как следует рассмотреть пейзажи и 900-футовый тоннель на старой дороге.

Сооружение Южно-Каролинской железной дороги, какое-то время считавшейся самой длинной железной дорогой мира, началось в сторону Огайо, благодаря неиссякаемому энтузиазму Роберта Хейна. Он умер в 1839 году, и ее владельцами стали более консервативные южане. Проект сделал Атланту железнодорожным узлом. Дорога двинулась в сторону Чаттануги, но затем отклонилась в направлении Мемфиса, Теннесси и Миссисипи, став чисто южным маршрутом, который никогда не конкурировал с дорогами из Нью-Йорка и Пенсильвании за грузы Великих озер и Северо-Запада.

Чикаго, группа домов вокруг форта Дирборн, имел к 1850 году не более 28 620 жителей. Энтузиасты, однако, построили первую железную дорогу на запад, к свинцовым рудникам Галена, еще в 1848 году. Мичиганская центральная и Мичиганская южная железная дорога подошли в Чикаго с востока в 1852 году. Иллинойская центральная дорога начала перевозки в южном направлении к реке Огайо через штат в том же году. К 1860 году, когда пенсильванская система подошла со стороны Питтсбурга и Цинциннати, население Чикаго составило уже 100 000 человек, еще через десять лет – 330 000 человек.

Накануне Гражданской войны северные интересы в этом регионе были намного сильнее, чем южные. Основные внутренние грузопотоки переместились с севера и юга на восток и запад. Пароходы Миссисипи и Огайо, действенные инструменты проникновения южан на северо-запад после 1811 года, утратили свою значимость, поскольку в 1850-х годах уступили большую часть грузов северным железным дорогам и каналу Эри. Уже одно только перемещение пшеницы и муки – достаточное тому доказательство. В 1839 году потоки были сбалансированы между портами Мексиканского залива и Атлантического побережья. В 1852 году северные транзитные линии на восток преобладали в соотношении примерно 5: 2 над речным путем по Миссисипи в Новый Орлеан. К 1861 году преимущество севера возросло до 15: 2. Понятно, что железные дороги существенно повлияли на исход Гражданской войны.

Пока война приближалась, Новый Орлеан оставался крупнейшим портом, почти равным Нью-Йорку. На самом деле имел место абсолютный прирост перевозок, поскольку хлопок, чисто южный продукт, увеличил объемы, следующие с низовьев Миссисипи, но относительное снижение объемов из-за перехода их в атлантические порты все же было велико, и южане понимали почему. Северная предприимчивость «откатила могучий поток Миссисипи и ее десяти тысяч притоков, и в конце концов их устья оказались больше в Нью-Йорке и Бостоне, чем в Новом Орлеане». Город пароходов должен иметь и железные дороги, ведущие к рынкам и источникам снабжения, как сети, создающиеся вокруг северных городов Нью-Йорк, Бостон, Цинциннати и Чикаго.

Глава 10

Железо и сталь

Быстро развивающиеся железнодорожные системы стимулировали рост сталелитейной промышленности, имевший место вскоре после середины XIX века. Потребность в стали для пароходов и высотных зданий также повлияла на рост сталелитейной промышленности. Необходимость в новом продукте часто напрямую мотивирует людей к увеличению его производства, но у двух или трех самых значимых изобретателей новых процессов выплавки стали такой мотивации, очевидно, не было. Среди многих людей, внесших существенный вклад в развитие эффективных и экономичных методов производства стали, можно выделить троих. Это англичанин Генри Бессемер (1813–1898), немец по рождению, обосновавшийся в Британии, Уильям Сименс (1823–1883) и лондонец Сидни Гилкрист Томас (1850–1885). Бессемер в 1856 году изобрел свой знаменитый конвертор, брат Сименса Фредерик в том же году получил патент на регенеративную печь, а Томас в 1878 году запатентовал процесс томасирования чугуна. Интересно отметить, что ни один из этих изобретателей не работал в металлургической промышленности.

Высокая потребность в стали не являлась непосредственным стимулом, который привел Бессемера и Сименса к столь важным изобретениям. Во время Крымской войны Бессемер разработал тяжелый снаряд продолговатой формы, который вращается в полете, но британское военное министерство он не заинтересовал. Впоследствии снаряд испытали французы в Венсене. Испытания прошли успешно, и после их завершения комендант крепости сказал: «Главный вопрос – можно ли сделать орудие, которое выдержит такой тяжелый снаряд». В автобиографии Бессемер написал: «Простое замечание стало искрой, из которой разгорелось пламя одной из величайших промышленных революций текущего века. Оно моментально приковало мое внимание к очевидной трудности ситуации: как сделать орудие, которое будет достаточно мощным, чтобы метнуть, с учетом всех соображений безопасности, этот тяжелый снаряд? Я отлично помню, как, возвращаясь в Париж в одиночестве той холодной декабрьской ночью, дал себе слово, если возможно, выполнить эту работу, столь успешно начатую. Я должен был создать чугун такого качества, чтобы он мог выдержать большие напряжения, создаваемые увеличенным весом снаряда». За два года Бессемер изобрел и усовершенствовал свой знаменитый конвертор.

В точности так же Уильям Сименс в 1847 году не имел интереса к производству стали для железных дорог, когда изобрел регенератор (первоначально он назывался респиратор) для паровой машины, позволявший более полно использовать тепло, тем самым снижая расход угля. Респиратор не был успешным, но Уильям и его брат Фридрих предприняли попытку применить принцип возврата утраченного тепла к другим процессам. В 1856 году они придумали регенеративную печь и впоследствии заменили твердое топливо предварительно нагретым газом. Хотя в 1857 году печь Сименсов была впервые использована для выплавки стали, в течение следующего десятилетия ее использовали в производстве стекла и для нагрева воздуха для домен.

Когда бессемеровская сталь стала доступной и надежной, потребность железных дорог в стальных рельсах для замены чугунных вызвала ускоренное развитие новой отрасли промышленности. Первые рельсы из бессемеровской стали были изготовлены в 1857 или 1858 году. Хотя небольшие пароходы из бессемеровской стали были построены в 1858 и 1859 годах, судостроители не использовали бессемеровскую сталь для океанских пароходов до 1880-х годов, несмотря на неоднократные требования Бессемера. Первые бессемеровские прокатанные балки использовались в ранних небоскребах, пример – здание страховой компании в Чикаго в 1884 году. Хотя потребность в стали не была фактором, побудившим Бессемера и Сименса сделать столь важные открытия, именно она подтолкнула Томаса к разработке процесса томасирования чугуна.

Сталь – это твердый раствор железа и углерода, содержащий до 1,7 процента углерода, в отличие от чушек и чугуна, в которых углерода от 2,5 до 4 процентов. В кованом железе углерода, как правило, меньше 0,1 процента, но оно также содержит 1–2 процента шлаков, что отличает его от очень мягкой стали. Древние, по-видимому, знали сталь, как и средневековые кузнецы, которые ковали, разогревали и снова ковали металл, пока не получали великолепные мечи Толедо и Дамаска, и жесткую сталь Шеффилда. Средневековые кузнецы делали сталь из ковкого железа благодаря процессу науглероживания. Они нагревали ковкое железо докрасна, поместив его в контакте с порошкообразным углем, в течение десяти дней или двух недель. Потом они ковали его или прокатывали, снова нагревали и опять ковали или прокатывали, чтобы металл впитал нужную часть углерода. Очевидно, чтобы приготовить сталь таким образом, необходимы были рабочие очень высокой квалификации, и они могли получить сталь только в небольших количествах. Такая сталь использовалась только для специальных целей и стоила очень дорого.

Помимо науглероживания (цементации), до бессемеровского конвертора существовала еще одна техника производства стали. Работавший в районе Шеффилда, Англия, Бенджамин Хантсмен около 1740 года разработал тигельный процесс, который много лет держал в тайне. Используя томленую цементованную сталь с высоким содержанием углерода на поверхности и намного меньшим – в середине, Хантсмен плавил заготовку весом около 35 фунтов в крытом плавильном тигеле в течение нескольких часов. Получившаяся сталь с относительно высоким, но более равномерно распределенным содержанием углерода была исключительно твердой. Поскольку он лил ее в формы, Хантсмен назвал свой продукт литой сталью. Ясно, что она производилась в еще более ограниченных количествах и стоила дороже, чем сталь, подвергшаяся цементации. Некоторые производители до сих пор изготавливают тигельную сталь для специальных целей. Сегодняшняя шихта состоит из ковкого железа и углеродсодержащих материалов, таких как шарики угля. Такая сталь все еще очень дорогая.

Промышленность

Значение бессемеровского процесса заключается в том, что он индустриализировал производство стали. Процессы цементации и тигельной плавки требуют высокопрофессиональных исполнителей, от опыта которых напрямую зависит успех. Генри Бессемер после первой отливки писал: «У нас было столько металла, сколько могут произвести два публинговщика и два их помощника, работающие без перерыва и расходующие большое количество топлива. Мы получили чистую однородную 10-дюймовую отливку за 30 минут „дутья“, причем без использования квалифицированного труда или топлива». Используя очищенные от фосфора шведские чугунные чушки, которые стоили ему 7 фунтов за тонну, Бессемер произвел литую сталь, которая продавалась по 50–60 фунтов за тонну, всего лишь расплавив ее и продув воздух через расплавленную массу.

Бессемер был не первым, кто получал сталь, продувая воздух через расплавленные чушки. Очевидно стараясь справиться с трудностями, связанными с недостатком древесного угля для своей печи в районе Эддивиля, Кентукки, Уильям Келли (1811–1888) впервые добился успеха в превращении чушек в сталь, продувая сквозь металл воздух, в 1847 году, то есть за девять лет до Бессемера. Тем не менее именно Бессемер создал оборудование для эффективного производства. Его конвертор (рис. 10.1) состоял из большого цилиндра, футерованного кирпичом, с открытым коническим верхом. Двойное дно дало возможность проделать отверстия, через которые вдувался воздух, чтобы окислять или гореть, тем самым убирая большую часть углерода. Конвертор стоял на опорном ролике, так что операторы могли наклонить его, как большой чайник, чтобы вылить сталь в формы. Получившиеся в итоге слитки можно было прокатывать, ковать или подвергать любой другой обработке. Во время одного «вдувания» конвертор мог производить около 20 тонн стали за столько же минут.

Рис. 10.1. Простой бессемеровский конвертор

Бессемеровский процесс, однако, был настолько быстрым, что считался ненадежным – он мог использоваться разве что для производства стали с очень низким содержанием углерода, количеством, оставшимся после того, как вдувание прекратилось. Такая сталь очень мягкая, и было трудно оставить достаточно углерода в шихте, чтобы сделать сталь тверже. Более того, если было слишком много воздуха, существовала опасность получения «сгоревшей» стали, перенасыщенной кислородом и хрупкой. Кроме того, конвертор Бессемера не мог устранить такие примеси, как сера и фосфор, которые присутствуют во многих рудах. Спустя примерно месяц после сообщения Бессемера о его открытии английский металлург Роберт Форестер Мушет (1811–1891), вечный конкурент Бессемера, изобрел способ получения стали, содержащей нужное количество углерода. Он добавил определенное количество шпигеля, чугуна, богатого марганцем, в расплавленную массу после завершения вдувания. Марганец убрал избыточный кислород, а углерод в шпигеле повторно науглероживал сталь до нужного количества углерода. Мушет выплавил высокоуглеродистую сталь, которая затвердевала и была особенно хороша для деталей машин.

Уильям Сименс в 1868 году запатентовал процесс изготовления стали из железной руды и чушек в регенеративной печи (так называемый сименсовский процесс, который никогда широко не использовался). А еще в 1865 году братья-французы Эмиль и Пьер Мартен запатентовали более важное достижение – получение стали в печи Сименса из стального скрапа и чушек. Используя этот процесс Сименса – Мартена, в США получали в двадцать раз больше стали, чем в бессемеровском процессе. Основная черта процесса Сименса – Мартена – регенеративная печь Сименса, запатентованная в 1856 году. Эта печь состоит из двух нагревательных камер из огнеупорных кирпичей, через которые Сименс попеременно направлял горячие выбрасываемые газы, чтобы нагреть кирпичи до высокой температуры. Затем он нагревал входящий воздух для печи, прогоняя его через одну из этих камер, в то время как другая нагревалась, и таким образом возвращал печи большое количество тепла, которое иначе терялось. При использовании братьями Мартен это дополнительное тепло еще больше подогревало температуру шихты из чушек, стального скрапа и известняка в неглубоких контейнерах или открытой топке.

За 8—12 часов, необходимых для завершения процесса, каждая печь могла производить до 100 тонн стали из известного количества материалов. Операторы могли выплавлять сталь, имея точные, заранее установленные пропорции ингредиентов. Для контроля время от времени брались образцы металла из печи и подвергались анализу. В отличие от процесса Бессемера в данном случае реакцию можно было остановить в любой момент. Между тем ни бессемеровский процесс, усовершенствованный Мушетом, ни оригинальный процесс Сименса – Мартена не могли убрать фосфор из чушек, сделанных из руд с высоким содержанием фосфора, которых на земле большинство.

Лондонский клерк Сидни Гилкрист Томас (1850–1885) придумал, как убрать фосфор из чушек в бессемеровском конверторе. Процесс Томаса впоследствии был применен в открытой печи Сименса – Мартена. На одной из лекций в колледже Биркбек Томас услышал, что тот, кто придумает способ изготовления стали из богатых фосфором чушек, заработает состояние. Томас немедленно стал читать техническую и химическую литературу и проводить эксперименты в лаборатории, которую оборудовал в подвале. В 1871–1875 годах он разработал процесс томасирования. Отличие томасовского конвертора от бессемеровского заключается в основном в футеровке, для которой использовали доломит, карбонат кальция и магния, впитывающий фосфор из шихты. Также добавляется флюс, чтобы образовать шлак, который впитывает фосфаты и другие примеси и может быть удален. Кузен Томаса Перси Гилкрист, химик-металлург, тестировал процесс. Томас получил патент в 1878 году, но металлурги почти не обратили на него внимания, и так продолжалось, пока в 1879 году один из них, житель Кливленда, не доказал бесспорные преимущества томасирования, используя местную руду с высоким содержанием фосфора.

Значительное количество стали, изготовленной в Соединенных Штатах, – это легированная сталь, свойства которой определяются наличием одного или нескольких элементов, помимо железа и углерода. Из многих видов легированных сталей большинство составляют никелевая, хромовая и хромо-никелевая сталь. Джулиус Баур, металлург из Бруклина, Нью-Йорк, получил свой первый патент на хромовую сталь в 1865 году. В отрывке из его патента, опубликованном в журнале Scientific American за сентябрь 1865 года, было сказано, что автор сумел соединить железо с металлическим хромом. Он произвел свой сплав или в плавильном тигеле, или «с использованием пневматического процесса». Таким образом, в его стали было три составляющих: железо, углерод и хром. Многие специалисты не приняли всерьез заявления Баура, потому что он объяснял свойства стали исключительно наличием хрома, почти не уделив внимание углероду. Тем не менее его труд оказал важное влияние на развитие металлургической промышленности, поскольку привлек внимание французского промышленника Брюстлейна, которому обычно приписывается создание хромовой стали для использования в инженерных целях. В 1874 году хромовая сталь применялась для изготовления арок моста Идса через Миссисипи в Сент-Луисе. Спустя десятилетие Марбо получил никелевую сталь.

В те времена температурная обработка готовой прокатной стали была сравнительно простой. Если требовалась твердая сталь для режущих поверхностей, изготовитель разогревал металл докрасна и погружал его в емкость с водой, маслом или другим материалом. Однако такая технология производства твердых режущих поверхностей делала углеродистую сталь хрупкой. Если требовался более пластичный продукт, оператор отжигал металл, позволяя ему медленно охлаждаться после нагрева, тем самым принося в жертву твердость. Комбинированные процедуры могли дать промежуточные характеристики, но в целом твердость достигалась в ущерб ковкости и наоборот. Только в XX веке металлурги устранили эти ограничения.

Пока Сименс строил свой экспериментальный завод в Англии, в Бирмингеме, в 1865 году, Александр Лайман Холли (1832–1882) изготавливал бессемеровскую сталь в городе Трой, штат Нью-Йорк, и к 1867 году стальные рельсы уже выпускались в Джонстауне, Пенсильвания. В том году Абрам С. Хьюитт посетил Парижскую выставку как представитель Соединенных Штатов и увидел мартеновский процесс выплавки стали. Он сразу понял его важность, получил права на использование процесса в Соединенных Штатах и установил сименс-мартеновскую печь в Трентоне, Нью-Джерси. Эндрю Карнеги организовал свою компанию в 1870 году в Питтсбурге. К 1873 году Вифлеемская металлургическая компания уже строила завод по производству бессемеровской стали. Ее инженером-консультантом был Холли. Он требовал, чтобы все сталелитейщики производили химический анализ и физические испытания своей продукции. Следуя экспериментам Томаса и Гилкриста в 1877 году, производство основной мартеновской стали распространилось быстро, особенно в Германии, где было много фосфорсодержащих руд. К 1887 году сталелитейные заводы Круппа стали крупнейшими в мире. Правда, Круппу не удалась попытка обойти патент Томаса.

К 1865 году настоятельная потребность в материале более твердом, чем ковкое железо, но все же обладающем некоторой эластичностью, привела к выплавке 225 000 тонн стали в Британии, 98 000 тонн в Германии, 41 000 тонн во Франции и 14 000 тонн в Соединенных Штатах. Первая сталь Бессемера стоила около 42 фунтов за тонну, то есть ее едва ли можно было назвать дешевой. Тем не менее он получил доход в 20 фунтов. Цены падали быстро, и к 1881 году британцы уже продавали железнодорожные рельсы по 6—10 фунтов за тонну. Самой низкой цена была в 1895 году – 3—15 фунтов. В том году Британия произвела 3,5 миллиона тонн, Франция – почти 1 миллион, а Соединенные Штаты – больше 6 миллионов. За тридцать лет производство увеличилось в 37 раз. Быстрый подъем сталелитейной промышленности являлся одной из важнейших черт промышленной революции в XIX веке. Более того, без стали и ее сплавов инженерные успехи, описанные в следующих главах, не были бы достигнуты.

Стальные мосты

Среди больших железных мостов, построенных с распространением железных дорог во второй половине XIX века, три были воистину выдающимися. По концепции и дизайну все три моста были разными. Джеймс Б. Идс выбрал арочную конструкцию для своего моста через Миссисипи, открытого в районе Сент-Луиса в 1874 году. Для знаменитого Бруклинского моста инженеры Джон А. Рёблинг и его брат Вашингтон А. Рёблинг выбрали висячую конструкцию, которая им удалась на Ниагаре. Джон Фаулер и Бенджамин Бейкер, построившие мост через Ферт-оф-Форт в Шотландии, предпочли консольную конструкцию. Все строители имели опыт подводных работ. Все три моста до сих пор эксплуатируются.

Одним из первых оценил новейший строительный материал Джеймс Б. Идс (1820–1887), родившийся в Лоренсбурге, штат Индиана. Во время Гражданской войны он строил обшитые железом канонерки для союзного правительства. Идс располагал сталью с содержанием хрома еще до того, как Баур усовершенствовал свои методы. Идс проявлял непреклонность в отношениях с производителями стали для своего моста, пока не получил материал, в точности соответствовавший его требованиям. До войны Идс занимался подъемом затонувших речных судов и потому лично исследовал дно Миссисипи в водолазном колоколе собственной конструкции, двигаясь на глубине 65 футов. Он видел коварное песчаное дно реки, знал, на какую глубину она промерзает, и был совершенно убежден: опоры моста должны уходить в глубину до коренной породы.

Жители Сент-Луиса приветствовали постройку моста. Они гордились тем, что ведут свой род от обитателей французских меховых факторий Миссури, верховьев Миссисипи и Огайо, видели будущее Сент-Луиса – крупного промышленного города на большой реке, центра торговли между восточными и западными штатами. Также они понимали, что город Чикаго, что на озере Мичиган, станет железнодорожным узлом. Железнодорожники вполне могут построить мост через Миссисипи в другом месте, выше Миссури, и обойти Сент-Луис в движении на запад. В принципе так и было сделано в 1855 году в районе Рок-Айленда.

Миссисипи в прошлом всегда служила Сент-Луису и способствовала росту его богатства. И теперь реке не могли позволить стать препятствием на пути прогресса города. Миссисипи становилась барьером, когда замерзала, потому что лед был слишком толстым, чтобы по реке продолжали курсировать лодки и паромы, но слишком тонким, чтобы по нему могли проехать груженые повозки. Ледяные заторы становились опасными, когда поднимающиеся воды Миссури, или Огайо, или обеих рек сразу вливались в долину до того, как она успевала очиститься весной. Бывало, приходилось ждать месяц, чтобы переправиться среди льда на другой берег реки. Приближение железных дорог со стороны Огайо, Индианы и Иллинойса поэтому могло означать лишь одно для жителей Сент-Луиса: железные дороги должны прийти через Миссисипи прямо в их город.

Рис. 10.2. Мост Идса в Сент-Луисе

Тем не менее условия строительства моста диктовала Джеймсу Б. Идсу река (рис. 10.2). Бурный поток поднимался и опускался согласно сезонному циклу. Иногда он поднимался на 40 футов выше обычного низкого уровня воды, и скорость течения возрастала с 3 до 9 миль в час, порождая коварные местные течения в русле, которые делали разводной мост нежелательным. Тогда пролеты пришлось бы делать достаточно длинными, чтобы обеспечить безопасный проход, а высоту над уровнем высокой воды – большой, чтобы не сломать дымовые трубы. Идс в 1868 году решил поднять арки на 50 футов над максимальным уровнем прилива, который был зафиксирован в 1844 году. Длина пролетов тоже должна была превысить все известные предыдущие арочные конструкции. Идсу было известно мнение Томаса Телфорда, что 600-футовая чугунная арка может быть переброшена через Темзу, и он рассчитывал на значительно лучшие качества стали, которые должны были сделать 500-футовый пролет безопасным. Сегодня есть стальные арки с пролетами более 1600 футов.

Недовольны были только люди, работавшие на реке. Им не нужен был мост. Он погубит бизнес перевозчиков, создаст конкуренцию между речной и железнодорожной торговлей. Они обратились к армейским инженерам, заявляя, что на реке есть пароходы с высотой дымовых труб 100 футов. Может возникнуть необходимость в еще более высоких трубах. Более того, арки Идса слишком длинные; опоры расположены так далеко друг от друга, что лоцманы не могут использовать их как ориентиры. Идс продемонстрировал, что верхние части труб можно понизить и правильно спроектированные дымовые трубы будут не только создавать меньшее сопротивление ветру, но также способствовать лучшей тяге. Ну а на обвинение в том, что опоры его моста располагаются слишком далеко друг от друга, он отреагировал лишь презрительной улыбкой. Когда строительство моста близилось к завершению, группа армейских инженеров согласилась с речниками, что его необходимо снести. Но ничего не вышло. Президент Грант в свое время жил в Сент-Луисе и лично знал Джеймса Б. Идса. Мост был достроен.

Предвидя активное движение по мосту через Миссисипи, Идс спроектировал двухъярусную конструкцию, чтобы выдержать «столько людей, сколько будет стоять на пешеходных участках и проезжей части рядом от начала до конца моста, и в то же самое время все рельсовые пути на нижнем ярусе будут забиты локомотивами». Даже при этом мост будет нагружен меньше, чем на одну шестую часть проектной величины. Он сможет выдержать 28 972 тонны, равномерно распределенные, а также наводнения, лед и торнадо с фактором безопасности 6. Для этой цели Идс принял два решения и не отступил от них до самого конца, несмотря на препятствия завистливых соперников, невежественные советы коллег, непогоду и буйство реки. Он построил мост на трех стальных арках, опирающихся на гранитные опоры, установленные на расстоянии 500 футов друг от друга. Власти утверждали, что такие арки никогда не строились, а значит, не могут быть построены. И он решил ставить фундамент на коренную породу на глубине, на которой никто никогда раньше не строил. В итоге этот человек совершил настоящую революцию в мостостроении.

Сначала Идс намеревался копать внутри коффердамов. Опора на западном берегу была построена именно так. Было пройдено 30 футов сквозь затонувшие лодки и всевозможный мусор до коренной подстилающей породы. Но когда начинала строиться восточная опора, Идс заболел и был вынужден на время уехать. Во время восстановления во Франции он тщательно изучил использование сжатого воздуха, чтобы не допускать воду в закрытые кессоны. Эту технику уже некоторое время использовали европейские инженеры. Он решил, что такой метод подходит для условий Миссисипи, ускорит работу и будет менее дорогостоящим. Но что будет с его людьми в условиях повышенного давления на больших глубинах, ему еще только предстояло узнать.

Усовершенствованный метод заключался в следующем: переместить на плаву обитый железом, прочный деревянный кессон (рис. 10.3) за ледоколами и защитными сваями и там строить гранитную опору, пока рабочие внутри кессона убирают песок, так чтобы ее края уперлись в коренную породу. Идс изобрел водяной насос высокого давления, чтобы убирать песок, гравий и мелкие камни на баржи на поверхности воды. Он поместил воздушные шлюзы на дне «трубы», ведущей к кессону, и в воздушную камеру, чтобы те, кто доставляет снабжение людям в камере, могли приблизиться к ним, не попадая под действие высокого давления. Кессон – деревянный короб для строительства восточной опоры – был доставлен на позицию 17 октября 1869 года и к 17 ноября уже стоял на песке. Люди работали круглосуточно и 28 февраля добрались до коренной породы. Она располагалась на 122½ фута ниже уровня воды. Эта глубина сравнима с высотой 10-этажного здания. Тем временем начались операции на западной опоре, и к 1 апреля кессон был установлен. Не все прошло благополучно. Двенадцать человек на восточной опоре и один на западной погибли.

Из предыдущего опыта со сжатым воздухом инженеры знали, что быстрое снижение давления вызывает неприятные ощущения в ушах, боли в суставах и даже может привести к смерти. Они понимали, что люди, работавшие в сжатом воздухе, испытывают возбуждение из-за избытка кислорода, сильно потеют и устают быстрее, чем при нормальных условиях. Они также знали, что газолиновые лампы и свечи, без которых обойтись невозможно, горят сильнее в сжатом воздухе, и опасность пожара велика. Но они не были готовы к мускульному параличу, поражавшему рабочих, когда глубина достигала 65 футов и давление поднималось до 30 футов на квадратный дюйм. Оно буквально сгибало людей, они спотыкались и сутулились. Идс и его домашний врач доктор Джаминет были обеспокоены.

Рис. 10.3. Поперечное сечение кессона, мост Идса в Сент-Луисе

Когда заболел бригадир, рабочий день сократили. Теперь люди трудились по 4 часа и 8 часов отдыхали между сменами. При глубине 65 футов смены опять сократили. Было организовано три смены по 2 часа с двухчасовым отдыхом. На коренной породе восточной опоры, на глубине более 90 футов, когда давление на 44 фута превысило атмосферное, начались тяжелые работы по бетонированию. У людей началась кессонная болезнь. Одна за другой последовали три смерти подряд. Тогда доктор Джаминет сам спустился вниз, заболел, с большим трудом, испытывая сильные боли, выбрался на поверхность, где его парализовало и он даже на некоторое время лишился речи. Но зато он многому научился. Теперь декомпрессия велась медленно. Рабочие не должны были торопиться, выходя через воздушный шлюз. Покинув камеру, они в течение 30 минут отдыхали. Потеря тепла тела при снижении давления в какой-то мере компенсировалась горячей едой и теплой одеждой. Алкоголь был категорически запрещен. Рабочая смена была снижена до 1 часа. Идс принял дополнительные меры предосторожности во время строительства опоры на восточном берегу, где пришлось опуститься на 135 футов ниже уровня воды. Теперь каждый рабочий в обязательном порядке отдыхал в течение часа, выходя из камеры кессона. При глубине больше 100 футов работали только 45 минут. Во время строительства восточной опоры имел место только один смертельный случай. Этот человек забыл взять с собой ланч и поспешил домой на обед, да еще остановился по дороге, чтобы выпить пива. Идс и доктор Джаминет достигли значительных успехов в инженерии. Сегодняшние правила безопасности при работе в условиях высокого давления во многом основаны на их выводах. Тем не менее их победа в те времена была недостаточно полной, чтобы спасти Вашингтона А. Рёблинга от аналогичных трудностей при строительстве Бруклинского моста.

Рис. 10.4. Метод строительства с помощью консолей арки моста в Сент-Луисе

Стальные арки моста Идса пересекали Миссисипи тремя большими пролетами, каждый более 500 футов. Они были изготовлены как непрерывные арки, без петель и шарниров, установлены по четыре в ряд и удерживались поперечными железными связями. Ребра арки были изготовлены из двух 18-дюймовых цилиндрических труб, одна в 12 футах над другой. Первое предположение Идса о том, что напряжение в параболической арке будет легче вычислить, чем в сегменте круглой арки, не выдержало проверки его помощником Карлом Пфайфером и советником по математическим вопросам Уильямом Шовене (1820–1870), профессором Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Однако разница в пользу круга оказалась небольшой. Кривые законченного моста – круглые арки – отличались от параболических не более чем на 6 дюймов в любой точке. С помощью Шовене Идс и его инженеры заранее рассчитали возможные расширения в арках при колебаниях температур от 20 градусов ниже нуля до 141 градуса выше нуля по шкале Фаренгейта. Верхняя часть центральной арки поднималась на 8 дюймов. Дороги Ниагарского висячего моста с пролетом в 821 фут, построенного Джоном А. Рёблингом в 1851–1855 годах, поднимались и опускались в холодную и жаркую погоду на 2¼ фута в центре пролета, без какого-либо ущерба для моста.

Для того чтобы получить цилиндрические трубы, Идс связал шесть стоек из хромовой стали в оболочку, как клепку в бочке, диаметром 18 дюймов и длиной 12 футов. Всего было 6000 таких стоек, тщательно изготовленных, способных выдержать давление 120 000 фунтов на квадратный дюйм каждая и имеющих предел упругости 50 000 фунтов. Трубы были оснащены железными стяжками, испытанными на давление 40 000 фунтов на квадратный дюйм. И литая сталь, и сталистый чугун не выдержали испытаний. Идс был в высшей степени требователен. Автор его биографии Эндрю Карнеги считал, что «истинный гений минус научные знания инженера направляют его эксцентричные идеи о механике». Редактор Engineering за 10 октября 1873 года имел другую точку зрения. Он считал, что в этом человеке гармонично объединились теоретик и практик. Джеймс Б. Идс использовал «высшие силы современного анализа», чтобы определить нагрузки, использовал все имеющиеся в его распоряжении ресурсы для получения наилучших результатов и призвал на помощь свой гений, чтобы установить совершенно беспрецедентную махину на место.

После того как материалы для труб и сцепок прошли испытания, с арками проблем больше не было. Поскольку строительство лесов в реке было исключено, Идс применил систему временных консолей (рис. 10.4), которую намеревался использовать Томас Телфорд при строительстве моста через пролив Менай. Ванты башен на опорах удерживали двойные трубы ребер арки, пока они росли, одна секция за другой, сначала верхняя, затем нижняя труба, для равновесия одновременно на каждой опоре. Поперечные связи выполняли, когда трубы поднимались с арочной пяты или наклонных поверхностей из чугуна, установленных на опорах. Ванты удерживали домкратами, которые поднимались и опускались с переменой температуры. Готовые арки подвергались равномерной нагрузке, а на стяжки действовало только прямое сжатие. Строительство арок, хотя и было процессом довольно-таки зрелищным, являлось сравнительно простым с инженерной точки зрения. Возник только один напряженный момент, когда первое арочное ребро дошло до центра. Последняя трубчатая секция оказалась слишком длинной для оставшегося места. Инженер, отвечавший за работы, телеграфировал Идсу, прося совета, и в ожидании ответа попытался решить проблему самостоятельно. Он нагрузил трубы льдом и понадеялся на помощь бога погоды, но ответ Идса решил проблему иначе. Он разработал последнюю секцию так, что ее можно было ввинтить на место и удлинить для прочности соединения. Говорят, что новость о завершении арки побудила американский банкирский дом Моргана в Лондоне запасти больше британских фунтов стерлингов для вложения в мост Сент-Луиса.

Был волнующий момент, когда по дороге проехал первый экипаж, еще один, когда генерал Шерман вбил последний железнодорожный костыль, третий – когда по мосту проехало 14 локомотивов, сначала по два в ряд, потом в одну линию друг за другом. Наконец, 4 июля 1874 года движение открыл сам президент Грант и объявил Джеймса Б. Идса величайшим инженером своего времени.

Джон Август Рёблинг (1806–1869) не следовал аргументам, которыми руководствовался Идс. Когда Рёблинг и его сын Вашингтон А. Рёблинг (1837–1926) в 1869 году прибыли строить Бруклинский мост (рис. 10.5), они намеревались использовать сталь, как это сделал Идс. Но только они не отдали предпочтение аркам, сделав выбор в пользу висячего моста. Джон Рёблинг уже достиг успеха с висячим мостом для дороги и железной дороги через Ниагару. Он снова одержал верх, используя тросы из ковкого чугуна, импортированного из Британии, для поддержки моста длиной более 1000 футов через Огайо в Цинциннати. Его опыт с висячими или цепными мостами не подлежал сомнению. Инженер не видел ни одной причины, которая могла бы помешать ему построить мост от Нижнего Манхэттена до Лонг-Айленда с пролетом всего лишь в полтора раза больше – 1595 футов – высоко над морем. Висячая конструкция будет жесткой и безопасной для любого транспорта. Она будет достаточно высоко, чтобы не мешать мачтам и дымовым трубам любых судов. У Рёблинга, как и у Идса, не было никаких трудностей с размерами – только с расходами.

Рёблинги не обратили внимания на конструкцию арок моста Идса через Миссисипи, на месте которого Джон Рёблинг предлагал подвесной мост, но Вашингтон Рёблинг самым внимательным образом изучил подводные работы Идса с кессонами, поскольку проблема сооружения фундаментов в Ист-Ривер была аналогичной. И если Рёблингам не приходилось учитывать турбулентность Миссисипи и привычку этой реки проникать под пески до подстилающей породы, им все же следовало опасаться приливно-отливных явлений, действовавших до Хелл-Гейта. Надо было существенно углубиться, чтобы построить достаточно надежные башни для такого длинного пролета. Кессоны и опоры Рёблингов были больше, но основные требования к конструкции мало чем отличались от Сент-Луиса.

Рис. 10.5. Бруклинский мост в 1883 г.

Джон А. Рёблинг лишился жизни в самом начале строительства. Он стоял на краю причала и смотрел на другую сторону реки, определяя местоположение башен, когда подошел паром. Он врезался в сваю причала и сломал ее, одновременно сильно повредив ногу инженера. У Рёблинга начался столбняк, и спустя две недели он умер. Вашингтон Рёблинг решил довести величайший проект отца до завершения. Через полтора года он тоже пал жертвой моста. Когда пожар в бруклинском кессоне стал угрожать всей конструкции, он оставался в воздушной камере с 10 вечера до 5 утра. Еще одна форс-мажорная ситуация в нью-йоркском кессоне заставила его отказаться от активной деятельности. В возрасте 35 лет он был прикован к инвалидному креслу и, сидя у окна, только наблюдал, как растет его детище. Он не мог совещаться со своими коллегами, но регулярно посылал к ним жену с инструкциями.

После случая в бруклинском кессоне Вашингтон Рёблинг и его помощники постарались сделать деревянную верхушку нью-йоркского кессона огнеупорной с помощью тонкой перемычки оболочки котла. Освещение оставалось большой проблемой. Открытое пламя было чрезвычайно опасно в сжатом воздухе кессона. Газовые лампы поднимали температуру в помещении. Сжатый воздух притуплял обоняние, и запах газа оказывался трудноуловимым. Масляные лампы слишком сильно чадили. Карбидные лампы давали хороший свет, но были слишком дороги. Оставались только свечи. Песочные насосы 1870-х годов работали без электрического освещения, но в 1883 году, когда мост был достроен, проезжая часть уже могла освещаться дуговыми лампами. Кессон на бруклинском берегу был установлен на 44 фута ниже уровня высокой воды, на смеси глины, песка и камней, которая выдерживала любые воздействия, вплоть до взрывчатых веществ, как сплошной камень. Кессон на Манхэттене, однако, наткнулся на плывуны. Пришлось углубиться на 78 футов до подстилающей породы, где площадь была выровнена и щели залиты бетоном, чтобы пески больше не двигались. Рёблинг некоторое время осторожно экспериментировал с пистолетными выстрелами и небольшими взрывами в сжатом воздухе, прежде чем рискнул вернуться к взрывным работам.

Башни Бруклинского моста поднимались на 271½ фута над уровнем воды. Они были построены из известняка и гранита, которые везли из Кингстона на Гудзоне, с озера Шамплейн и из Мэна. На высоте 266 футов на каждой башне были установлены четыре седловидные опоры, а на них – ролики из кованого железа, поддерживавшие снабженные желобом седла, по которым проходили тросы через башню. Таким образом, практически исключался износ тросов при прохождении башен и поперечное напряжение от движущихся грузов, передаваемое через тросы на седла, а от них на башни. Стержни с проушинами, установленные в башнях под седловидными опорами, предназначались для поддержки соединительных тяг, которые тянулись к дорожному полотну, где были закреплены с интервалами 15 футов на протяжении 150 футов по обе стороны башен. Эти оттяжки, с помощью сквозных дорожных ферм, должны были поддерживать дорожное полотно, изгибавшееся плавной аркой. Канаты несли вес моста, снеговую и ледовую нагрузку и нагрузку любого транспорта, который пересекает мост. Проект Рёблинга, предусматривавший открытые дорожные фермы и поддерживающие канаты, а также массивные каменные башни, предотвращал избыточную вибрацию, вызванную аэродинамической нестабильностью, которая проявлялась в некоторых более поздних мостах.

Отличительными чертами запатентованного Рёблингом анкерного устройства были деревянные полы, анкерные пластины, проушины и изгибы анкерных цепей. Полы из желтой сосны должны были содержаться влажными, чтобы противостоять гниению. Эллиптические анкерные пластины были чугунными. Каждая весила 23 тонны и имела размеры 16 на 17½ фута, с исходящими из центра ветвями длиной 2½ фута. На всем этом – массивная каменная кладка, чтобы исключить возможность сдвига тросами. Стержни с проушинами анкерного устройства из кованого железа направлены под углом вверх через каменную кладку к концам тросов по кривой, рассчитанной так, чтобы стержни давили вниз на каменную кладку, тем самым отводя часть усилия от прямого натяжения, приходящегося на анкерные пластины.

В каждом из четырех тросов Бруклинского моста сплетено 5296 проволок, всего – 21 184 проволоки. Они были сделаны из тигельной стали, диаметр – ⅙ дюйма. Проволоку производили в Бруклине по спецификации Джона Рёблинга. Ее прочность на разрыв должна была составлять 160 000 фунтов на квадратный дюйм, то есть в несколько раз больше, чем ожидаемая фактическая нагрузка. Проволока была плотно сплетена в трос и не подвергалась никаким ощутимым нагрузкам, кроме растяжения. Для сращивания использовались резьбовые соединения. Стык гальванизировался расплавленным цинком, чтобы предотвратить коррозию в резьбе.

Для еще большей защиты от коррозии на проволоку, поступающую с фабрики, наносили три слоя покрытия из масла, смешанного со смолой и окислом свинца. Затем ее повторно смазывали при намотке на барабан. Масло плохо прилегало к гальванизированной проволоке, и большая часть его стиралась раньше, чем она в конечном счете спрессовывалась в трос. Тем не менее меры предосторожности принимали, и на проволоку наносили еще одно покрытие из масла и белого свинца. К вопросам защиты было постоянно приковано внимание. Хотя инженеры Рёблинга были вполне удовлетворены, обнаружив железную поволоку Ниагарского моста в хорошем состоянии после 42 лет эксплуатации. Этот мост был заменен стальной аркой не потому, что тросы подвели, а потому, что мост не был рассчитан на увеличившуюся нагрузку от поездов и локомотивов.

Когда пешеходный мост был уложен на специальные тросы и мог противостоять ветрам, в том числе сильным, и поперек были навешены люльки на других канатах, чтобы управлять укладкой тросов, строительство продолжилось. Оно шло зимой и летом на виду у проходящих внизу судов и паромов. На водном пути не было никаких строительных конструкций, которые могли бы помешать движению. Ходовое колесо диаметром 5 футов катилось из Бруклина в Нью-Йорк, разматывая проволоку, а в это время другое колесо, пустое, возвращалось в Бруклин. Сначала время прохода составляло 13 минут, потом уменьшилось до десяти. 278 длин, составляющих прядь, были, по сути, одной сплошной проволокой, с петлями у обоих анкерных устройств, чтобы сделать крепление за анкерные стержни проще. Люди в люльках над рекой и на земле помещали каждую проволоку в одну линию с направляющей проволокой, которая была отмерена по итоговой длине троса.

Когда проволока была должным образом уложена, ее сжимали ручными тисками и связывали с интервалами в 28 дюймов в пучки по 278 штук. Новая обвязка после каждых 10 дюймов делала эти пучки более компактными, и затем они собирались в тросы. В каждом из четырех главных тросов было 19 прядей. Когда обвязки прядей убирали и заменяли зажимами, отжимные машины уплотняли более 5000 проволок, а обвязывающие машины плотно стягивали их гальванизированной стальной проволокой. Готовый трос немедленно покрывали белым свинцом и маслом. Отдельные проволоки были защищены ранее. 20 футов в день – хороший результат для обвязочной машины, на которой работало три человека. В погожие солнечные дни работа ускорялась, и можно было выдать на 10 футов больше. Каждый трос Бруклинского моста имеет диаметр 15¾ дюйма. Общая прочность всех четырех – 18 миллионов фунтов. Для примера: четыре 5¼-дюймовых троса Чейли, которые он использовал при строительстве подвесного моста во Фрайбурге в 1834 году, имели прочность 1,5 миллиона фунтов. Четыре 36-дюймовых троса моста Джорджа Вашингтона, построенного в 1931 году, имели прочность 180 миллионов фунтов.

Строители висячих мостов использовали проволочные канаты и до Рёблинга, но ни одному из них не удалось так радикально снизить вибрацию и раскачивание. Джон Рёблинг всерьез опасался ветров, влияния нарушения равновесия колес локомотивов и нагрузки от больших групп марширующих людей. Его современник Чарльз Эллет (1810–1862) потерял три моста из-за раскачивания. Для дополнительной жесткости Рёблинг протянул тросы вбок, что не соответствовало обычной практике. Внутренние тросы моста Рёблинга тянулись наружу, спускаясь к уровню дорожного полотна. Наружные кабели тянулись с башен внутрь, к центру пролета, и под дорожным полотном были дополнительные диагональные связи, которые тянулись с башен к стороне дорожного полотна, противоположной той, с которой они начинались (рис. 10.6).

На строительстве Бруклинского моста было немало несчастных случаев. Рвались веревки и канаты, падали стрелы и т. д. Несоблюдение правил привело к трем случаям эмболии. Люди не желали подчиняться строго установленным правилам, касающимся еды, отдыха и сна, а также исключения алкоголя. Рабочий день в условиях сжатого воздуха длился восемь часов, поскольку глубины здесь были намного меньше, чем в Сент-Луисе, и люди никогда не находились под давлением, превышающим атмосферное больше чем на 34 фунта.

Рёблинги начали строить Бруклинский мост во время правления знаменитой шайки Твида, которая управляла делами Нью-Йорка. Эти коррумпированные политики контролировали ключевые посты в администрации Нью-Йорка. Изначально предполагалось, что города Нью-Йорк и Бруклин приобретут пакет акций компании, наряду с частными инвесторами. Возможность нецелевого использования средств была велика. Работы надолго задерживались из-за того, что Джон Келли, финансовый контролер от Нью-Йорка, отказывался платить, и членам правления приходилось часто обращаться в суд. Специальным законодательным актом от 5 июня 1874 года два города приняли на себя полный контроль над корпорацией, и строительство сдвинулось с мертвой точки.

Рис. 10.6. Бруклинский мост, пешеходная дорожка, башня и канаты

24 мая 1883 года президент Артур со своим кабинетом присутствовал на официальном открытии Бруклинского моста. Там же были Говард Кливленд, губернатор штата Нью-Йорк, и другие чиновники. На церемонии выступил Абрам С. Хьюит, который заявил, что «в проекте этой работы объединились вера святого и смелость героя». Хьюит также отметил, что города Средневековья отгораживались друг от друга стенами, зато сейчас люди разрушают барьеры, созданные природой или другими людьми. Теперь невозможно было утверждать, что путешествие по железной дороге из Олбани до Нью-Йорка займет меньше времени, чем требуется зимой для перехода по льду через Ист-Ривер от Бруклина до Манхэттена. Мост помог двум городам значительно расшириться, став одними из крупнейших в Америке. Железные дороги на мосту сменились проезжими частями для автомобилей и автобусов – но не грузовиков, и получилось, что по Бруклинскому мосту шло совсем не то движение, которое предвидел Джон А. Рёблинг. Его мост стал образцом для современных висячих – подвесных мостов.

Британские инженеры знали об успехах Рёблингов в Америке, поскольку об инженерных открытиях сразу становилось известно. Британские ученые активно интересовались адресами и трудами инженеров других стран. Лондонский журнал Engineering, основанный в 1866 году, стал информационно-аналитическим центром для ученых всего мира. Специальные статьи из этого издания быстро появлялись на континенте и в Соединенных Штатах. Сообщения военных и гражданских путешественников о китайских, тибетских, индийских и ранних египетских постройках теперь дополнялись новостями из Америки. Было хорошо известно, что Финли, Поуп, Вернваг и другие, а также краснокожие индейцы Канады, британской колонии, имели представление о подвесных мостах и консолях. Томас Телфорд активно использовал работы зарубежных инженеров, и его преемники тоже оставались хорошо информированными.

Многие инженеры предпочитали консоли подвесным мостам для железной дороги из-за большей жесткости. Ни один из нескольких построенных подвесных железнодорожных мостов нельзя было считать полностью удавшимся. Достижение Телфорда на проливе Менай затмила соседняя трубчатая конструкция Стефенсона и Фейрберна. При всех своих недостатках мост «Британия» 1850 года оказался более жестким, что было очень важно для железнодорожного моста, чем подвесной. До моста Форт-Бридж одним из крупнейших консольных мостов был тот, что построил Чарльз Шейлер Смит (1836–1886) через реку Кентукки, где Джон А. Рёблинг возвел башни для подвесного моста. Выступая в 1878 году перед представительной аудиторией Института гражданских инженеров по вопросу длиннопролетных железных железнодорожных мостов, американский инженер Томас Кларк сказал, что мост Смита был одним из самых смелых и оригинальных в Соединенных Штатах и что его место – среди лучших инженерных сооружений мира. Смит перебросил три 375-футовых пролета через каньон шириной 1200 футов и глубиной 275 футов. Первоначально он собирался построить мост Уиппла со сквозными фермами, но изменил план и установил петли во внешних пролетах. Результатом стала комбинация сбалансированных ферм или консолей.

Рис. 10.7. Форт-Бридж

После трагического обрушения в 1879 году, во время декабрьского шторма, большой части железного железнодорожного ферменного моста через Ферт-оф-Тей в Шотландии инженерная фирма «Фаулер и Бейкер» заняла площадку на берегу Ферт-оф-Форта, где работы над подвесным мостом уже начались. Джон Фаулер (1817–1898) не доверял мосту через Тей длиной 2 мили и имеющему 85 пролетов – тогда это был самый длинный мост в мире, – открытому для движения в 1878 году, и запретил своей семье им пользоваться. Он сказал Джеймсу Несмиту, что мост мог бы стоять, если бы конструктор использовал для его высоких опор позу Генриха VIII с картины Гольбейна. Фаулер и Бейкер решили воспользоваться этой рекомендацией, совместив ее с консольным принципом, который они уже некоторое время изучали (рис. 10.7). Пригодность принципа для железнодорожных мостов стала еще очевиднее, когда Бессемер сделал доступной дешевую сталь, достаточно прочную, чтобы выдерживать нагрузки от идущих по мосту поездов, а также справляться с ветровыми нагрузками.

Рис. 10.8. Строительство моста Форт-Бридж

С юга к консольной части моста подходит виадук из десяти пролетов, примерно по 168 футов каждый, с севера – из пяти пролетов. Это был традиционный подход. Далее начались инновации. Два больших пролета длиной 1710 футов каждый по обе стороны острова Инчгарви весили около 16 000 тонн каждый. Анкерные пролеты со стороны берегов имели длину 675 футов. Консоли с центральными балками, или подвесные пролеты, собранные в единое целое, являлись гигантским шагом вперед в инженерии (рис. 10.8). Башни моста Форт-Бридж высотой 330 футов имели продольный уклон: на дне их ширина составляла 120 футов, а в верхней части – только 33 фута. Таким образом обеспечивался охват с двух сторон, своего рода «вилка», с помощью которой Фаулер рассчитывал снизить ветровые нагрузки на конструкцию. Пролеты также имели сужение в продольном направлении. Центральные пролеты – простые фермы с криволинейными верхними поясами, соединяющиеся с консолями, имели длину 350 футов и, как и весь остальной мост, были достаточно широки, чтобы нести две железнодорожные колеи. Бенджамин Бейкер (1840–1907) действовал исходя из предположения, что напряжения, вызванные ветровыми нагрузками, представляют большую опасность для моста, чем самый тяжелый поезд. Он экспериментировал с моделями, чтобы определить воздействие ветра на плоские поверхности, разной формы сечения и кубы, и установил приборы для записей ветра в Ферт-оф-Форт. Оказалось, что чаще всего ветры дули с юго-востока, а вовсе не с северного моря, как считалось. Восточные ветры давали нагрузку от 15 до 20 фунтов на квадратный дюйм, западные – до 40 фунтов, причем самое большое давление оказывалось во время штормов и сильных порывов. Для расчетов была принята величина 56 футов.

Солнце также следовало принимать в расчет. На подвижных концах подвесных пролетов ожидалось расширение 2 фута. Единственные разрывы предусматривались в этих стыках консолей с подвесными пролетами, а значит, вся конструкция будет расширяться и сжиматься вместе с консолями. Инженеры решили эту проблему с помощью шарнира на качающейся опоре. Что делать с комплексными деформациями, имеющими место, когда одна часть моста находится под воздействием прямых солнечных лучей, а другая – в тени, – совсем другой вопрос. Фаулер и Бейкер были уверены, что, если они заложат запас прочности, намного превышающий тогдашние требования, они получат самый прочный и самый большой железнодорожный мост в мире. Собственно говоря, его запас прочности достаточен и сегодня. Однако огромное количество неизвестных факторов все еще оставалось. Инженерия до сих пор в какой-то степени эмпирическая наука.

Все элементы конструкции Форт-Бриджа, работавшие на растяжение, имели форму открытой решетки. Но большие стальные колонны, работавшие на сжатие, были выполнены из цилиндрических труб диаметром 12 футов с толщиной стенок 1¼ дюйма. Бейкер лично наблюдал за работами и, судя по всему, исключил прямоугольные трубы Стефенсона и Фейрберна. В это время уже был прецедент использования эллиптических труб при строительстве моста Брюнеля в Салташе в 1859 году и цилиндрических труб – в конструкции моста Идса в 1874 году. Бейкер, как и Идс, понимал очевидный факт, что пустотелая цилиндрическая форма является самой прочной. Сталь выплавляли в сименс-мартеновской печи в Глазго и Суонси. Фаулер и Бейкер считали, что подвижная нагрузка на мост от колесных транспортных средств будет составлять 5 процентов от полного веса конструкции каждого из длинных пролетов, или около 800 тонн. Чтобы предотвратить наклон, если два поезда окажутся на одном пролете одновременно, а на следующем поездов не будет вообще, они утяжелили фиксированные концы консолей, ближайшие к берегам, противовесами, равными максимальному весу поезда плюс половина веса подвесного пролета.

Дно реки, состоящее из базальта и твердой моренной глины, так же плохо поддающейся обработке, являлось идеальным для фундамента тяжелой конструкции. Со стороны графства Файф опоры можно было строить с использованием коффердамов, с которыми у инженеров уже почти не было трудностей. На острове Инчгарви и южном берегу глубины были настолько велики, что потребовались пневматические кессоны, как в Сент-Луисе и Бруклине. Вместо прямоугольных деревянных ящиков Идса и Рёблинга инженеры Форта использовали для кессонов металлические цилиндры. При этом они принимали во внимание, что Вашингтон Рёблинг столкнулся с большими трудностями из-за огня в кессоне на бруклинском берегу и что цилиндрические кессоны эффективнее при сжатии, чем кессоны любой другой формы.

Когда ныряльщики выровняли дно, кессоны были благополучно опущены в воду. Самый глубокий оказался на 89 футов ниже уровня высокой воды. Их двойные стенки были заполнены бетоном, чтобы придать больший вес конструкции и увеличить ее сопротивление давлению воды. Донные илистые отложения «разбавлялись» водой, выводились по одной трубе в воздушную камеру, а оттуда по другой трубе наружу с помощью сжатого воздуха. После установки на место кессон полностью заполнялся бетоном. Давление в воздушных камерах поднималось и опускалось, чтобы уравновесить вес воды во время приливов и отливов. Однако ни при каких условиях людей не заставляли работать при давлении более чем на 35 фунтов на квадратный дюйм выше атмосферного. Имелись случаи болезней, но смертей не было, возможно, потому, что глубины были не так велики, как, например, в Сент-Луисе. Хотя, возможно, доктора учли опыт Идса и Рёблингов и лучше заботились о людях. У рабочих Форта появилось большое преимущество в сравнении с землекопами-кессонщиками Миссисипи и Ист-Ривер. Теперь в воздушных камерах устанавливали светильники с лампами накаливания. Даже у ныряльщиков теперь было водонепроницаемое осветительное оборудование. А в магазинах появились лампы силой света 1500–2000 свечей. Компания-строитель установила паровые машины и генераторы для производства собственного электричества.

Рабочие в основном были выходцами из соседних шотландских деревень и городов, хотя некоторых привозили из Бельгии и Франции. Проблемы размещения и транспортировки рабочих были такими же, как везде. Организовывались специальные поезда и пароходы, чтобы привозить их из дома и отвозить обратно. Всего на строительстве этого моста использовалось около 3500 человек, на острове Инчгарви одновременно работало 900 человек.

Когда строительство завершилось – это было в 1890 году, – Джон Фаулер принялся всячески превозносить успехи, которые были достигнуты в сравнении с мостом «Британия», построенным на сорок лет раньше. Благодаря достижениям Бессемера, Сименса, Томаса и других изобретателей сталь теперь стоила меньше железа. Фаулер заявил, что, если бы Форт-Бридж строился из железа, он весил бы и стоил вдвое больше. Плиты моста «Британия» имели размеры 12 на 2 фута, Форт-Бриджа – 30 на 5 футов. Фаулер процитировал инженера трубчатого моста через Менай, который подсчитал, что с использованием железа мост 1850 года с пролетом 1710 футов мог быть построен, но на него нельзя было бы даже дышать, не то что нагружать. Фаулер добавил: «Каждый пролет Форт-Бриджа имел длину 1710 футов. Во время испытаний на него поместили нагрузку 1830 тонн. Но нагрузка могла быть и вдвое выше – 4000 тонн – без какого-либо ущерба для конструкции».

Что же касается эстетики исполнения, критик Уильям Моррис объявил, что Форт-Бридж – великолепнейший образец уродства. Между тем Моррис также уточнил, что каждое усовершенствование в машиностроении уродливее предыдущего и никогда не будет архитектурных форм из железа. Бенджамин Бейкер ответил критику, что красота вторична после функциональности. Сначала следует рассматривать функции конструкции, а уже потом определять ее место в искусстве. В лекции, прочитанной им в Эдинбургском литературном институте 27 ноября 1880 года, Бейкер объяснил, почему нижняя сторона Форт-Бриджа выполнена не в виде истинной арки, а является всего лишь набором поясных балок. Сделать это, сказал он, значило бы «материализовать ложь». Форт-Бридж – не арка, и мост открыто заявляет об этом. Это объяснение определенно не было удовлетворительным для Морриса, но полностью устроило сторонников нового движения «за мораль в архитектуре».

Хотя некоторый опыт был уже накоплен в Сент-Луисе и на Ист-Ривер, Большой мост через Ферт-оф-Форт, можно сказать, ознаменовал переход в инженерной практике к использованию стали вместо железа. Даже через двадцать лет после того, как сталь стала доступной, строители продолжали применять железо. Возможно, задержка объяснялась тем, что стальные рельсы были настолько лучше железных, что на них уходила почти вся производимая сталь. Но и когда сталь подешевела и стала доступной для всех, многие инженеры все так же использовали профильное железо за его однородность и проверенные качества. К 1890 году консерватизм наконец сдался и сталь стала использоваться значительно шире. Сегодня сталь используется для изготовления рельсов, несущих балок и многих других конструкционных форм, хотя некоторые строители все же отдают предпочтение железу, скажем, в трубах, считая, что железо меньше подвержено коррозии, чем углеродистая сталь.

После начального успеха Идса со сталью в Сент-Луисе в 1874 году его друг Уильям Суй Смит (1830–1816) в 1879 году построил стальной железнодорожный мост через Миссури в Глазго, штат Миссури. Мост имел пять пролетов с фермами Уипла, каждый длиной 311 футов, но, хотя эксплуатировался 22 года, после чего был заменен более тяжелой конструкцией, он положил начало тенденции к стальным фермам в мостостроении. Чарльз Шейлер Смит в 1877 году привлек внимание к консольным пролетам из кованого железа длиной 375 футов через реку Кентукки.

Рис. 10.9. Спроектированный Густавом Эйфелем виадук «Гарабит»

Французские инженеры заявили о себе, начав строить высокие виадуки из кованого железа. Один из них, построенный для железной дороги Париж – Орлеан в 1860-х годах, представлял собой однопутный мост длиной 1000 футов из пяти ферменных пролетов, которые опирались на группы чугунных колонн, поднимающихся более чем на 181 фут над рекой Сер. Виадук «Гарабит», спроектированный Густавом Эйфелем (1832–1923) и построенный в 1884 году, был еще более впечатляющим. Он имел параболический центральный пролет решетчатой конструкции, достигающий 541 фута. Виадук был построен раньше, чем мост Фаулера и Бейкера через Форт, и имел ширину 66 футов в нижней части и только 20 футов на вершине, чтобы оказывать большее сопротивление ветрам из долин. Виадук «Гарабит» поднялся на 400 футов над рекой Трюйер (рис. 10.9).

Эйфель, известный также созданием металлического «скелета» статуи Свободы в Нью-Йорке, активно интересовался безопасным возведением высотных металлоконструкций. Давно велись разговоры о 1000-футовой башне к выставке 1876 года в Филадельфии. В 1889 году Эйфель построил ее в Париже (рис. 10.10). Хотя Фаулер и Бейкер строили в Шотландии из стали, Эйфель все же предпочитал железо, несмотря на то, что процесс при этом оказывался более металлоемким. Как и Бейкер, Эйфель подсчитал ветровую нагрузку на башню на каждой высоте и удостоверился, что его башня эти нагрузки выдержит. Башня имеет высоту 984 фута, а вместе с громоотводом – больше 1000 футов.

Самая отличительная черта Эйфелевой башни – в высшей степени тщательный проект. В ней 12 000 конструктивных элементов, и Эйфель выполнил чертеж каждого из них. Все они были изготовлены на заводе и доставлены на место готовыми к установке. Из 2 500 000 заклепок около 800 000 были установлены вручную. Работы, включая возведение фундамента, были завершены за 26 месяцев, при этом и в процессе проектирования, и в процессе строительства соблюдалась такая безукоризненная точность, что не пришлось вносить корректировок. Scientific American от 15 июня 1889 года высоко оценил постройку, выполненную без ошибок, несчастных случаев и задержек.

Рис. 10.10. Эйфелева башня

Интересен контраст с другим известным парижским сооружением – наполеоновской Триумфальной аркой, которая, в подражение римским традициям и архитектуре прошлого, знаменовала военную победу. Эйфелева башня, возвышающаяся над Марсовым полем, являлась предвестницей будущего. Лаборатория, расположенная на самой верхушке, с самого начала предназначалась для научных исследований, сначала в области астрономии, потом – в радио и радарной технике. Ни одна из этих двух конструкций не была рассчитана на экономическую отдачу, но Эйфелева башня окупила себя платой за вход.

Высотные строения

Люди всегда стремились в небо. Хотя их постройки изменились по форме – от зиккурата и пирамиды к соборам и небоскребам, суть осталась прежней. Высотные отели и офисные здания стали появляться еще до того, как Густав Эйфель построил свою железную колонну. Помогли увеличить высоту зданий два события, на первый взгляд не связанные друг с другом. До изобретения лифта полезная высота зданий ограничивалась пятью этажами, так чтобы средний человек мог забраться по лестнице пешком на последний этаж и сохранить силы, чтобы поговорить о деле, ради которого он явился. Также существовали чисто практические трудности, связанные с возведением стен выше определенного уровня, не делая их внизу слишком толстыми. Каркас из конструкционной стали, поддерживающий стены и полы, устранил необходимость в массивных каменных кладках.

Еще со времен Архимеда или даже раньше существовали подъемные машины, но римлян и их преемников не интересовало усовершенствование подобных механизмов для повседневной жизни. Они не чувствовали в них большой необходимости, хотя обитатели римских инсул наверняка обрадовались бы такому нововведению. Только когда железные дороги увеличили населенность городских центров, инженеры всерьез задумались о вертикальном перемещении, чем еще больше увеличили скопления людей. К 1850 году первые грузовые лифты появились в зданиях Нью-Йорка. Они работали в основном на гидравлическом принципе Паскаля. Грузоподъемность и скорость были небольшими. Джеймс Богардус (1800–1874), энтузиаст чугунной архитектуры, предложил построить 300-футовую башню для Нью-Йоркской всемирной ярмарки 1853 года, которая будет тем прочнее, чем выше, и оснащена паровым подъемником, чтобы доставить зрителей на верхний этаж. Житель того же города Элиша Грейвз Отис (1811–1861) запустил в эксплуатацию первый пассажирский лифт. Отис продемонстрировал его безопасность на ярмарке 1853 года и в 1857 году установил в пятиэтажном здании на углу Бродвея и Брум-стрит. Было предусмотрено устройство безопасности на случай разрыва каната или сбоя в механизме подъема. К ноябрю 1866 года появилось упоминание об 11-этажном здании в Париже с платформой, которая бесшумно спускается каждую минуту и поднимается с помощью гидравлической силы. Зигфрид Гидеон заявил, что первый пассажирский лифт в Париже был показан на выставке 1867 года. В устройстве привлекали бесшумная работа и скорость, ну и безопасность, конечно.

Первые гидравлические лифты были простого плунжерного типа. Вода подавалась насосом на вертикальный цилиндр, с вехушки которого тянулась через сальник вертикальная стальная колонна – плунжер, собственно, и поднимавший лифт. Сбрасывание давления позволяло лифту опуститься. С помощью канатов обеспечивалось уравновешивающее действие, так что давление воды не должно было поднимать вес лифта и груза целиком. Однако плунжер требовал наличия ямы под зданием, глубина которой равнялась высоте здания. Поэтому, по мере роста этажности, появились лифты другого типа – гидравлические подъемники с канатной передачей, имевшие мультиребристые ролики. Движение кабины по отношению к поршню увеличивалось пропорционально количеству оборотов каната вокруг ролика. Гидравлические лифты Густава Эйфеля, продемонстрированные в 1889 году, привлекли внимание всего мира, как и его башня. Лифты были трех моделей. Одна – американца Отиса, две другие – французские. Вместе они составляли систему, которая поднимала зрителей на вершину платформы в три этапа. Весь подъем занимал семь минут. Около 2350 пассажиров поднималось наверх и через час опускалось вниз.

Рис. 10.11. Здание Пулитцера в Нью-Йорке Гидравлические лифты, при всей своей плавности хода и надежности, были медленными.

Почти сразу после изобретения лифтов возникла идея, модифицировавшая практику строительства высотных зданий и изменившая первичную функцию стен. С древнейших времен стены поддерживали каркас и крыши зданий, хотя средневековые инженеры строили соборы так, что стены поддерживали только самих себя. Теперь каркас должен был поддерживать стены. Строители высоких зданий опирали стены независимо, один этаж за другим, на сложный самонесущий каркас. Стены можно было при желании строить сверху вниз, поскольку они больше не поддерживали конструкцию, а только окружали ее. Такой поворот в строительной практике произошел не одномоментно. В 1880-х годах многие здания, оборудованные лифтами, строили выше пяти этажей и без каркаса. Одна из самых примечательных построек такого типа – здание Пулитцера в Нью-Йорке (рис. 10.11). Эта 14-этажная постройка была возведена в 1890 году как последнее из зданий, стены которого несут свой собственный вес. Внешние стены здания в основании имеют толщину более 9 футов.

В 1850-х годах Джеймс Богардус подошел очень близко к строительству каркаса, но похоже, не осознал этого. Его чугунные каркасы, в некоторых случаях достигавшие высоты 70 футов, были описаны в Illustrated London News от 12 апреля 1851 года (рис. 10.12) еще до того, как Уильям Фейрберн опубликовал свою книгу о строительстве с использованием железа. Сам Богардус хвастался, что большая часть его металлоконструкции может быть уничтожена, но каркас все равно останется прочным. Вместе со своим современником из Англии Джозефом Пэкстоном, создателем Хрустального дворца 1851 года (рис. 8.12), Богардус является автором архитектурного достижения – эффективного совмещения в строительстве стекла и железа. В 1854 году он построил для нью-йоркского издательства Harper & Brothers здание с фасадом практически полностью из стекла и железа. Стекло поддерживалось независимо на каждом этаже, но стены продолжали поддерживать только самих себя между чугунными колоннами на каждом этаже. Их вес не передавался на фундамент каркасом. Поэтому едва ли можно сказать, что это Джеймс Богардус изменил функцию стен.

Рис. 10.12. Чугунное здание Богардуса в Нью-Йорке, на пересечении Центральной и Дуэйн-стрит

Французский строитель Жюль Солнье сделал еще один шаг вперед, соорудив каркасное здание с ненесущими стенами. Конструкция, которую он возвел в 1871–1872 годах для шоколадной фабрики Менье (рис. 10.13), нависала над рекой на четырех каменных опорах – так можно было использовать энергию воды. Выбор площадки для строительства также побудил Солнье использовать практики, применявшиеся в мостостроении из дерева и железа; диагональная связь давала такую возможность. В любом случае результатом стал металлический каркас, переносивший на опоры весь вес конструкции. Стены из пустотного кирпича были не более чем занавесками. Новая строительная практика, хотя и подробно описанная во французских журналах, очевидно, в Америке не была известна. Предположительно открытие было совершено независимо и применено к строительству высотных зданий Нового Света.

Рис. 10.13. Самый ранний каркас шоколадной фабрики Менье, построенной Жюлем Солнье

Заслуга создания первого небоскреба приписывается Уильяму Ле Барону Дженни (1832–1907), который спроектировал и построил его для Чикагской страховой компании в 1883–1885 годах (рис. 14.1). Компания Carnegie, Phipps & Co попросила разрешения использовать балки из бессемеровской стали вместо железных при строительстве здания страховой компании, когда оно уже было возведено до шестого этажа. Эти балки стали первой поставкой конструкционной стали для зданий в современном коммерческом смысле. Третий важный фактор в строительстве небоскребов – сталь. После изобретения лифтов и прочного каркаса стал доступным этот сравнительно легкий, прочный и дешевый строительный материал.

Уроженец Фэрхейвена, Массачусетс, получивший образование в академии Филлипса и в научной школе Гарварда, Дженни в 1856 году с прекрасными результатами окончил Ecole Centrale des Arts et Manufectures в Париже. В 1868 году он обосновался в Чикаго, где Луис Салливан, впоследствии прославившийся своими достижениями в области архитектуры, работал в его офисе скромным ассистентом. Юноша не увидел в Дженни архитектора и счел, что в «сердце своем он даже не инженер», а «гуляка и гурман», который прекрасно знает только вина и соусы. Empire State Building, здание Крайслера и другие сегодняшние небоскребы в Нью-Йорке, Чикаго, Далласе, Сиэтле и других городах ведут свое происхождение от 10-этажного здания страховой компании, построенного Дженни в 1883–1884 годах, или даже от здания шоколадной фабрики Менье, построенного Солнье в 1871–1872 годах.

До постройки Солнье здания шоколадной фабрики, как уже говорилось, первичной функцией стен высоких зданий была поддержка всего здания или, по крайней мере, самих себя. В то же время веками существовали каркасные дома, в которых каркас поддерживал дом и стены, «навешенные» на каркас. До изобретения Джорджем Вашингтоном Сноу (1797–1870) балочно-стоечного каркаса деревянный каркас с тяжелыми столбами, обвязками, балками и подкосами удерживались вместе соединениями с гнездами и шипами. Сноу революционизировал строительство каркасов, заменив тяжелые столбы и балки с дорогими и со временем ослабляющимися соединениями досками и брусками, соединенными гвоздями. Сноу изобрел балочно-стоечный каркас в Чикаго, и первым зданием, построенным по такому принципу, была церковь Святой Девы, возведенная в Чикаго в 1833 году. Балочно-стоечный каркас после 1833 года широко использовался в Чикаго и быстро распространился по всему Среднему Западу. Успешное использование балочно-стоечных каркасов напрямую зависело от массового производства гвоздей и усовершенствования машин для пилки леса. В свою очередь, изготовление шпилек и штампованных гвоздей из железа и стали зависело от усовершенствования металлургических процессов и оборудования.

Балочно-стоечный каркас индустриализировал процесс строительства домов и дал возможность неквалифицированному труду заменить опытных плотников. Дом с балочностоечным каркасом обходился в 60 процентов от стоимости каркаса с шипо-гнездовыми соединениями. Более того, поскольку не было необходимости в квалифицированных рабочих, можно было построить больше домов. В своей статье в газете New York Tribune от 18 января 1855 года Солон Робинсон писал: «Если бы не знание балочно-стоечных каркасов, Чикаго и Сан-Франциско никогда не выросли бы, как они это сделали, из маленьких деревень в крупные города всего за один год». После середины века балочно-стоечные каркасы стали называться «чикагской конструкцией».

В 1890-х годах, после того как Дженни построил здание для страховой компании, в Чикаго появилось много небоскребов со стальными каркасами. На самом деле именно чикагская школа довела до совершенства строительство небоскребов. В конце века термин «чикагская конструкция» уже означал не балочно-стоечный каркас, а небоскреб со стальным каркасом. Важно, что этот термин применим к двум типам каркасов. Представляется возможным, что балочно-стоечный каркас повлиял на стальной.

Глава 11

Электротехника

Три события в инженерии XIX века изменили образ жизни человека и оказали непосредственное влияние на исторический процесс. Первое – экспансия промышленной революции, описанной в главах 7—10. Второе – появление гражданской инженерии как профессии, сопровождавшееся осознанием важности научного и технического образования как обязательной предпосылки инженерной практики. Третье и самое важное событие, связанное с первым, – внедрение новой методики подхода к инженерным достижениям – метода прикладной науки. Тема этой главы – возникновение и развитие электротехники – яркий пример этой новой революционной методики.

Профессиональные инженеры – люди, зарабатывающие себе на жизнь инженерной практикой, – появились во Франции в XVII веке. Французы также создали первые школы для обучения инженерному искусству. Это произошло в XVIII веке. Первая школа гражданских инженеров – знаменитая Ecole des Ponts et Chaussees – Школа мостов и дорог, была создана в 1747 году. Французские институты такого рода использовали метод практического ученичества, и учительский персонал лишь иногда проводил общие теоретические лекции. Эти школы перестали работать в начале Французской революции. Впоследствии их заменили Ecole Polytechnique в 1794 году, позже – обновленная Ecole des Ponts et Chaussees, Ecole des’Arts et Metiers. В этих школах начали обучать таким базовым предметам, как математика, физика и химия. В самом начале XIX века Германия и еще одна или две европейских страны также создали инженерные школы по образу и подобию французских. Между тем к 1840 году в Соединенных Штатах было только две школы, дававшие инженерное образование, – Военная академия в Вест-Пойнте и Школа Ренсселера в Трое. За десять лет после принятия закона Моррила 1862 года, положившего начало государственной помощи системе образования путем предоставления земельных наделов образовательным учреждениям штатов, количество таких школ увеличилось с 6 до 70. В целом американские школы вплоть до 1900 года использовали европейские образовательные техники и напрямую не способствовали прогрессу в этой области. Только в конце XIX века в американских школах началось обучение электротехнике.

Быстрый подъем инженерной науки в XIX веке существенно изменил инженерную практику и придал существенный импульс эволюции технического образования. В широком смысле инженерная наука – по сути абстрактные теории, такие как статика и динамика, вместе с научными методами решения инженерных проблем. И снова французы были первыми. В XVIII веке они довольно быстро развили разные аспекты инженерной науки. Подъем инженерной науки был типичной чертой века разума, когда научные методы начали использоваться в изучении многих вопросов, в том числе социальных проблем. В начале XIX века стало очевидно, что, к примеру, конструкция механического прибора, созданного на основе научных методик для выполнения какой-то специфической функции и ничего больше, является более экономичной, чем подобный прибор, созданный на основе «опыта». И инженерная наука стала развиваться ускоренными темпами. Было также ясно, что технические школы являются более компетентными в обучении новой науке, чем старый институт ученичества.

Еще более важным представляется то, что подъем профессионализма и использование научных методик в инженерии являлись применением растущих научных знаний в инженерии. А.Н. Уайтхед в книге «Наука и современный мир» писал: «Суть в том, что профессионализм теперь породнился с прогрессом. Мир оказался перед лицом саморазвивающейся системы, которую невозможно остановить». Феноменальное развитие электротехники, насчитывающей едва ли 80 лет от роду, и электроники, еще более позднего явления, наглядно демонстрирует, как быстро развивается инженерная область, когда основывается на науке. Внедрение метода прикладной науки во второй половине XIX века было одной из самых важных инноваций в истории инженерии.

История электричества

Поскольку с самого начала электрическая инженерия основывалась на науке электрике, необходимо дать краткий обзор развития человеческих знаний об электричестве. Электричество – одна из самых молодых отраслей физики. Греки знали, что, если потереть янтарь, он будет притягивать соломинки, однако впоследствии электростатическое притяжение янтаря на какое-то время спутали с магнитным притяжением магнетита. Итальянский врач Джероламо Кардано (1501–1576) различил эти два типа притяжения. В 1600 году Уильям Гилберт (1544–1603), придворный врач королевы Елизаветы, опубликовал De magnete, где описал разницу между притяжением янтаря и магнетита. Янтарь притягивает только небольшие легкие предметы, куда не входит железо, а магнетит притягивает только железо. Гилберт обнаружил, что и другие вещества, такие как стекло, некоторые камни, сера, твердый воск и твердая смола, если их потереть, тоже могут притягивать разные легкие предметы. Янтарь по-гречески – electron, и Гилберт использовал латинское слово electrum. Для других веществ, которые вели себя так же, как янтарь, он придумал слово electrica. Только в 1646 году сэр Томас Браун (1605–1682) впервые использовал слово «электричество».

В 1629 году итальянский иезуит Никколо Кабео (1585–1650) наблюдал электрическое отталкивание. Отто фон Герике из Магдебурга, который изобрел воздушный насос, около 1660 года построил первую электрическую машину. Правда, он, по-видимому, не исследовал явление собственно электричества, а, скорее, считал его проявлением virus conservatia, свойства притяжения земли и материи вообще. Только англичанин Фрэнсис Хоксби (умер в 1713 г.) использовал машину статического электричества с вращающимся стеклянным шаром для проведения первых важных опытов с электричеством. Работы Хоксби стимулировали развитие электрической науки в XVIII веке. Хотя фон Герике наблюдал электропроводимость, он, очевидно, ее не узнал. В 1731–1732 годах Стивен Грей (1696–1736) опубликовал в Philosophical Transactions of the Royal Society свои труды, в которых было показано, что некоторые вещества являются проводниками электричества, а другие, наоборот, электричество не проводят и являются изоляторами.

Парижанин Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739), придворный Людовика XV, создал первую теорию электричества. Прочитав труды Грея в 1733 году, Дюфе сразу начал эксперименты с электропроводимостью и обнаружил два вида электрических зарядов – «стеклянный» и «смоляной», доказав, что одноименно наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Дюфе писал: «По воле случая я узнал другой принцип, который проливает новый свет на предмет электричества. Этот принцип заключается в следующем: есть два электричества, отличающиеся друг от друга. Одно я назвал vitreous-электричество, другое – resinous-электричество. Первое – это электричество стекла, горного хрусталя, драгоценных камней, шерсти животных и многого другого. Второе – это электричество янтаря, копала, камеди, шелка и многого другого. Характерным для этих двух электричеств является следующее: тело из vitreous-электричества, к примеру, отталкивает все тела такого же электричества и, наоборот, притягивает все тела resinous-электричества».

Дюфе предположил, что нейтральное вещество имеет одинаковое количество vitreous и resinous-электричества и что любое вещество отдает один тип электричества, если его потереть, и становится заряженным другим типом. Теория Дюфе объясняла многие электрические явления и была довольно-таки полезной. Она не учитывала лишь того, что заряд любого тела также зависит от вещества, которым его трут.

Два человека, работавших параллельно и независимо друг от друга, одновременно открыли принцип электрического конденсатора. Это прибор, который держит заряд статического электричества посредством двух проводящих пластин, разделенных непроводящим материалом. Питер ван Мушенбрук (1692–1761) открыл то, что теперь называется лейденская банка, – стеклянный сосуд с внутренним и наружным металлическим покрытием – они разделены непроводящим стеклом. Мушенбрук сообщил о своем открытии в письме Реомюру, который в январе 1746 года зачитал его на собрании Французской академии наук. В октябре 1745 года Эвальд Георг фон Клейст (1700–1748), клирик собора в Каммине, также открыл принцип лейденской банки, однако его описания были настолько невнятными, что никто не сумел повторить его эксперименты. Первый разряд, полученный Мушенбруком от его банки, оказался настолько сильным, что физик начал свое письмо Реомюру словами: «Я хочу рассказать вам о новом, но ужасном эксперименте, который искренне не советую повторять». Позже Вольта дал этому прибору название «конденсатор», поскольку электричество в то время считалось «невесомой жидкостью», которую можно «конденсировать». Его также называют емкостью.

Когда лейденской банке было два года от роду, Бенджамин Франклин (1706–1790) использовал ее в экспериментах по демонстрации важной новой теории электрического явления. Большим вкладом Франклина в науку об электричестве явилась его одножидкостная теория, которая сменила двухжидкостную теорию Дюфе и с некоторыми изменениями была полезна для новых экспериментов в течение столетия. Франклин выразил новую концепцию в 1747 году, написав: «Некоторое время мы были убеждены, что электрический огонь не был создан трением, но собирался, на самом деле являясь рассеянным элементом, среди другой материи, и притягивался ею, особенно водой и металлами». Написав это, Франклин ничего не знал о теории Дюфе. Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) – французский гражданский инженер и физик – сделал следующий важный шаг в 1785 году, когда подтвердил умозаключение, сделанное в 1766 году Джозефом Пристли, английским философом и химиком. Тот утверждал, что сила притяжения или отталкивания между двумя маленькими сферами, имеющими электрические заряды, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон Кулона стал первым количественным законом в истории электричества.

Луиджи Гальвани (1737–1798), профессор из Болоньи, в 1786 году обнаружил, что отрезанная лягушачья лапка дергается, если ее коснуться скальпелем, когда в той же комнате работает электрическая машина, – отсюда одно из значений нашего слова «гальванизировать». Продолжая исследовать это странное явление, он выяснил, что лягушачья лапка дергается, если он одновременно касается мышцы и нерва концами металлического проводника, половина которого – цинковый стержень, а вторая половина – медный стержень. Лягушачья лапка не дергается, если металлический проводник состоит только из одного металла. Гальвани оказался перед двумя возможными трактовками этого интересного наблюдения. Или два проводника из разных металлов создают электричество при контакте, а лягушачья лапка действует как электрометр, обнаруживающий заряд, или мышца и нерв лягушачьей лапки производят электричество, а стержни действуют как проводники. К сожалению, Гальвани ошибочно выбрал второе объяснение и ввел термин «электричество животных», опубликовав свои наблюдения в 1791 году.

Профессор физики в Павии Алессандро Вольта (1745–1827) сначала принял теорию Гальвани об электричестве животных. Однако, проведя аналогичные эксперименты, Вольта обнаружил, что не может объяснить все результаты на основе теории электричества животных. Предположив, что источником электричества может быть контакт между двумя металлами, он заменил лягушачью лапку чувствительным электроскопом, прибором, который он изобрел в 1782 году для обнаружения мгновенного заряда статического электричества. С помощью электроскопа он сумел определить электрический заряд при контакте двух разных металлов без лягушачьих лапок или каких-либо других биологических материалов. Продолжая работу, Вольта открыл принцип батареи, о котором объявил в 1800 году. Впервые после появления батареи Вольта стал возможным продолжительный поток электрического тока. Для науки об электричестве и впоследствии для электрической инженерии открытие Вольтом электрического тока, в отличие от статического электричества, имело огромную важность. Открытия электропроводимости, конденсатора и электрического тока – это три самых важных открытия XVIII века для сегодняшней электрической инженерии.

В течение некоторого времени до 1800 года разные исследователи пытались установить связь между электричеством и магнетизмом. Эти исследования не давали результата, поскольку между статическим электричеством и магнетизмом нет никакой связи – только между электрическим током и магнетизмом. В 1852 году профессор из Копенгагена Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) первым сообщил о существовании электромагнетизма. Эрстед обнаружил, что электрический ток, пропущенный через проволоку, подвешенную над стрелкой магнитного компаса параллельно ей, заставляет стрелку поворачиваться и занимать положение почти под прямым углом к проволоке. Находка Эрстеда стимулировала научную активность. Всего через две недели после того, как о ней было объявлено во Французской академии наук, Андре-Мари Ампер (1775–1836) обнаружил, что виток проволоки действует как магнит, когда по нему пропущен ток, и что два таких витка притягивают и отталкивают друг друга, как магниты, но без присутствия магнетита. В своем труде, опубликованном в 1820 году, Ампер так же точно определил электрический потенциал или электрическое давление, в отличие от электрического тока. К 1822 году Ампер твердо определил, как опытным, так и эмпирическим путем, термодинамику.

А тем временем Майкл Фарадей (1791–1867), английский химик и физик, доказал, что подвешенная проволока, один конец которой опущен в сосуд с ртутью, будет вращаться вокруг постоянного магнита в ртути, пока проволока и ртуть будут соединены с разными полюсами электрической батареи. Это открытие электричества, производящего движение, со временем привело к созданию электродвигателя. В 1826 году немец Георг Симон Ом (1787–1854) сформулировал фундаментальный закон, который теперь носит его имя. Его открытие было не менее важным, чем установление Ампером различия между электрическим потенциалом и током, и таким же необходимым для инженерии. Ом провел много точных экспериментов, прежде чем объявил, что сила тока в цепи прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению.

Фарадей был убежден, что, если электричество может порождать магнетизм, как утверждает Эрстед, значит, справедливо и обратное, то есть магнетизм может порождать электричество. В течение нескольких лет он вел эксперименты и в 1831 году открыл принцип магнитной индукции. В этом же году он впервые осознал, что ток индуцируется в проводнике, в то время как интенсивность магнитного поля или увеличивается, или уменьшается, когда проводник двигается в магнитном поле. Фарадей также выяснил, что можно производить электрический ток в одном или двух витках, двигая их друг к другу или отодвигая друг от друга, в то время как ток течет во втором витке. Тогда он заменил проводник витком проволоки с током и получил то же самое. Используя два витка, намотанные на отдельные части замкнутого железного кольца, Фарадей заметил, что, когда он замыкает цепь ко второму витку, стрелка гальванометра дергается в одном направлении, а потом возвращается к нулю. Когда он размыкает цепь, стрелка отклоняется примерно на такое же расстояние в другом направлении и потом тоже возвращается к нулю. В 1831 году Фарадей также продемонстрировал, что, поворачивая медный диск между магнитными полюсами, он может генерировать постоянный ток. На этих открытиях основано механическое производство электричества. Таким образом, Майкл Фарадей открыл не только базовый принцип электродвигателя, но также базовый принцип генератора, индукционной катушки и трансформатора.

Честь открытия индукции Фарадей должен разделить с американским физиком Джозефом Генри (1797–1878). Приоритет, разумеется, принадлежит Фарадею, который первым опубликовал результаты в апреле 1832 года. Генри, работавший независимо, обнаружил индукцию раньше Фарадея, однако опубликовал результаты позже. Обнаружение индукции завершило великие открытия, сделанные сразу после установления Эрстедом электромагнетизма. Следующий важный прорыв был сделан в 1865 году, когда шотландец Джеймс Максвелл (1831–1879) опубликовал работу «Динамическая теория электромагнитного поля». В ней Максвелл вывел уравнения, описывающие явления, которые связывают электрическую проводимость, диэлектрические константы и магнитную проницаемость вещества с электрическим и магнитным полями и механической силой. Один из интересных выводов Максвелла, сделанный на основе его анализа, заключался в следующем: колебательное или переменное электромагнитное возмущение породит электромагнитные волны, имеющие скорость света.

Экспериментальные доказательства этого чудесного предсказания были получены только в 1887 году, когда молодой немецкий физик Рудольф Герц (1857–1894) объявил, что сумел получить и обнаружить волны «эфирной силы», колеблющиеся в «проникающем всюду эфире», которые имеют электромагнитные свойства. Герц использовал «электрический осциллятор», состоящий из двух металлических шаров, разделенных воздушным промежутком и соединенных с концом индукционной катушки так, чтобы между шарами пролетала искра. Его детектором послужил отрезок проволоки длиной около 7 футов с небольшим металлическим шариком на каждом конце. При установке нужного расстояния искра проскальзывала по воздушному пространству в детектор, когда осциллятор искрил. Герц сумел показать, что эти новые волны – волны Герца – подвержены отражению и рефракции, так же как световые и тепловые волны. Позже Герц подсчитал, что скорость его электромагнитных волн оказалась равной скорости света, тем самым подтвердив блестящее предсказание Максвелла. Сегодня волны Герца называют радиоволнами. Радиосвязь и телевидение напрямую основаны на знании свойств волн, которые Герц обнаружил в 1887 году, а Максвелл предсказал их существование двумя десятилетиями раньше.

Пока совершались открытия в области электромагнитных волн, образовались еще два поля для исследований, которые должны были дать важные знания для их применения в радио и телевидении. Одно из них – катодные лучи, иными словами, лучи, исходящие от катода, или отрицательного полюса вакуумной трубки, через которую течет ток. Юлиус Плюккер (1801–1868), физик из Боннского университета, открыл катодные лучи в 1859 году. Другое направление исследования – так называемый эффект Эдисона, открытый в 1883 году Томасом Эдисоном (1847–1931).

Через десять лет после открытия Плюккером катодных лучей его ученик Иоганн Вильгельм Гитторф (1824–1914) показал, что эти лучи распространяются по прямой. А магнитное поле под прямым углом к линии разряда будет их отклонять. К 1879 году английский физик и химик Уильям Крукс (1832–1919) продемонстрировал, что катодные лучи имеют импульс и энергию. В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940) убедительно доказал, что катодные лучи есть отрицательно заряженные частицы, подобные атомам, которые он назвал корпускулами, а сегодня их называют электронами. Открытие Томсоном электрона явилось первым физическим свидетельством того, что такие частицы существуют в природе. Вместе с открытием Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) годом раньше радиоактивности это явилось отправной точкой для удивительных достижений атомной физики в двадцатом веке.

Открытие Томсона позволило ему объяснить эффект Эдисона. Эдисон обнаружил, что слабый ток идет от нити его недавно изобретенной лампы накаливания, из которой выкачан воздух, на электрод, запечатанный в лампу, если электрод заряжен положительно. Если электрод заряжен отрицательно, тока не будет. Два британских исследователя Уильям Генри Прис (1834–1913) в 1885 году и Джон Амбруаз Флеминг (1849–1945) в 1890 и 1896 годах подробно изучили эффект Эдисона. В 1903 году Томсон доказал, что электроны являлись переносчиками тока в эффекте Эдисона. Применение этого знания было очень важным в области электроники. Радиолампа и электрический клапан использовали это явление, фундаментальное для коммуникационной инженерии.

Далее мы обсудим, как знание электричества использовалось в инженерии, включая связь, производство и использование энергии. Первое в хронологическом порядке важное практическое применение – электромагнитный телеграф.

Телекоммуникация

В первые тридцать или сорок столетий после того, как люди начали жить в деревнях, что имело место примерно семьдесят пять веков назад, человек начал распространять свое политическое влияние на группы деревень, потом городов и вести торговлю на больших территориях. Сразу после выхода правительственного контроля и торговли за пределы одной деревни у человека появилась необходимость передавать сообщения на значительные расстояния. До XIX века люди передавали сообщения с помощью сигнальных огней, дыма, барабанов, гонцов, голубей, кораблей, всадников, глашатаев и т. д. Примитивные племена до сих пор используют подобные техники. Известное нам слово «марафон» происходит от названия Марафонской долины, расположенной в 26 милях от Афин. В 490 году до н. э. персы вторглись на греческий полуостров, и афиняне разгромили их на Марафонской долине. Юный афинянин Фидиппид пробежал 26 миль до Афин, чтобы сообщить об афинской победе.

В XVI веке европейцы исследовали мир. Колонизация, последовавшая за периодом исследований, вызвала гигантское увеличение расстояний и объема торговли. Все это привело к необходимости более быстрой передачи сообщений.

В XVII веке несколько человек предложили оптический телеграф. Самым известным из них, пожалуй, является Роберт Гук. После открытия в 1732 году электропроводимости люди начали исследовать возможности использования статического электричества для передачи сообщений. Но практичного решения так и не нашли. В 1794 году Клод Шапп (1763–1805) изобрел семафор – первый использовавшийся на практике оптический телеграф (рис. 11.1). Он состоял из ряда башен, расположенных в 6—10 милях друг от друга. Каждая башня была оборудована вертикальной мачтой, напоминающей железнодорожный семафор, с подвижными линейками. При помощи канатов и блоков линейки могли принимать разное положение, передавая не только буквы, но и наиболее употребительные слова. Оказалось, что скорость передачи довольно велика. Например, на 475-мильной линии со 120 башнями между Парижем и Тулоном операторы передавали сообщение за 10–12 минут. Первый телеграф Шаппа был установлен между Парижем и Лиллем – расстояние 144 мили. Он доказал свою эффективность, и система стала быстро распространяться.

Рис. 11.1. Телеграф Шаппа в Лувре, Париж

Британцы построили несколько линий Шаппа, соединяющие Лондон с некоторыми портами канала, где, по их мнению, существовала опасность высадки армии Наполеона. В 1800 году Джонатан Гроут построил первый семафорный телеграф в Соединенных Штатах. Эта 65-мильная линия соединила Мартас-Винъярд с Бостоном. По ней передавались коммерческие новости, в первую очередь о прибытии судов. Хотя некоторые линии Шаппа еще работали в середине XIX века, семафорная система была дорогостоящей в эксплуатации и зависела от погодных условий.

Изобретение Алессандро Вольта в 1800 году электрической батареи стимулировало усилия по созданию электрического телеграфа. После открытия Эрстедом электромагнетизма английский физик Уильям Стеоджен (1783–1850) около 1825 года создал электромагнит, а в следующем году Ом объявил закон, касающийся электрического тока в цепи. Эти открытия были чрезвычайно важны для создания практичного электромагнитного телеграфа. Необходимость в быстрой связи к 1830 году стала настолько острой, что десятки человек пытались создать электрический телеграф. В 1820 году Ампер предположил, что, используя цепи для каждой буквы и магнитную иглу на терминале, будет возможно передавать сообщения. Одна из первых электромагнитных телеграфных систем была основана на идее Ампера. Десятью годами позже Уильям Ричи продемонстрировал предложение Ампера на практике в небольшом масштабе. В 1832 году Павел Шиллинг фон Канштадт (1786–1837), эстонец по рождению, активно трудился над системой, также основанной на идее Ампера, но так и не создал практический телеграф.

В 1836 году молодой англичанин Уильям Фотергилл Кук (1806–1879) побывал на ряде электромагнитных экспериментов в Гейдельберге, где изучал анатомию. Его изрядно впечатлила возможность использования электрического тока для функционирования телеграфа. В течение всего лишь трех недель он создал первую модель. Это был вариант с магнитной иглой, аналогичный прибору Шиллинга. После возвращения Кука в Англию Фарадей представил его Чарльзу Уитстону (1802–1875) из Королевского колледжа в Лондоне. Уитстон уже работал над электрическим телеграфом. В 1837 году они стали партнерами. Еще до подписания партнерского соглашения Кук и Уитстон в 1837 году построили телеграфную линию вдоль железной дороги Лондон – Бирмингем и успешно передали первые сообщения. Первый телеграф Кука и Уитстона потребовал пять или шесть проводов для передачи и, соответственно, пять или шесть магнитных игл, каждая из которых поворачивалась между двумя секциями двойной проволочной катушки. Иглы отклонялись вправо или влево, обозначая разные буквы, в зависимости от действий оператора.

По договоренности с руководством недостроенной Большой западной железной дороги партнеры установили телеграфную линию вдоль железной дороги из Паддингтона и в 1839 году продлили ее на 7½ мили до Хануэлла. К 1843 году телеграфная линия достигла города Слау, что в 18½ мили от Паддингтона. Телеграфная линия приобрела широкую известность, после того как по ней 6 августа 1844 года была передана новость о рождении второго сына королевы Виктории. Интерес к телеграфу был настолько велик, что для самых любопытных была даже установлена плата в 1 шиллинг за вход в контору и возможность увидеть работу операторов.

Еще больше прославился телеграф своей ролью в поимке убийцы. В новогоднюю ночь 1845 года житель Лондона по имени Джон Тауэлл прибыл на поезде в Слау, где дал женщине смертельную дозу яда. Сообразив, что она отравлена, женщина стала кричать. Ее крики встревожили соседей, и Тауэлл побежал на станцию, где сел на поезд в Лондон. Его заметили выбегающим из дома жертвы и описали телеграфисту, который немедленно передал информацию на станцию Паддингтон, добавив, что преступник находится в поезде, который только что отошел от Слау. Телеграфист на станции Паддингтон уведомил детектива, тот обнаружил Тауэлла и проследил его до дома. На следующее утро прибыли полицейские из Слау, и Тауэлл был арестован. Впоследствии его судили и повесили. Этот случай стал отличной рекламой для телеграфа.

Пока Кук и Уитстон развивали телеграфную систему, ставшую стандартной в Англии, американец Сэмюэл Финли Бриз Морзе (1791–1872) создавал электромагнитный телеграф другого типа. Возвращаясь в Соединенные Штаты в 1832 году после трехлетнего пребывания в Европе, Морзе обсуждал разные проблемы электромагнетизма со своим спутником доктором Джексоном из Бостона, Массачусетс. Джексон, очевидно, рассказал Морзе об экспериментальных европейских телеграфах. Впоследствии Джексон заявил, что идея электромагнитного телеграфа принадлежит ему. Эта претензия представляется весьма сомнительной, однако не может быть сомнений в том, что у Джексона было немало полезных идей. Именно он десятью годами позже предложил доктору У.Т.Г. Мортону использовать эфир в качестве анестетика и потом стал соавтором этого великого открытия. В 1846 году он заявил, что подал Кристиану Фридриху Шёнбейну идею, которую тот использовал при открытии пироксилина.

Морзе прибыл в Нью-Йорк в 1832 году и сразу приступил к работе над телеграфом, но только в 1836 году создал первый образец. Вскоре после этого он узнал от коллеги об усовершенствованных электромагнитах Джозефа Генри, использовавшего обмотки из изолированного провода, намотанного на железный сердечник. Морзе обнаружил, что новые магниты существенно увеличивают расстояние, на которое можно передать сигнал. Приемником Морзе в то время была «ручка», находившаяся в постоянном контакте с полоской бумаги, которая двигалась с помощью часового механизма. Электромагнит при пропускании через него электрического тока притягивал железный стержень на конце рычага; другое плечо рычага при этом поднималось и придавливало стальное острие «ручки» к ленте, которая оставляла штрих на бумаге. Когда ток прерывался, рычаг возвращался в исходное положение. В зависимости от продолжительности тока острие оставляло на бумаге разные знаки. 4 сентября 1837 года Морзе передал свое первое сообщение на расстояние 1700 футов.

Вскоре после этого Морзе ввел два важных усовершенствования. Во-первых, он изобрел реле, позволившее существенно увеличить дальность передачи сигнала. Интересно, что Генри и Уитстон в это же самое время разработали аналогичные реле. Во-вторых, он изобрел свой знаменитый условный алфавит из точек и тире – морзянку. А юный коллега Морзе Альфред Вейл предложил клопфер – простейшее устройство, предназначенное для восприятия азбуки Морзе на слух. Звук, означающий точку, длится доли секунды, и тире – примерно в три раза дольше.

Морзе сумел получить частную финансовую поддержку, однако его попытки получить правительственный грант успехом не увенчались. Только в январе 1843 года конгресс выделил 30 000 долларов для строительства 38-мильной телеграфной линии вдоль железной дороги Балтимор – Огайо, между Балтимором и Вашингтоном. 24 мая 1844 года из Балтимора в Вашингтон было передано первое телеграфное сообщение азбукой Морзе – «Что сотворил Бог». После этого успеха другие линии появлялись довольно быстро. К 1846 году телеграфные линии протянулись из Вашингтона в Портленд, Мэн и на запад – в Луизиану, Кентукки, Милуоки, Висконсин. Значительно позже появление дуплексной, триплексной и мультиплексной связи существенно расширило возможности. Мультиплексные системы позволяют телеграфистам передавать сообщения одновременно по одним и тем же проводам, а изобретение перфораторов увеличило скорость передачи данных.

Когда протягивали ранние телеграфные линии, кабели небольшой длины прокладывали по дну рек. Один из первых кабелей проложил Морзе под гаванью Нью-Йорка. Кабель был изолирован гуттаперчей – подобным резине веществом, открытым в 1834 году. Первый подводный кабель значительной длины – от Дувра до Кале – был проложен в 1850 году. Его изоляция оказалась некачественной, и в ноябре 1851 года был проложен новый кабель, который удовлетворительно работал в течение долгих лет. В последующие несколько лет был проложен кабель, соединивший Данию и Швецию, и еще несколько кабелей в Средиземном море.

Первый успешный атлантический кабель начали эксплуатировать в 1866 году благодаря усилиям Сайруса Уэста Филда. Этому событию предшествовало много безуспешных и даже трагических попыток. В 1856 году была организована Атлантическая телеграфная компания. В следующем году сделана первая попытка проложить кабель между Ирландией и Ньюфаундлендом. После прокладки 335 миль кабель был разорван из-за неполадок в разматывающей машине. Вторая попытка в июне 1858 года также оказалась неудачной. Но летом того же года – 5 августа – прокладка кабеля все-таки была завершена. Первое коммерческое сообщение прошло по нему 17 августа, после поздравления королевы Виктории президенту Бьюкенену. Кабель функционировал недолго, и уже 20 октября работа прекратилась. Одним из сообщений, переданных, пока он еще работал, была информация от британского правительства Канаде о заключении мира с Китаем и отмене отправки двух полков солдат, которые вот-вот должны были вернуться в Англию для службы в Индии. Если бы кабель не работал, полки отправились бы в плавание и были бы напрасно потрачены весьма существенные средства – по некоторым оценкам, 50 000 фунтов.

В последующие годы группа ученых и инженеров работала на Атлантическую телеграфную компанию, чтобы улучшить изоляцию и механическую прочность кабеля, усовершенствовать разматывающую машину, приемник и тип сигналов. Благодаря по большей части сэру Уильяму Томпсону, профессору естественных наук в Глазго (1824–1907), нужные характеристики кабеля были наконец достигнуты. Следующая попытка была сделана 23 июля 1865 года. Кабель тянули из Валенсии, Ирландия. После того как было уложено 1200 миль кабеля, он оборвался на глубине 2100 морских саженей, и от проекта пришлось отказаться. Атлантическая компания прекратила свое существование. Ей на смену пришла Англо-американская компания, которая продолжила проект. Из некого места в океане, примерно на полпути между Валенсией и Ньюфаундлендом, 13 июля 1866 года кабель снова начали тянуть на запад, и 27 июля он достиг Ньюфаундленда. Затем были проведены успешные поиски кабеля, потерянного при предыдущей попытке. Концы кабелей срастили, и 8 сентября прокладка была завершена. После этого кабели эксплуатируются постоянно. Сейчас девятнадцать кабелей пересекает Атлантику. Летом 1955 года кабелеукладчик «Монарх» уложил трансатлантический кабель нового типа, коаксиальный кабель с репитером, использующий три вакуумные трубки каждые сорок миль, для передачи телефонного сообщения в одном направлении. После укладки второго кабеля в 1956 году система смогла передавать 36 бесед одновременно. Общая длина использующихся подводных кабелей к середине XX века превысила 300 000 морских миль.

Метод передачи и приема сообщений по подводным кабелям отличался от используемого на стандартных телеграфных линиях. Из-за огромной емкости и сопротивления очень длинного кабеля короткие импульсы тока как будто «расплывались» на приемном конце, словно клякса на бумаге. Токи использовались очень слабые, так как чем слабее ток, тем быстрее передача. Со временем зеркальный гальванометр заменил клопфер на приемке сигналов. Зеркало отражает луч света лампы таким образом, что небольшое отклонение рамки, на которой установлено зеркало, дает ощутимое движение – свет становится заметным. В 1870 году зеркало заменили ондулятором с сифонной подачей чернил, созданным сэром Уильямом Томсоном. Этот прибор состоял из витка легкой проволоки, подвешенного между полюсами мощного электромагнита. Движения витка передаются шелковыми нитями к маленькой стеклянной трубке, один конец которой опущен в резервуар с чернилами, а другой оставляет следы на бумажной ленте.

Некоторое представление о роли, которую играла телеграфия в связи, можно получить на основе анализа 650 000 телеграмм, которые британское почтовое ведомство передало всего за одну неделю в 1934 году. Две трети сообщений были коммерческими, одна треть – социальными. Нет никаких сомнений в том, что коммерческая необходимость в быстрой передаче сообщений была главной движущей силой сооружения ранних телеграфных линий в 1840-х годах. Телеграфный бизнес быстро разрастался в XIX веке, но в XX веке пришел в упадок. Главной причиной этого упадка стал телефон.

Стимулы для развития телефона отличались от тех, что привели к появлению телеграфа. К тому времени, как начались работы над телефонной связью, телеграф уже удовлетворял большинство потребностей людей в быстрой передаче информации. Поскольку стимулов было меньше и отсутствовала особая срочность, над созданием телефона трудилось не так много людей. Но все они были изобретателями, наделенными способностями и воображением.

В 1837 году американец Чарльз Графтон Пейдж (1812–1868) из Салема, Массачусетс, обнаружил, что, если происходит быстрая смена магнетизма железа, оно издает музыкальную ноту, имеющую высоту, зависящую от частоты изменения намагниченности. Он назвал эти звуки гальванической музыкой, и многие физики взялись за изучение этого явления в своих лабораториях. Немецкий изобретатель Филипп Рейс из Фридрихсдорфа в 1860 году сконструировал аппарат, с помощью которого мелодия, созданная в одном месте, может передаваться с помощью электричества и воспроизводиться в другом месте. Первый аппарат Рейса состоял из усеченного конуса, вставленного в отверстие в пивной бочке. Меньший конец был закрыт мембраной, на которой была закреплена с помощью воска маленькая платиновая проволока. Проволока была частью цепи аккумуляторной батареи и касалась металлической полоски таким образом, что могла устанавливать и разрывать контакт, когда диафрагма вибрировала, и разрывала цепь батареи с частотой, соответствующей вибрации диафрагмы. Провода цепи батареи вели к катушке, намотанной на вязальную спицу. Быстрое намагничивание и размагничивание этой спицы вызывало звуковые волны частотой звука в диафрагме. В 1861 году во Франкфурте Рейс успешно продемонстрировал передачу музыкальных нот в усовершенствованном аппарате. В 1863 году он писал коллеге: «Если ты приедешь ко мне сюда, я докажу, что слова тоже можно разобрать». Правда, это заявление точно не подтверждено. В любом случае Рейс внес существенный вклад в историю передачи звука.

В 1875 году два человека в США работали над телефонной связью. Они трудились независимо и не подозревая о существовании друг друга. Это Элиша Грей (1835–1901), изобретатель и промышленник из Чикаго, и Александр Белл (1847–1922) из Бостона. Грей создал прибор, очень похожий на устройство Рейса, только использовал маленький железный стержень, прикрепленный одним концом к диафрагме. Другой его конец был погружен в жидкость с низкой проводимостью, являвшуюся частью цепи. Вибрации диафрагмы, двигая стержень вверх и вниз, меняли сопротивление цепи, так что возникший в результате флюктуирующий ток, зависящий от меняющегося сопротивления цепи, соответствовал оригинальным звуковым вибрациям диафрагмы. Флюктуирующий ток шел на ресивер, состоящий из обмотки электромагнита и диафрагмы, на которой располагался небольшой кусочек мягкого железа. Флюктуирующий ток изменял намагниченность и вызывал вибрации железа на диафрагме, которые повторяли вибрации передающей диафрагмы, а значит, звук. 14 февраля 1876 года Грей отправил в патентное бюро Соединенных Штатов заявку на изобретение. Он желал во что бы то ни стало помешать другим людям запатентовать его детище. Белл обратился за патентом на такое же устройство в тот же день, но несколькими часами раньше. Именно он после долгих и ожесточенных тяжб получил патент и славу изобретателя телефона.

Александр Белл, шотландец по рождению, занимался обучением глухих. В 1870 году он эмигрировал из Лондона в Канаду, а через два года переехал в Бостон. Изначально он пытался изобрести инструмент, который позволит глухим видеть произносимые слова, и в 1874 году начал работать над телефоном. Первые результаты показались ему неутешительными. В Вашингтоне он встретил Джозефа Генри, и тот убедил юного изобретателя продолжать работу. Белл сумел не только создать передатчик с жидкостным сопротивлением, но также усовершенствовал магнитный передатчик, железная диафрагма которого, вибрировавшая в магнитном поле, производила изменения в поле, вызывая изменения тока намотки вокруг магнита. Эти изменения тока при передаче на приемник воспроизводили вибрации на передающей диафрагме и тем самым дублировали звук.

10 марта 1876 года Белл произнес первые слова по телефону, которые были четко услышаны на другом конце. Он позвонил в комнату своего помощника и сказал: «Мистер Уотсон, идите сюда, вы мне нужны». Белл пролил кислоту на одежду и нуждался в помощи, но моментально забыл об этом, когда помощник рассказал, как четко слышал его слова. В том же году Белл продемонстрировал свое изобретение на выставке в Филадельфии, где оно привлекло всеобщее внимание. Коммерческий образец телефона был сконструирован в начале 1877 года, и в сентябре в Соединенных Штатах их было уже 1300 штук. Первый коммутатор для соединения телефонов абонентов начал работать в Нью-Хейвене, Коннектикут, 28 января 1878 года (рис. 11.2). Всего там было 22 абонента. В последующие годы вводились многочисленные усовершенствования, и телефон распространился по всему миру.

Побудительных мотивов для изобретения радио, как и в случае с телефоном, было меньше тех, что привели к появлению электромагнитного телеграфа. К 1887 году, когда Герц открыл электромагнитные волны, уже существовали длинные проволочные и кабельные линии, по которым передавались телефонные и телеграфные сообщения. Между тем необходимость посылать сообщения через континенты и моря, особенно с кораблей в море, существовала. Когда изобретатели впервые задумались о радио, изначально речь шла только о передаче из одного пункта в другой, и только после Первой мировой войны люди начали понимать нераскрытые потенциалы радиосвязи.

Рис. 11.2. Первый центральный коммутатор, Нью-Хейвен, Коннектикут, 1878 г.

Открытие Герца было фундаментальным в изобретении радио. Электромагнитные волны несут радиосигнал, и без их знания невозможно иметь радио. Некоторые физики, в том числе англичанин Оливер Джозеф Лодж (1851–1940), понимали возможность использования электромагнитных волн для передачи и приема телеграфных сообщений. В 1894 году Лодж описал прибор, состоящий из ресивера, настроенного так, чтобы собирать волны, детектора, то есть реле для усиления сигналов, и принтера для записей точек и тире. Детектор Лоджа назвали когерером, в который входил также тремблер. Он был основан на явлении, открытом в 1879 году Дэвидом Эдвардом Хьюзом (1831–1900). Когерер, который несколькими годами раньше использовался для других целей, – это короткая стеклянная трубка с никелевыми опилками. Вместе с клеммами он являлся частью локальной цепи батареи. Электромагнитные волны, «пойманные» в этот ресивер, понижают сопротивление опилок, которые «слипаются» и позволяют току течь от батареи через них. После установления проводимости в когерере опилки продолжают служить хорошим проводником и поэтому больше не реагируют на волны. Лодж восстанавливал сопротивление опилок, встряхивая их с помощью тремблера, который закупоривал трубку. Ресивер Лоджа работал, но, поскольку он больше интересовался обучением и научными исследованиями, а не практическим применением своих разработок, он не занимался их усовершенствованием для коммерческого использования.

В 1894 году, в том же году, когда Лодж продемонстрировал свой ресивер, Гульельмо Маркони (1834–1937), молодой итальянский изобретатель, прочитал об открытии Герца и немедленно приступил к разработке практического метода беспроводной связи. Маркони сделал усовершенствованный осциллятор, или передатчик, используя антенну, установленную на шесте, и также увеличил эффективность когерера. В 1896 году он преуспел в передаче и приеме кодированных сообщений на расстояние в 2 мили. Считая, что в Англии больше возможностей для доведения его радиосвязи до коммерческого использования, Маркони в том же году отправился туда. Очень скоро он уже передавал и принимал сообщения при расстоянии 8 миль. В 1897 году Маркони начал экспериментировать с передачей на большие расстояния, и почувствовал себя победителем, когда услышал в приемнике на Ньюфаундленде переданную азбукой Морзе букву S – три точки. Передатчик в это время находился в Южном Корнуолле – на полуострове Лизард.

В 1898 году Лодж изобрел селективный тюнер. Когерер в качестве детектора не отвечал современным требованиям, и Джон Амброуз Флеминг, тогда консультировавший Маркони, изобрел двухэлементную или диодную вакуумную трубку, использующую принципы Эдисона. Два вывода этого реле были анодом и накаленным катодом, который постоянно испускал электроды. Флеминг поместил трубку, или клапан, как он его назвал, в воздушную цепь ресивера. Вариации входящих сигналов меняли заряд анода с положительного на отрицательный. Во время отрицательного интервала он отталкивал электроны, испускаемые катодом, и тока не было. Во время положительного интервала анод притягивал электроны от катода, и возникший ток приводил в действие принтер или телефонный приемник. Хотя изобретение Флеминга является базовым для радио, его диод неудовлетворительно показал себя в эксплуатации. Американский изобретатель Ли де Форест в 1906 году усовершенствовал диод, вставив решетку в вакуумную трубку между катодом и анодом. Решетка, или металлический экран, была связана с радиоантенной, и переменный или колебательный заряд на ней отталкивал электроны, когда был отрицательным, и усиливал поток электронов, когда был положительным. Тем самым осуществлялся более эффективный контроль над током, чем в диоде. Поскольку теперь в трубке де Фореста присутствовало три элемента, она названа триодом. И диод, и триод работают в условии частичного вакуума.

Пока шло развитие вакуумной трубки, также совершенствовалась передача волн – в отличие от телеграфных передач на искровом разряднике. Передача волн – незатухающих колебаний – необходима для передачи голоса. Реджинальд Обри Фессенден (1866–1932) в Америке, понимая необходимость эффективной системы передачи волн, разработал таковую с генератором в 1903 году. Именно Фессендену удалось создать гетеродинную цепь для приемника с использованием разницы частот между передающей и принимающей цепями. В 1914 году Эдвин Говард Армстронг (1890–1954) из Колумбийского университета создал обратную цепь, которая существенно повысила чувствительность приема вакуумной трубки ресивера. В 1918 году он усовершенствовал ее, и появилась супергетеродинная цепь, ставшая основополагающей для современного радио и радарного приема. К 1919 году стало возможно производить эффективные передатчики и приемники для речевого вещания, используя наработки предыдущих двадцати лет.

До 1919 года радио в основном использовалось для передачи информации из одного пункта в другой, как телеграф и телефон. С начала 1920-х годов, однако, началось радиовещание. Радиоприемники появились в частных домах и постепенно стали одной из самых популярных форм развлечения. Имея приемник дома, всегда можно было узнать новости, в том числе коммерческие, к примеру, рыночные цены на продовольственные товары для фермеров и т. д. Радио нередко служило средством быстрой связи для членов сообществ в случае местных катаклизмов. Оно было удобным инструментом для формирования общественного мнения и пропаганды. Иными словами, оно очень быстро приобретало популярность.

Изначально радиовещательные станции использовали амплитудную модуляцию (АМ) радиоволны, при которой частота звуковых волн изменяет амплитуду высокочастотных радиоволн, которые передают сообщение для приема и восстановления звука. Неисправные электродвигатели и другие устройства, электрические бури и электрические разряды могут добавлять собственную амплитуду волне, вызывая интерференцию или то, что называется помехами. Самым важным событием в радио после того, как вещание стало обычным делом, было появление частотной модуляции (FM), которую изобрел в 1933 году Э.Г. Армстронг. FM имеет более высокую точность воспроизведения, чем АМ, и относительно свободна от помех. В FM-системах вариация в радиоволнах, родившихся из звуковых волн, – это вариация в частоте, а не в амплитуде. Поскольку сигналы не зависят от амплитуды радиоволны, внешних помех практически нет. FM-система передает сигналы для телевизионного вещания в США.

«Телевидение» – слово, образованное комбинацией греческого и латинского слов – обозначает «вид на расстоянии». Это передача живых сцен или движущихся картин с помощью радиоволн. Телевидение – это продолжение звукового вещания и заключается в преобразовании света в электрические импульсы, передаче этих импульсов и повторном преобразовании их в приемной станции в исходную форму, а именно в свет. Электронное телевидение стоит на трех китах. Это радио, катодная трубка и то, что называется фотоэлектрическим эффектом, который Герц открыл в 1887 году.

По сути своей телевидение есть процесс сканирования и в приемной станции, и в передатчике. В передатчике пучок электронов из электронной пушки в катодно-лучевой трубке, которую назвали иконоскоп или ортикон, очень быстро сканировал мозаику фотоэлектрических ячеек на пластине, на которой линзы камеры сфокусировали изображение. Каждую минуту фотоэлектрическая ячейка несла на себе положительный электрический заряд, пропорциональный количеству света, падающего на ячейку. Электроны в сканирующем луче разряжали каждую из более чем 300 000 ячеек отдельно, и результирующий электрический импульс, пропорциональный количеству света, падающего на ячейку, собирался с проводящей поверхности с обратной стороны мозаики и передавался. Ортикон, таким образом, конвертировал оптическое изображение в соответствующие электрические импульсы. Электронный луч в черно-белой телекамере в Соединенных Штатах сканировал каждую из 525 000 горизонтальных линий фотоэлектрических ячеек на мозаике 30 в секунду. Поскольку каждая из этих линий в приборах, которые получили широкое распространение в США, имела около 600 фотоэлектрических ячеек, 315 000 отдельных импульсов отправлялись за 1/30 долю секунды.

В приемнике имелась другая катодная трубка, называемая кинескопом, устроенная так, что пучок электронов, размером с булавочную головку, попадает на флуоресцентный экран, освещая место пропорционально энергии в пучке в данный момент и, таким образом, конвертируя электрические образы обратно в свет. Передача картинки состоит из синхронного сканирования электронных пучков в передающих и принимающих трубках через пластину в передатчике и экран в приемнике. Сканирование аналогично технике чтения печатной страницы, строчка за строчкой, слово за словом. Электронный пучок в приемнике, конечно, должен быть хорошо синхронизирован в движении по горизонтали и вертикали в каждый момент времени с пучком в передающей камере.

Потребовалось очень большое количество прикладных исследований, чтобы привести телевидение в его теперешнее состояние. В 1862 году итальянец Джованни Казелли (1815–1891) использовал примитивный прибор для механического сканирования в своей отчасти удачной попытке передавать образы по телеграфным проводам. А в 1884 году немец Пауль Готлиб Нипков (1860–1940) выполнил дальнейшее усовершенствование механического сканирования. Его прибор состоял из диска, перфорированного отверстиями в форме спирали, причем каждое отверстие располагалось чуть ближе к центру диска, чем предыдущее. В 1907 году русский физик Борис Розинг, используя электронный приемник, катоднолучевую трубку с электронной пушкой на одном конце и флуоресцентным экраном на другом конце, попытался создать механический сканирующий передатчик, состоящий из зеркал на двух барабанах, вращающихся под прямыми углами друг к другу. Вертикальный барабан, вращавшийся на большой скорости, сканировал горизонтально, а горизонтальный барабан, вращавшийся намного медленнее, перемещал линию сканирования. Хотя система Розинга могла передавать и воспроизводить плохо очерченные образы, она не получила практического значения, в основном потому, что в ней не было усилителя. Герберт Ю. Айвс и Чарльз Ф. Дженкинс в Соединенных Штатах и Джон Л. Бэрд в Англии создали механические системы сканирования в конце 1920-х годов. Айвс использовал 48 линий, а Дженкинс – от 30 до 60. Телевизионная компания Дженкинса обанкротилась еще до начала вещания. Хотя британская компания в 1929 году начала передавать ограниченные телевизионные программы, используя систему Бэрда, механическое сканирование коммерческого успеха не имело.

В 1908 году А.А. Кэмпбелл-Суинтон (1863–1930) из Лондонского университета предложил телевизионную систему с использованием электронного сканера и электронного приемника. В 1917 году Владимир Козьмич Зворыкин (1888–1982), один из студентов Розинга, также занялся телевидением. После революции он эмигрировал в США, где впоследствии изобрел иконоскоп. Зворыкин также усовершенствовал кинескоп, основанный на принципе, который использовал еще Розинг в 1907 году. Первая демонстрация системы Зворыкина состоялась в Рочестере, штат Нью-Йорк, в 1929 году. Он использовал 120 линий сканирования. После существенного усовершенствования деталей электронной системы Зворыкина, 1 июля 1941 года в США началось телевизионное вещание. Вторая мировая война приостановила развитие телевидения, но начиная с 1946 года оно прогрессировало очень быстро. Коммерческое телевидение было черно-белым до 1954 года, когда распространилось цветное телевидение.

Помимо трансляции образовательных и развлекательных программ, радио и телевидение использовались и для других целей. Радиолучи помогали пилотам найти свои аэропорты. Одно из применений радио – радар. Запатентованный в Германии в 1904 году и усовершенствованный в 1930-х годах вооруженными силами США, Англии, Франции и Германии, радар широко использовался во время Второй мировой войны. С его помощью можно обнаруживать объекты и определять, на каком расстоянии они находятся от наблюдателя. Используя короткие радиоволны, радар посылает сигнал, который отражается объектом. Затем прибор улавливает отраженные лучи (эхо), и расстояние до объекта определяется по времени, прошедшему между отправкой сигнала и получением эхо. Это время – сотые доли микросекунды. Скорость прохождения лучей известна. Направление объекта определяется антенной направленного действия.

Радар на борту судна позволяет заметить любой объект, в частности другое судно, даже при нулевой видимости в густом тумане. Аэропорты также оснащены радарами для облегчения управления воздушным движением. Он незаменим при направлении самолета в аэропорт в условиях плохой видимости. Метеорологи используют радар, чтобы обнаружить и проследить путь шторма. Иными словами, радары широко применяются в морской и воздушной навигации. Они могут быть приспособлены для дальней или ближней радионавигации. Некоторые схемы используют известную скорость радиоволн, испускаемых с берега, или с морского или воздушного судна на береговую станцию. Другие используют волны разных частот, передаваемые с береговых станций и анализируемые на судне. Глубины измеряются с помощью эхолота – прибора, который улавливает радиоволны, посланные судном и отраженные от морского дна, так же как это делает сонар со звуковыми волнами. Важной для морской и воздушной навигации является также возможность узнать по радио точное время.

Пример тесной взаимосвязи между чистой наукой и инженерией – радиоастрономия. Астрономы XVII века могли использовать тогда появившиеся технические знания о шлифовке стеклянных линз и металлургии, чтобы создавать оптические телескопы, с помощью которых они делали важные открытия. В точности так же астрономы 1940-х годов, используя знания радиотехники применительно к астрономическим радиотелескопам, смогли наблюдать астрономические явления, которые невозможно было обнаружить даже с помощью самых мощных оптических телескопов, настраиваясь на ультракороткие радиоволны, испускаемые разными астрономическими объектами. Электронный микроскоп – другой пример взаимосвязи между чистой наукой и инженерией. Сначала электроника и радиотехника были чистой наукой. А в 1940-х годах микроскописты и астрономы начали использовать открытия в электронике и радиотехнике для создания инструментов, с помощью которых они делали удивительные открытия в чистой науке.

Электрическая энергия: генерирование и использование

Электродвигатель, если он не снабжен электрической батареей, строго говоря, не является первичным двигателем, поскольку ему нужна энергия из искусственного, а не природного источника. Электричество, форма энергии, или преобразуется механически из природной энергии источника с помощью первичного двигателя, приводящего в действие генератор, или вырабатывается в батарее при посредстве химической реакции. Основные первичные двигатели, сегодня производящие электричество, – это водяные колеса, паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания. Атомная энергия – способ заменить топливо.

Важность электрической энергии в ее экономичности и гибкости. Больше нет необходимости, как это было несколько столетий назад, размещать фабрику или промышленный город рядом с рекой, где доступна энергия воды, или вблизи гавани или реки, чтобы иметь воду для конденсаторов. Высоковольтные линии теперь переносят энергию от электростанции на любые расстояния. Электроэнергия передается не только в самые удаленные регионы, но и с гидроэлектростанций, расположенных в труднодоступных местах, в центры населения. Электричество есть в каждом доме и используется для самых разных целей – отопления, вентиляции, охлаждения, снабжения водой, освещения, а также для отдыха и развлечения.

Батарея, сконструированная Алессандро Вольта в 1800 году, являлась главным источником электричества до начала 1870-х годов. Она давала электричество для таких проектов, как ранний телеграф, телефон, железнодорожных сигналов, нанесения гальванических покрытий. Майкл Фарадей открыл фундаментальный принцип электрического генератора в 1831 году, когда обнаружил, что может производить электрический ток, двигая проводник в магнитном поле. В отличие от постоянного тока с проводящего диска вращающаяся проволочная обмотка, двигаясь в магнитном поле, производит только переменный ток. Поскольку в то время не существовало способа использования переменного тока, ученые и изобретатели сконцентрировались на создании генератора постоянного тока. В 1832 году, когда Фарадей опубликовал свое открытие тока, возникающего в медном диске, вращающемся в магнитном поле, француз Ипполит Пикси сконструировал генератор переменного тока, основанный на принципе магнитной индукции Фарадея. Он вращал постоянный магнит в форме подковы в поле электромагнита. В следующем году по предложению Ампера он добавил единичный переключатель – коммутатор для изменения тока, который изменялся при каждом обороте на постоянный ток, текущий всегда в одном направлении. Переключатель находился в контакте со щетками, которые собирали ток, сгенерированный вращением обмотки в магнитном поле.

Рис. 11.3. Генератор Пачинотти, 1863 г.

В Лондоне в 1833–1835 годах три человека сконструировали генераторы с коммутационными устройствами. Это Уильям Ричи, ранее занимавшийся телеграфом, Джозеф Сэкстон и Эдуард М. Кларк. Поколением позже, в 1863 году, молодой итальянский профессор в Пизе Антонио Пачинотти (1841–1912) построил генератор (рис. 11.3), обладавший значительными усовершенствованиями в сравнении с машинами 1830-х годов. Его основной вклад – увеличение количества коммутаторов с двух брусков до множества отдельных брусков, каждый из которых соединен с обмоткой, вращающейся в магнитном поле. Коммутатор Пачинотти дал возможность увеличить количество тока и мощность генератора. Одна черта в проекте Пачинотти была общей с более ранними генераторами: он использовал постоянный магнит для производства магнитного поля. В 1866 году не меньше пяти изобретателей заменили постоянный магнит электромагнитом, состоящим из железного сердечника в обмотке, через которую пропускается ток. Это воистину удивительный пример одновременного изобретения. В Англии Генри Уайлд из Манчестера, очевидно, был первым, кто использовал возбуждение поля. Он получил патент на генератор с отдельным маломощным возбудителем на постоянном магните, установленном на общем валу с генератором. Мозес Г. Фармер из Салема, Массачусетс, и братья Сименс из Берлина в 1866 году также построили самовозбуждающиеся генераторы. То же самое сделали Кромвель Флитвуд Варли из Лондона и Чарльз Уитстоун. Теперь настало время создания практичного генератора для коммерческого использования.

В том же десятилетии, когда начал усовершенствоваться генератор, получили развитие и электродвигатели – благодаря открытиям Фарадея. В 1821 году Фарадей продемонстрировал, что динамическое – или текущее – электричество в проводнике в магнитном поле может создавать продолжительное движение, но только в 1835 году Фрэнсис Уоткинс из Лондона собрал модель первого работающего двигателя. Модель двигателя Уоткинса состояла из стационарных обмоток, окружавших ось, на которой установлен магнитный брусок. Ось имела набор замыкателей, которые направляли ток батареи через последовательные обмотки, заставляя магнит и ось вращаться. В 1837 году Томас Дэвенпорт (1802–1851) из Вермонта построил первый электродвигатель, выполнявший промышленную работу. Первый двигатель Дэвенпорта имел постоянный магнит для создания поля, но последующие он оснастил электромагнитами. Дэвенпорт использовал электродвигатели для сверления железа и стали, а также для обработки древесины в своей мастерской. Его первые двигатели были роторными, но в 1938 году он начал разрабатывать поршневой двигатель, приняв за основу более ранний проект Джозефа Генри. В 1839 году немецкий и русский физик Мориц Герман Якоби (1801–1875) построил и испытал на лодке батарею из 128 элементов, имеющую платиновый и цинковый электроды, чтобы давать энергию двигателю. Лодка Якоби имела гребные колеса, спроектированные Уильямом Робертом Гроувом (1811–1896) из Лондона. Несмотря на щедрую помощь русского царя, испытания показали, что мощность, поставляемая батареей, слишком дорогостоящая даже для экспериментов, и Якоби не стал их продолжать. Большинство изобретателей первых двигателей понимали, что стоимость операции слишком высока, а количество энергии, получаемое от батареи, чрезвычайно ограничено. Высокая стоимость электричества задерживала развитие электродвигателей. Люди не понимали, что двигатели и генераторы могут быть взаимозаменяемыми, пока Пачинотти в 1863 году не построил машину, одинаково эффективную для обеих целей.

Человеку всегда нужен был свет, и он использовал для освещения самые разные приборы с тех самых пор, как впервые разжег костер. В 1800 году главными источниками освещения были свечи, в основном сальные, и масляные лампы, в которых, как правило, горели животные или растительные жиры. Уильям Мердок произвел первый осветительный газ в 1790-х годах путем нагревания угля и извлечения его летучих компонентов, которые легко воспламенялись на воздухе. В 1798 году он построил газовую станцию для освещения здания в Бирмингеме. Во Франции Филипп Лебон (1767–1804) в 1799 году получил патент на газовое освещение, используя летучие газы от нагретого дерева. Но Лебон умер, не успев усовершенствовать свое изобретение. Он только осветил собственный дом и территорию. Здание Pall Mall в Лондоне было освещено газом в 1807 году, а Вестминстерский мост – в 1813 году. В Париже газовые фонари стали появляться на улицах в 1820 году. В Соединенных Штатах в 1812 году Дэвид Мелвилл (1773–1856) осветил свой дом в Ньюпорте угольным газом, который получал неподалеку, а в 1813 году – хлопковую фабрику. Балтимор стал первым американским городом с уличным газовым освещением. Компания, организованная в 1816 году, несколькими годами позже начала поставлять газ. Природный газ впервые стал использоваться для освещения во Фредонии, где в 1821 году был проведен небольшой газопровод (труба диаметром 1½ дюйма) от месторождения. Полученный газ в течение ряда лет снабжал тридцать уличных фонарей.

Томас Друммонд (1797–1840) ввел лампы накаливания в 1825 году, поместив твердый кусочек известняка в газовое пламя. Идея уже была известна, но впервые ее применил на практике Друммонд. Яркий свет, который испускал раскаленный добела известняк, стал известен как друммондов свет. Широко использованная калильная сетка Вельсбаха, разработанная в 1885 году австрийцем Карлом Ауэром вон Вельсбахом, использовала тот же принцип. В начале XX века газ оставался важным источником освещения, хотя электрическое освещение быстро распространялось.

В 1801 году английский химик Хамфри Дэви (1778–1829) обнаружил, что может получить яркую вспышку или дугу между двумя разделенными угольными стержнями в цепи батареи. Однако батарея Дэви была недостаточно мощная, чтобы дать стабильную дугу. Только в 1863 году, после испытания дуговой лампы на маяке Дандженесс, что на южном побережье Кента, в 1862 году, дуговые лампы стали использоваться на практике. В частности, они были установлены на одном из двух маяков возле Ле-Гавра. Малоэффективные генераторы типа генератора Пикси, построенные бельгийцем Флорисом Нолле (1794–1853), обеспечивали подачу электричества. Дуговое освещение стало коммерчески доступным только десятилетием позже, когда появилась дешевая электроэнергия, гораздо более дешевая, чем энергия батарей или ранних генераторов.

Бельгиец Зеноб Теофил Грамм (1826–1901) многое сделал для коммерческого развития генератора и двигателя. Его первый ручной экспериментальный генератор 1871 года был очень похож на генератор Пачинотти, хотя Грамм, скорее всего, не знал о работе итальянского профессора. В 1873 году Грамм установил свои первые машины для дугового освещения, чтобы заменить более старые генераторы во французских маяках. Одновременно он построил несколько генераторов, чтобы заменить батареи, которые тогда использовались для нанесения гальванических покрытий никеля и серебра. Генераторы Грамма работали от поршневых паровых машин и были лучше других современных коммерческих генераторов. В 1876 году Грамм усовершенствовал их. Теперь он мог строить генераторы, работавшие на более высоких скоростях, более легкие и мощные. Вся линейка генераторов Грамма основывалась на модели 1876 года и в конце 1880-х годов еще хорошо продавалась.

Работая на парижской фабрике, выпускавшей генераторы Грамма, русский инженер Павел Яблочков (1847–1894) в 1876 году изобрел «свечу Яблочкова» – один из вариантов электрической угольной дуговой лампы. Свеча состояла из двух угольных стержней, расположенных рядом, но изолированных друг от друга белой глиной, которая испарялась, когда стержни горели. Поскольку один стержень угольной дуги, использующий постоянный ток, горит быстрее другого, Грамм спроектировал генератор переменного тока, чтобы использовать его со свечой Яблочкова. Новое освещение появилось на парижских улицах в 1878 году. Оно было настолько ярким в сравнении с существующими газовыми лампами, что распространилось по многим европейским городам.

Американец Чарльз Фрэнсис Браш (1849–1929) установил первую систему уличного освещения Браша в Кливленде в 1879 году и другую – в Нью-Йорке в 1880 году. Система Браша была лучше системы Яблочкова, потому что лампа Браша светила вдвое дольше лампы Яблочкова до того, как приходилось менять угольные стержни. Браш также сконструировал генератор с переменным напряжением, которое контролировалось нагрузкой, а ток оставался постоянным. Чтобы регулировать дугу в лампе, когда угольные стержни сгорали, Браш придумал автоматическое зажимное устройство, которое держало горящие концы стержней на постоянном расстоянии друг от друга. Многие крупные города в Соединенных Штатах и Европе в начале 1880-х установили системы Браша. Дуговой свет использовался для освещения улиц и больших помещений даже в XX веке.

Томас Алва Эдисон (1847–1931) начал работать над электрической лампой накаливания в 1877 году. Он был далеко не первым изобретателем, который пытался создать такую лампу, и даже не первым, получившим работающий образец. На самом деле такая лампа была сделана еще в 1820 году, и в последующие десятилетия многие инженеры и изобретатели, в том числе англичанин Джозеф Уилсон Суон (1828–1914), придумывали самые разнообразные модели. Но только Эдисону удалось создать лампу накаливания, пригодную для массового производства и использования. Когда Эдисон начал работать, дуговой свет уже был хорошо известен. Не приходилось сомневаться, что он слишком яркий, чтобы использовать его в жилых домах. Поэтому Эдисон хотел придумать лампу, которая даст более мягкий, не такой яркий свет. Его первые лампы, сделанные в 1878 году, имели нить накаливания из платиновой проволоки в стеклянной колбе, откуда был откачан воздух, и работали при 10 вольтах. Эти последовательно соединенные лампы оказались совсем не такими надежными, как предсказывал Эдисон. Более того, он осознал, что, хотя последовательное соединение является удовлетворительным для уличного освещения, параллельные цепи, где каждая лампа контролируется отдельно (рис. 11.4), будут предпочтительнее для широкого применения. Во всех электрических последовательных цепях ток течет последовательно через каждую деталь, будь то лампа, двигатель или другое устройство. В параллельных цепях ток разделяется, так что только его часть течет через каждое устройство.

Рис. 11.4. Последовательные и параллельные цепи

Чтобы снизить потери при передаче, он решил использовать напряжение 110 вольт, а не более низкое. Это решение оказалось более дальновидным, чем Эдисон мог предположить. Для того чтобы полнее использовать преимущества высокого напряжения при распределении, не повышая напряжения на отдельных лампах, Эдисон придумал систему трех проводов, в которой при подаче 220 вольт каждая лампа использует только 110 вольт, а любой некомпенсированный ток возвращался по «нейтральному» проводу.

Использование высокого напряжения для ламп являло собой новые проблемы в применении металлических нитей. И Эдисон начал испытывать другие материалы с высоким сопротивлением для нитей. Сначала он использовал карбонизированную нить в вакууме, но она светила только два дня. Эдисон долго искал материал, который, если его карбонизировать при отсутствии кислорода, станет нитью накала с длительным сроком службы. В конце концов он остановился на расколотом бамбуке. В 1880 году Эдисон устроил демонстрацию своих ламп, установив их – в количестве 500 штук – в своих лабораториях в Менло-парке и вокруг них. Демонстрация привлекла такое широкое внимание, что пенсильванской железной дороге пришлось запустить специальный поезд, чтобы доставлять всех желающих посетить лаборатории. Система Эдисона была впервые применена в 1879 году на судне Jeanette, которое отправилось в арктическую экспедицию. На нем были установлены генератор и электрические лампы, работавшие вполне надежно в течение двух лет, после чего судно было раздавлено льдами. Эдисон оснастил электрическим освещением еще одно судно, Columbia – в каждой каюте была установлена лампа силой света 5 свечей. Судно курсировало между Сан-Франциско и Портландом. Его силовая установка, смонтированная в 1880 году, была разобрана в 1895 году. К 1882 году Эдисон установил более 150 силовых установок в частных домах, отелях, конторах, магазинах и т. д.

В сентябре 1879 года Калифорнийская электрическая компания открыла небольшую экспериментальную электростанцию, состоящую из трех генераторов Браша, чтобы продавать электричество для дугового освещения покупателям с Сан-Франциско. В течение года постоянно растущий спрос доказал, что эксперимент удался. Появилась необходимость в строительстве более крупной станции. Эти две станции стали первыми «центральными станциями» для коммерческого снабжения электричеством. Создание центральных станций, а впоследствии и сети линий электропередачи является чрезвычайно важным для современного общества. Хотя личный паровой генератор в магазине, офисном здании или частном доме может использоваться и в наше время, имеются очевидные трудности, связанные с эксплуатацией парового котла и генератора в подвале. Значительно удобнее и экономичнее централизованное производство электричества и его передача по проводам.

После Сан-Франциско центральная электростанция была построена на Холборнском виадуке в Лондоне. Станция начала работать 12 января 1882 года и обеспечивала энергией 3000 ламп накаливания от динамо-машин постоянного тока Эдисона «Джумбо», работавших от паровых двигателей Армингтона и Симса. Между тем британский закон об электрическом освещении, принятый в том же году, был направлен на сохранение монополии на газовое освещение, поэтому запрещал строительство крупных генераторных станций и серьезно мешал развитию электрического освещения в Британии. Широко разрекламированная станция Эдисона на Pearl Street в Нью-Йорке была введена в эксплуатацию 4 ноября 1882 года. В ней было шесть больших генераторов постоянного тока (рис. 11.5), вырабатывающих в совокупности более 900 лошадиных сил, то есть достаточно энергии для 7200 ламп при напряжении 110 вольт. Поршневые двигатели Портера и Аллена снабжались паром от котлов Бабкока и Викокса (рис. 11.6) и приводили в действие генераторы. При открытии станция обслуживала около 60 покупателей с 1300 лампами. Ток передавался по подземным каналам при 110 вольтах. Проводниками были полукруглые медные стержни длиной около 20 футов, вставленные в железные трубы, от которых они были отделены картонными прокладками. Затем трубы заполнялись битумным соединением для изоляции. Станция работала вполне успешно, и вскоре подобные центральные станции были установлены в разных районах Нью-Йорка и других городах. Станция на Pearl Street сгорела 2 января 1890 года.

Рис. 11.5. Генераторное помещение станции на Pearl Street в Нью-Йорке, первой центральной электростанции Эдисона

Хотя центральные станции постоянного тока существенно повысили доступность электроэнергии и аккумуляторные батареи в них могли использоваться для экстренного обслуживания, они имели серьезные ограничения из-за низкого распределительного напряжения. Низкое напряжение значительно ограничивало расстояния, на которые передача постоянного тока была экономически целесообразной. Вольт – единица измерения электрического напряжения в проводнике. Этот показатель аналогичен гидравлическому давлению в водяной трубе. Ток, измеряемый в амперах, – количество электричества, текущего в проводнике. Этот показатель аналогичен количеству воды, текущему в трубе. Электрическая мощность измеряется в ваттах и является произведением вольт на амперы. Это утверждение справедливо для цепей постоянного тока, но в цепях переменного тока должен вводиться коэффициент, поскольку изменения тока и напряжения могут происходить не согласованно. Тогда коэффициент будет учитывать, насколько они разделены между собой в цикле.

Рис. 11.6. Котлы, двигатели и генераторы на станции Pearl Street

Потери при передаче или распределении энергии в основном пропорциональны квадрату количества ампер. При прочих равных условиях, если напряжение передачи удвоить, а ток уменьшить наполовину, энергия не изменится, но потери при передаче снизятся до одной четверти. В точности так же, при прочих равных условиях, если напряжение увеличить в десять раз с соответствующим уменьшением тока, потери снизятся до одной сотой при передаче данного количества энергии. Есть и другие важные факторы, влияющие на потери, но очевидно, что чем выше напряжение (или давление), тем на большее расстояние можно передать электроэнергию, и это будет экономически оправдано. В системах переменного тока трансформаторы повышают напряжение на электростанции для передачи энергии на большие расстояния. Переменный ток напряжением 220 000 вольт обычен сегодня при передаче на большие расстояния. Иногда используется даже напряжение 300 000 вольт. Постоянный ток не адаптируется для резкого увеличения или уменьшения напряжения, но в сетях переменного тока трансформаторы используются именно для того, чтобы создавать любое нужное напряжение.

Системы переменного тока активно развивались в Европе в 1880-х годах. Одной из самых успешных стала система парижан Люсьена Голара и Джона Диксона Гиббса. Они впервые продемонстрировали ее в Лондоне в 1881 году. В 1885 году американец Джон Вестингауз (1846–1914) получил американские патентные права на систему Голара— Гиббса и немедленно приступил к совершенствованию генераторов и трансформаторов. В 1885 году главным инженером компании Вестингауза стал Уильям Стэнли (1858–1916). Он придумал эффективную распределительную систему переменного тока, которую установил за собственный счет в Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс, для обслуживания 150 ламп накаливания, освещающих улицы и магазины. В ноябре 1886 года компания Вестингауза установила такую же станцию для коммерческого использования в Буффало, Нью-Йорк. В следующем году системы переменного тока Вестингауза стали успешно конкурировать с системами постоянного тока Эдисона, которых к этому времени было немало.

Признав, что конкуренция серьезная, операторы энергетических систем постоянного тока забеспокоились. В середине 1888 года они сделали попытку дискредитировать станции переменного тока нападками, которые, помимо всего прочего, должны были показать, что «переменный ток – страшная угроза человеческой жизни». Нападки были ожесточенными, и какое-то время обе системы функционировали независимо. Системы постоянного тока работали по большей части в городских районах, где потребности в энергии концентрировались на ограниченных участках, а системы переменного тока снабжали электричеством удаленные территории, где линии передачи были намного более протяженными. Однако очень скоро стало очевидно, что целесообразно совместить две системы, чтобы пользоваться преимуществами обеих. И системы постоянного тока стали проектировать таким образом, чтобы использовать переменный ток для передачи электроэнергии с центральной станции на удаленные вспомогательные подстанции. Там переменный ток преобразовывали в постоянный для местного распределения.

Ранние однофазные установки переменного тока Вестингауза вырабатывали однофазный ток (133⅓ цикла в секунду) и при передаче энергии работали при напряжении от 1000 до 2000 вольт. Они поставляли электричество только для освещения, и только спустя полтора года после первой установки Вестингауза в Буффало в 1886 году был изобретен надежный двигатель переменного тока. Несколько изобретателей, работавших независимо в Соединенных Штатах и Европе в конце 1880-х годов, разрабатывали генераторы и двигатели многофазного тока. Одним из них был хорват по рождению Никола Тесла (1856–1943). Именно он после долгих мытарств получил патентные права на изобретение системы многофазного тока для приведения в действие индукционного двигателя. Многофазный переменный ток, в отличие от однофазного, исходит от катушек генератора, навитых так, чтобы создать две или больше отдельных цепей, поставляющих ток к выводным контактам. В течение следующих десятилетий шло постоянное совершенствование электрооборудования, которое теперь могло приводить в движение все, что угодно, от игрушечной машинки до корабля.

Поскольку ранние генераторы переменного тока Вестингауза (133⅓ цикла в секунду) вырабатывали энергию при слишком высокой частоте для эффективной работы двигателя, постепенно в США распространились 60- и 25-цикловые генераторы. При 60 циклах человеческий глаз не замечает мерцания в лампе накаливания, а при 25 циклах оно хорошо заметно, особенно в небольших лампах. Поэтому какое-то время использовались 60 циклов, если энергия требовалась для освещения, и 25 циклов – когда ток использовался для двигателей. В других странах стандартной частотой для освещения стало 50 циклов, для других нужд – 16⅔ цикла. Большие генераторы Вестингауза на Колумбийской выставке в Чикаго в 1893 году работали при 60 циклах. Напряжения переменного и постоянного тока в 1890-х годах также были стандартизированы, и к концу века 110 вольт стало обычным напряжением для американских цепей освещения.

После развития надежных систем передачи переменного тока и двигателей осталась проблема преобразования переменного тока в постоянный для железных дорог, гальванического производства и некоторых других отраслей промышленности, где использовался только постоянный ток. Около 1892 года инженеры изобрели синхронный роторный преобразователь, состоящий из вращающегося модуля, который получает на одном конце переменный ток, а с другого конца выдает постоянный ток. Роторный преобразователь оказался исключительно полезным в разных областях, где была либо необходимой, либо желательной передача переменного тока при высоком напряжении и использование постоянного тока. В 1902 году американец Питер Купер Хьюитт (1861–1921) придумал статический выпрямитель, состоящий из выкачанной емкости с парами ртути. Электрический ток тек через пары ртути от металлических анодов к ртутному катоду в дне емкости, но не в обратном направлении. Таким образом, происходило преобразование или выпрямление переменного тока в постоянный – подавлялся ток в одном направлении. Устройство являлось своего рода предохранительным клапаном.

В период, когда активно совершенствовались двигатели переменного тока и преобразователи, не оставались без внимания и нити ламп накаливания. В результате в 1905 году появилась лампа с металлизированной угольной нитью – Gem (General electric metallized). Лампа Gem давала световой поток 4,25 люмена на ватт, что, разумеется, было предпочтительнее, чем 1,68 люмена на ватт в 1881 году и 3,4 люмена на ватт в 1905 году для ламп с обычной угольной нитью. Люмен – единица измерения светового потока. Лампы Gem изготавливались до 1918 года, когда их сменили лампы с вольфрамовой нитью. Такие лампы, изобретенные Шандором Юстом и Франьо Ханаманом в 1902 году и дававшие 8 люмен на ватт, впервые использовались для уличного освещения в 1907 году. Усовершенствованная вольфрамовая лампа с нитью из тянутой проволоки появилась в 1911 году. Обе эти лампы были вакуумными. Большие вольфрамовые лампы, наполненные азотом, впервые появились в 1913 году, но только после 1918 года наполненные газом лампы стали доступны для домашнего применения. Более поздние лампы, наполненные на 85 процентов аргоном и на 15 процентов азотом, давали 22 люмена на ватт.

В XX веке появились новые лампы для специального использования – дуговая натриевая и дуговая ртутная. Флуоресцентная лампа впервые появилась в Германии в 1930-х годах и в США – в 1938 году. Она состояла из стеклянной трубки, внутренняя поверхность которой покрыта флуоресцентным материалом. Лампа испускает свет, когда материал возбуждается ультрафиолетовыми лучами дуги, возникающей между электродами на концах трубки. Флуоресцентная лампа стала весьма важным изобретением, являющимся еще одним шагом вперед к повышению эффективности. Лампа давала 22 люмена на ватт, что во много раз больше, чем 1,68 люмена на ватт ранних ламп с угольными нитями.

Электростанции

Водяное колесо и паровая турбина – два главных стационарных первичных двигателя, генерирующие электроэнергию. В Соединенных Штатах в 1954 году гидроэлектростанции производили 23 процента, а пар – 75 процентов электроэнергии для широкого потребления. На долю стационарных двигателей внутреннего сгорания приходилось только 2 процента. Двигатель внутреннего сгорания, описанный в следующей главе, весьма важен, поскольку производит электроэнергию для локомотивов.

Компания Вестингауза построила первую в Соединенных Штатах гидроэлектрическую энергосистему в 1891 году, спустя шесть лет после Баррингтонского проекта. Электроэнергия из Уилламетт-Фоллс, Орегон, передавалась в расположенный на расстоянии 13 миль Портланд, где трансформаторы снижали напряжение с 3300 вольт до 1100 вольт для городских потребителей. Местные трансформаторы преобразовывали ток до 50 или 100 вольт для ламп – соответствующего стандарта тогда не было. Самая важная длинная линия электропередачи была построена тоже в 1891 году от Лауффена до Франфурта. Передача 100 лошадиных сил при 30 000 вольт на 109 миль – весьма убедительная демонстрация. В 1882 году была еще ранняя экспериментальная линия электропередачи между Мисбахом и Мюнхеном, но дальше эксперимента дело не пошло из-за серьезных проблем с изоляторами.

Если бы не появление системы переменного тока, энергия Уилламетт-Фоллс не могла бы использоваться для обеспечения Портланда электричеством. Постоянный ток экономически нецелесообразно передавать на большие расстояния при напряжении 50 или 100 вольт. На самом деле именно развитие систем переменного тока позволило использовать энергию воды для получения электричества. Первая в США крупная гидроэлектростанция был построена в 1895 году на Ниагарском водопаде. Там были установлены машины мощностью 5000 лошадиных сил с напряжением на выходе 2200 вольт. Станция производила 15 000 лошадиных сил. В отличие от большинства генераторов альтернаторы Ниагары имели поля, вращающиеся снаружи стационарных якорей. Ранние генераторы Вестингауза имели вращающиеся якоря, но европейские инженеры, участвовавшие в проектировании станции на Ниагаре, отдали предпочтение проекту с вращающимися полями. После Ниагары вращающиеся поля стали обычными для альтераторов, но только поля вращались внутри стационарного якоря, а не снаружи. Необходимо только, чтобы магнитное поле и обмотка якоря двигались относительно друг друга. Их расположение – вопрос дизайна, а не принципа.

Поля ниагарских альтернаторов совершали 250 оборотов в минуту. Они были установлены на вертикальных осях и напрямую связаны с водяными турбинами. Поскольку альтернатор должен вращаться с постоянной скоростью, чтобы вырабатывать заданную стандартную частоту, регулятор поддерживает необходимую скорость турбины, независимо от напора воды. Большинство гидростанций имеют генератор, напрямую соединенный с турбиной, а турбины конструируют так, чтобы работать с максимальной эффективностью при меняющихся нагрузках.

Во второй декаде века несколько энергетических компаний, стремясь к повышению эффективности и расширению сфер влияния, объединили свои станции с помощью линий электропередачи. Объединение отдельных станций в сеть существенно повышает эффективность системы в целом, способствует экономии и позволяет поддерживать обслуживание потребителей в случае выхода из строя отдельных станций. Также сеть позволила с выгодой использовать многие ранее неэффективные гидростанции. Сама по себе гидростанция может быть неэффективной из-за низкого уровня воды во время засухи. Если же она питает систему, содержащую паровые установки, которые действуют как резервная мощность во времена высокой воды, она может иметь большое значение. И в 1920-х годах во многих странах появились сети, включавшие гидроэлектростанции, в том числе расположенные «на отшибе», и тепловые станции.

Совершенствование процессов передачи электроэнергии и появление более мощных генераторов привели к необходимости увеличения мощности трансформаторов. Инженеры также усовершенствовали дизайн переключателей и прерывателей цепи, чтобы справиться с большими мощностями. С 1906 до 1911 года напряжение в линиях электропередачи возросло с 13 000 до 150 000 вольт. Первая линия напряжением 220 000 вольт была введена в эксплуатацию в 1921 году, а сегодня их – великое множество (рис. 11.7). Бывает, что напряжение повышают и до 300 000 вольт. Совершенствование электропередачи дало толчок ускоренному развитию и частных, и государственных гидроэлектростанций в Соединенных Штатах, которое началось в 1920-х годах. Правительственные станции вырабатывали около 50 процентов гидроэлектроэнергии, производимой в Соединенных Штатах; они были крупнейшими.

Рис. 11.7. Линия высоковольтной передачи напряжением 230 000 вольт

До 1900 года паровые установки, вырабатывающие электричество, были поршневыми (рис. 11.8). Самыми крупными паровыми установками, приводящими в действие генераторы, были двигатели мощностью 7500 лошадиных сил. Они с 1904 года работали в разных отраслях промышленности, в том числе на нью-йоркской наземной железной дороге при частоте вращения 75 оборотов в минуту и давлении 175 фунтов. Позже генератор, приводимый в действие паровой турбиной, вырабатывал практически все электричество, производимое из топлива, хотя двигатели внутреннего сгорания и несколько газовых турбин также существовали, правда давая лишь очень маленький процент от всей вырабатываемой электроэнергии.

Рис. 11.8. Большой поршневой паровой двигатель и генератор

Мы уже упоминали ранее, что принципы работы активно-реактивных турбин известны давно. Еще Герон Александрийский описал модель, в которой пар подается в металлическую сферу через полую ось и выходит из нее через два сопла. Внутренняя энергия пара превращается в механическую – сфера вращается (рис. 3.4). В 1629 году Джованни Бранка писал о машине, в которой поток воздействует на лопасти, выступающие из вращающегося колеса (рис. 6.10). Первая из этих турбин была реактивная, а вторая – импульсная (активная). Ряд изобретателей пытались создать паровую турбину в XVIII и XIX веках, но достигли не больше практических результатов, чем Герон Александрийский. К примеру, в 1784 году Вольфганг фон Кемпелен запатентовал «реактивную машину, приводимую в движение огнем, воздухом, водой или любой другой жидкостью». Первоначально предназначенная для работы с помощью «кипящей воды, точнее, исходящих от нее паров», эта паровая турбина обеспокоила Джеймса Уатта, поскольку являлась возможным конкурентом его двигателю. Среди других инженеров, работавших над проектом турбины, был Тревитик, построивший в 1815 году «кружащуюся машину» с колесом диаметром 15 футов, вращающимся со скоростью 300 оборотов в минуту. В Соединенных Штатах Уильям Эйвери запатентовал турбину в 1831 году. В других странах патенты были получены в 1838, 1843, 1845 и 1858 годах. У всех запатентованных турбин была одна общая черта: они производили энергию неэффективно. Тем не менее большинство фундаментальных идей, касающихся строительства паровых турбин, были предложены и описаны намного раньше.

Рис. 11.9. Паровая турбина де Лаваля

В 1889 году шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль (1845–1913) построил первую работающую паровую турбину. Турбины де Лаваля имели одно колесо, одну ступень, были импульсными – струя пара направлялась прямо на лопасти колеса (рис. 11.9). Самый большой диаметр колеса, который использовал Лаваль, – 30 дюймов, самый маленький – 3 дюйма. Поскольку его турбины имели только одно колесо и один комплект сопел, в которых пар достигал высокой скорости перед попаданием на лопасти, скорость лопастей у обода колеса была высока. Некоторые его машины вращались с частотой 40 000 оборотов в минуту, и, чтобы устранить опасность биения, де Лаваль устанавливал колеса на гибкие оси. Это позволяло колесам стремиться к своему собственному центру вращения. Он также придумал сложную косозубую понижающую передачу для работы электрогенератора, который не мог функционировать на таких скоростях. Эти устройства нередко были намного больше самой турбины. Первую турбину де Лаваль построил в 1882 году, а в 1888 году изобрел сопло особого профиля, в котором пар эффективно расширяется и достигает высокой скорости. К 1897 году он уже использовал пар высокого давления – более 3000 фунтов на квадратный дюйм. Это близко к величине критического давления – 3226 фунтов, – при котором фунт пара имеет такой же объем, как фунт воды, а удельная теплота испарения – ноль. Турбины де Лаваля имели ограниченную мощность, но все равно многие из них эксплуатировались в промышленности.

Для того чтобы добиться эффективной работы при разумно высоком давлении пара, инженеры модифицировали турбины, чтобы позволить пару расширяться в несколько ступеней, состоящих из нескольких рядов подвижных лопастей, установленных на роторе, со стационарными лопастями, установленными на статоре, в зазорах. Если расширение пара происходит в соплах или стационарных лопастях, действие главным образом импульсное, но, если расширение имеет место в пределах подвижных лопастей, движение получается благодаря реакции, вызванной паром, когда он покидает лопасти. Современное развитие турбин шло в этих двух направлениях. Среди многих инженеров, работавших в области совершенствования многоступенчатых паровых турбин, можно выделить двух блестящих специалистов. Это англичанин Чарльз Алджернон Парсонс (1854–1931) и американец Чарльз Гордон Кертис (1860–1953). Парсонс построил свою первую машину (рис. 11.10) в 1884 году. Она приводила в действие генератор, вырабатывавший 7,5 киловатта (около 10 лошадиных сил) при 100 оборотах. Расход пара – 130 фунтов на киловатт. Турбина Парсонса развивалась, несмотря на трудности с патентом. В 1888 году в США – в Ньюпорте – был установлен турбогенератор мощностью 32 лошадиные силы, а в 1901 году в Коннектикуте – турбогенератор мощностью 2000 лошадиных сил. Кертис совершенствовал многоступенчатую импульсную турбину. Он получил патент в Англии в 1895 году и в США – в 1896 году. После первых неудач он построил в 1900 году машину с вертикальной осью для станции в Скенектади, а в 1903 году – машину мощностью 6500 лошадиных сил, тоже с вертикальной осью, для станции в Чикаго. Впоследствии от конструкции с вертикальной осью отказались, поскольку с увеличением мощности возрастал вес.

Рис. 11.10. Первый турбогенератор Парсонса

Многие инженеры внесли свой вклад в проект импульсных реактивных турбин, которые используют преимущества обоих принципов. Машины строились для использования постоянно возрастающих давлений пара и нагрева, и мощность буквально взлетела до небес. Через двадцать пять лет после установки последней стационарной поршневой машины мощностью 7500 лошадиных сил уже вовсю работали паровые турбины, производившие 240 000 лошадиных сил. Развитие генераторов, естественно, шло параллельно развитию турбин (рис. 11.11).

Рис. 11.11. Турбогенератор на станции Керни, Нью-Джерси, принадлежащий Public Service Electric and Gas Company. Выходная мощность – 145 000 киловатт, 20 000 вольт, давление пара 2350 фунтов на квадратный дюйм

Крупная турбина требовала большого количества пара при высоком давлении и температуре. Усовершенствования, приведшие к появлению современного котла, были не менее быстрыми и радикальными, чем прогресс в конструкции турбин. Пылевидный уголь, природный газ и топочный мазут постепенно заменили необогащенный уголь и сжигание в механической топке. К 1926 году котлы работали при давлении 650 фунтов и температуре 775 градусов по Фаренгейту. К середине века рабочее давление достигло 2000 фунтов, а температура – 1000 градусов. Более современные котлы (рис. 11.12) превращают огромные количества воды в пар. Выполнив свою работу в турбине, пар конденсируется, проходя через конденсаторы с охлаждающей водой, и получившийся конденсат повторно используется в котле. Для того чтобы справиться с таким количеством пара, многие конденсаторы имели охлаждающие поверхности площадью более акра.

Рис. 11.12. Котельная установка на открытом воздухе

Рис. 11.13. Британские тепловые единицы, необходимые для производства 1 киловатт-часа в США, 1931 г.

Хотя 70-процентная потеря тепловой энергии топлива в целом обычна для паровых установок, эта цифра все же не так высока, как в ранних установках. Станция Эдисона на Pearl Street в 1882 году использовала 8 фунтов угля для производства 1 лошадиной силы, или около 10 фунтов на киловатт-час. К 1900 году требовалось уже 7 фунтов на киловатт-час, а в 1922 году – 2 фунта. В течение следующих тридцати лет потребность в угле снизилась еще наполовину, и во второй половине XX века 1 киловатт-час генерировался при расходе эквивалента одного фунта угля (рис. 11.13). Нефть и природный газ стали важным топливом для теплостанций. Из всех видов топлива, которые использовались на тепловых станциях в 1922 году, нефть и природный газ производили всего 15 процентов мощности. В 1953 году эта цифра возросла до 35 процентов. В 1953 году производство электроэнергии в США составило 515 биллионов киловатт-часов или 690 биллионов лошадиных сил. За 50 лет производство возросло в 70 раз (рис. 11.14). В 1953 году США производили 41 процент мирового производства электроэнергии, в четыре раза больше, чем производила Россия, занимавшая второе место.

Рис. 11.14. Объем производства электроэнергии компаниями США с начала до середины XX в.

Максимальная эффективность 30–40 процентов на больших тепловых станциях (по состоянию на середину пятидесятых годов) означала богатые возможности для усовершенствований. Сравнительно большие потери 50–70 процентов теплотворной способности топлива в основном обусловливали многоступенчатые методы, которые используются для преобразования химической энергии, накопленной в топливе миллионы лет назад, в электрическую энергию. Сначала химическая энергия преобразуется в тепловую, которая превращается в механическую, а та – в электрическую. Не так давно ученые стали получать электроэнергию непосредственно из солнечных лучей, генерируя около 100 ватт на квадратный ярд солнечной батареи. Это прямое получение электричества стало началом радикальных перемен в процессе производства электроэнергии. И конечно же, самым важным событием в области стационарных первичных двигателей является использование атомной энергии для производства электричества.

В истории электротехники, представленной в этой главе, подчеркиваются достижения Соединенных Штатов. Аналогичные события происходили и в Европе, и, за некоторыми исключениями, именно европейцам принадлежат самые важные фундаментальные открытия и ранние успехи прикладной науки. Это утверждение справедливо для телефона, радио, телевидения, генерирования и передачи электроэнергии. Как показано в этой главе, американский гений не был столь активен в фундаментальных исследованиях, как в инженерии. Именно инженерный гений американцев создал крупнейшую в мире электротехническую промышленность.

Глава 12

Современный транспорт

Так же как развитие связи и производства электроэнергии, появление эффективных транспортных систем во второй половине XIX и первой половине XX века стало важным фактором в политической, экономической и социальной революции, которая породила наше динамичное общество. Усовершенствованные перевозки продолжают быть фактором, изменяющим человеческие жизни. Более дешевая и быстрая транспортировка повышает политическое единство нации, централизацию политического контроля. Она продвигает культуру, распространяя информацию, расширяет территории крупных городов, облегчает организацию промышленности, способствует продвижению товаров, росту благосостояния и более высокого уровня жизни. Влияние транспортной системы на социальные условия так же велико, как и на политику. Транспорт оказал огромное влияние на распространение населения и на его концентрацию в больших городах. Передвижение населения в крупные города с середины XIX века – чрезвычайно важное социальное явление. Без эффективного транспорта такие метрополии, как Лондон и Нью-Йорк, не могли бы существовать, поддерживая современный уровень жизни. Доступный транспорт, в первую очередь в виде автомобилей, изменил темп жизни, увеличил мобильность населения. Транспорт также активизировал проникновение знаний, благодаря распространению всевозможных печатных изданий, сделал доступными удаленные образовательные центры, ликвидировал препятствия ко многим видам научных исследований.

Экономический эффект усовершенствованной транспортной системы был даже более выраженным, чем социальный. Эффективный транспорт доставляет членам сообщества многие блага, которые они не могли бы получить на месте. Он, как правило, снижает стоимость товаров для потребителей, потому что стоимость транспортировки сырья и товаров является частью конечной стоимости. Транспорт влияет также на аренду и стоимость земли. Улучшение транспорта может повысить стоимость земли в регионе, а ухудшение – снизить ее. В XIX веке, к примеру, стоимость сельскохозяйственных земель в США возрастала вдоль железных дорог, по мере их продвижения на запад. Другой пример увеличения стоимости земли – пригороды крупных городов, где оно обусловлено личными автомобилями и развитой сетью пригородного транспорта.

Существует пять основных видов транспорта: железнодорожный, водный, воздушный, автомобильный и трубопроводный, не считая транспортировку электричества, которая в некоторых случаях может считаться важным способом транспортировки топлива в виде энергии.

В развитых странах по железной дороге перевозится самое большое количество грузов. В 1950-х годах в США железнодорожным транспортом было перевезено 2,9 миллиарда тонн грузов, а по водным путям, включая импорт и экспорт, – 169 миллионов тонн. Железнодорожный тоннаж более чем в три раза превышал водный.

Железные дороги

В главе 9 подробно рассказывается, как около 1830 года начинались современные паровые железные дороги в Англии и Соединенных Штатах, а немного позже – на европейском континенте. К 1860 году железные дороги уже действовали во всем мире, кроме Африки, Китая и Японии, но к 1883 году появились и на этих территориях. В Соединенных Штатах железные дороги во второй половине XIX века быстро продвигались на запад. Железная дорога Балтимор— Огайо достигла своей западной конечной точки в Уилинге, Вирджиния, в 1853 году. Дорога Чикаго – Рок-Айленд достигла Миссисипи в следующем году, но вскоре устремилась в Айову и даже к быстро развивающимся прериям на западе. За Великими равнинами первые инженеры уже активно искали проходы в почти непроходимых Скалистых горах, через которые можно было бы построить железную дорогу. Люди довольно быстро поняли и закрепили это положение в законодательном акте 1862 года о выделении железным дорогам земли, что кривые на таких дорогах должны иметь радиус не меньше 400 футов, а уклоны – не больше чем 2,2 процента (116 футов на милю). Это было осуществлено в Балтиморе и Огайо. Чтобы поезд продолжил движение на таком уклоне, требуется в 6,5 раза большее тяговое усилие – 8 фунтов на тонну, – чем на прямом, ровном пути. С самого начала было очевидно, что в горной стране, где не избежать крутых подъемов и спусков, надо будет строить гораздо более мощные локомотивы, но даже им придется давать в помощь дополнительные силовые устройства или впереди, или позади поезда.

Первая из тринадцати железнодорожных линий в США и Канаде, пересекших Скалистые горы, – Юнион Пасифик. Она встретилась с Сентрал Пасифик, которая двигалась на восток, в Промонтори-Пойнт, Юта, в 1869 году. В честь этого была проведена специальная церемония с использованием золотого шипа. Две линии стали сквозной железной дорогой от Омахи, Небраска, что на реке Миссури, до Тихоокеанского побережья в районе Сакраменто, Калифорния. В период с 1869 до 1914 года через Скалистые горы было построено еще двенадцать линий. В целом строительство железных дорог по всему миру шло весьма энергично с 1860 года до первого десятилетия XX века, но около 1915 года оно замедлилось, и некоторые линии были заброшены, особенно в Соединенных Штатах. Это было вызвано конкуренцией со стороны других видов транспорта, и после 1920 года протяженность железнодорожных путей несколько снизилась. Однако после 1860 года во всех областях железнодорожного строительства было сделано немало инженерных открытий.

От 7¼-тонной «Ракеты» Стефенсона 1829 года до недавних 300-тонных паровых поршневых локомотивов никаких революционных изменений в фундаментальном дизайне не произошло. Разные экспериментальные модели не имели коммерческого успеха. Развитие паровых локомотивов шло в направлении роста производительности, мощности и нагрузки на ведущие колеса. Повышение производительности, как и в стационарных станциях, достигалось такими инновациями, как перегретый пар, механическая топка, нагрев питательной воды и т. д. Ограничения по высоте и ширине локомотива серьезно сдерживали его производительность. Как правило, производительность паровых локомотивов составляет всего около 8 процентов максимальной. Эффективность термодинамического цикла измеряется разницей температур используемого теплоносителя до и после применения. Поэтому желательно получить наивысшую возможную начальную температуру и самую низкую конечную. Поскольку конденсация пара едва ли практически выполнима в условиях локомотива, отработанный пар выбрасывается в атмосферу при сравнительно высоких температурах, а поскольку давление в котле и температуры по понятным причинам ограничены, термодинамическая эффективность низкая.

Генри Р. Кэмпбелл из Филадельфии изобрел сдвоенные колеса в 1836 году. Его локомотив «Блэкхоук», построенный в том же году, имел четырехколесную ведущую тележку и две пары движущих колес, причем движущие колеса с каждой стороны были сцеплены друг с другом дышлами, так что они все время двигались вместе. Локомотивы с таким расположением колес называют американским типом (рис. 12.1). Двумя годами позже Джозеф Гаррисон-младший соединил оси двух движущих колес с каждой стороны балансирным брусом, тем самым сбалансировав нагрузку на оси. Он также сконцентрировал вес самого локомотива в трех точках: центре передней тележки и центрах каждого балансира. Такое устройство, обеспечивавшее стабильность, особенно не неровной дороге, осталось фундаментальным в дизайне локомотива. К 1860 году уголь заменил дерево в качестве топлива (рис. 12.2), число движущих колес увеличилось до шести, и появился инжектор для впрыскивания питательной воды в котел, заменивший насосы. Анри Жиффар, придумавший инжектор, занимался строительством дирижаблей.

Для обозначения расположения колес в паровом локомотиве была принята формула, известная как система Уайта.

Рис. 12.1. Новые локомотивы американского типа, Новая Лондонская и Северная железная дорога, 1841 г.

Первая цифра обозначает число передних колес, вторая – число движущих колес, третья – число хвостовых колес. Если имеется два комплекта движущих колес на сочлененных тележках, добавляется еще одна цифра. Начиная с 1860-х годов шло быстрое развитие железнодорожного подвижного состава и появились разные типы локомотивов. 2-8-0 – тип Consolidation – с восемью движущими колесами, появился в первом же десятилетии. Локомотивы 2-10-0 тоже строились примерно в это время, однако тип 2-8-0 остался самым популярным тяжелым американским локомотивом до конца века. В 1860-х годах при строительстве локомотивов стали использовать сталь, а в 1890-х годах появилась новая топка, которая была шире, длиннее и эффективнее прежней, и в ней сжигался низкосортный уголь. Топка больших размеров обусловила внедрение хвостовых колес меньшего диаметра. Их помещали под топкой, и она могла иметь такую же ширину, как ширина локомотива, а не ограничиваться пространством между колесами.

Рис. 12.2. Пассажирский локомотив, работающий на угле, 1864 г.

Многие усовершенствования железнодорожного подвижного состава изначально делались в Соединенных Штатах, где потребность в большей мощности была выше, чем в других частях мира. Однако в 1876 году Жюль Теодор Анатоль Малле (1837–1919), швейцарец по происхождению, изобрел компаунд-турбину, в которой пар работал дважды, как в стационарных и морских силовых установках. Сначала пар поступал в цилиндр высокого давления, а оттуда после частичного расширения в цилиндр низкого давления, имеющий большие размеры, и уже оттуда выбрасывался в воздух. Хотя принцип компаундирования был впервые использован в Соединенных Штатах в 1889 году, там он никогда широко не применялся.

К началу XX века существовало три основных типа локомотивов: маневровый, пассажирский и грузовой. В 1900 году проектировщики сосредоточились на создании грузовых машин с высокой тягой, пусть даже в ущерб высокой скорости, и высокоскоростных пассажирских локомотивов для сравнительно легких поездов. От этих локомотивов удавалось добиться производительности, не превышающей 3 процентов максимальной. Все понимали, что необходимо добиться повышения производительности и мощности, чтобы удовлетворить потребности в перевозках и выдержать конкуренцию со стороны электровозов. Согласно общепринятому мнению, паровозы должны были быть как можно проще, а всевозможные усовершенствования не слишком важны.

В 1900 году Вильгельм Шмидт из Германии изобрел устройство для перегрева пара, чрезвычайно важное для стационарного производства энергии. Шмидт пропускал насыщенный водяной пар через небольшие трубы, которые он встроил в газоходы котла, и превращал насыщенный пар в перегретый. Максимальное давление пара в энергетических установках локомотивов в 1900 году составляло около 200 фунтов. В XX веке давление увеличилось, но в середине века, как правило, не превышало 250 фунтов и только изредка достигало 300 фунтов. Такие значения давлений намного ниже, чем на стационарных станциях, и ограничиваются котлом локомотива. Температура насыщенного пара повышается с ростом давления. Таким образом, повышенное давление означает более высокую температуру пара, а перегрев поднимает температуру еще выше. Главный ограничитель мощности на выходе угольного локомотива с ручной топкой – количество угля, которое кочегар может в нее забросить лопатой. Постоянное открывание дверцы топки, без которого обойтись нельзя, означает доступ в нее холодного воздуха и приводит к значительному снижению эффективности. Механическая топка и сжигание нефти устранили эти недостатки и увеличили мощность локомотива в четыре раза. Другие мелкие усовершенствования рабочих деталей парового локомотива сообща удвоили его эффективность в XX веке, однако максимальные 8 процентов даже при благоприятных условиях – все еще очень низкое значение по сравнению с паровой турбиной стационарных электростанций или двигателем внутреннего сгорания. Один из первых удачных локомотивов, работавший на нефти, – это «Петролия», построенная в 1886 году в Англии. К 1900 году уже несколько американских железных дорог перешли на нефть, однако доля американских локомотивов, работавших на нефти, никогда не превышала 15 процентов.

Рис. 12.3. Первый американский грузовой электровоз. Ансония, Коннектикут

Уличные электрические железные дороги начали работать в 1880-х годах и первые четверть века развивались очень быстро. Первый американский электрический грузовой локомотив работал на путях уличной электрической железной дороги Ансонии, Дерби и Бирмингема (Коннектикут) в 1888 году – тогда было устроено соревнование с паровой железной дорогой (рис. 12.3). В целом не было ничего необычного в том, что электроэнергия пришла на помощь, чтобы решить проблемы паровых железных дорог. С 1895 года железная дорога, соединившая Нью-Йорк, Нью-Хейвен и Хартфорд, использовала электричество на одной из своих веток, ведущей к Нантаскет-Бич (рис. 12.4). Это была первая электрифицированная паровая железная дорога в США. Позднее в том же году на железной дороге Балтимор – Огайо был электрифицирован участок в 1,5-мильном тоннеле в районе Балтимора (рис. 12.5), чтобы ликвидировать едкий дым и перегрев. В течение следующего десятилетия были электрифицированы многие американские железные дороги. Вначале между инженерами разгорелись яростные дискуссии относительно достоинств и недостатков постоянного и переменного тока для железнодорожных локомотивов и моторных вагонов, так же как раньше инженеры не могли договориться относительно лучшего метода распределения электроэнергии для коммерческого и домашнего использования в городах.

Рис. 12.4. Первая электрифицированная железная дорога в Соединенных Штатах, 1895 г.

Передача переменного тока, принятая в США для тяги, велась при напряжении 11 000 вольт и частоте 25 циклов в секунду, а постоянный ток передавался при напряжении 600, 1500 и 3000 вольт. В Европе передача переменного тока ведется при 15 000 вольт и частоте 15 или 16⅔ цикла в секунду, а постоянного тока – при 600 или 1200 вольт. Если напряжение передачи больше 600 вольт, необходимо устанавливать воздушные провода или прокладывать третий рельс.

В США было только 2 процента главных железнодорожных магистралей электрифицировано, но в других странах, где топлива мало, и особенно в тех районах, где доступна гидроэлектроэнергия, электрификация железных дорог распространилась значительно шире. И если электрификация железных дорог в США не распространилась так широко, как в Европе, самая масштабная в мире электрификация паровой железной дороги была выполнена в 1935 году именно в Соединенных Штатах. Речь идет о Пенсильванской железной дороге, точнее, о ее линиях, связывающих Нью-Йорк с Филадельфией, Вашингтоном, округ Колумбия, и Гаррисбергом, Пенсильвания, где электрифицированные пути имели длину 2228 миль и покрывали 664 мили дороги. Электровозы можно было использовать одновременно по два или больше под контролем одного машиниста.

Рис. 12.5. Электровоз, тянущий поезд по железной дороге Балтимор – Огайо, 1895 г.

Дизель-электрические локомотивы стали вытеснять паровые локомотивы на главных железнодорожных магистралях США в 1940-х годах, и после этого паровые локомотивы для эксплуатации на этих магистралях больше не строились (рис. 12.7). Компании, занимающиеся эксплуатацией железных дорог и станций, с 1924 года использовали дизель-электрические маневровые локомотивы, но только в 1930-х годах заказы на их постройку начали быстро возрастать. Основными компонентами дизель-электрического локомотива являлись дизель, электрогенератор и тяговые двигатели. Рудольф Дизель (1858–1913) получил основные патенты на свой двигатель в Германии в 1892 году. Он впервые получил энергию от своего двигателя в 1894 году, а дальнейшие испытания на модели в 1897 году показали эффективность, превышающую эффективность любого теплового двигателя того времени.

Рис. 12.6. Контактная цепь Пенсильванской железной дороги, 1935 г.

Спустя всего лишь пять лет уже несколько сотен дизельных двигателей работали на стационарных электростанциях. Дизель сконструировал свой двигатель по образцу газового двигателя, усовершенствованного германским изобретателем Николаусом А. Отто (1832–1891) в 1876 году. Основные составные части двигателя Дизеля – цилиндр с поршнем и инжектор для впрыска топлива в верхней части цилиндра. Когда поршень движется вниз – такт всасывания, – идет всасывание воздуха. Изначально всасывался атмосферный воздух, но позже двигатели работали с наддувом, и воздух нагнетался в цилиндр под давлением. Во время обратного хода поршня воздух в цилиндре сжимается, а его температура повышается до значения выше, чем точка воспламенения топлива. Когда поршень доходит до конца такта сжатия, топливный инжектор впрыскивает в цилиндр топливо. Горячий воздух воспламеняет топливо, которое горит и заставляет поршень двигаться вниз. В газолиновых двигателях взрыв газолиново-воздушной смеси происходит с помощью электрической искры, а в дизельных двигателях электрическое воспламенение не нужно. Обратный ход поршня выбрасывает продукты сгорания в воздух, и цикл повторяется. Эта последовательность известна как четырехтактный цикл дизеля, но есть также много двухтактных двигателей, где сгорание происходит через раз, а выброс продуктов сгорания и всасывание свежего воздуха происходит одновременно. Локомотивные двигатели бывают обоих типов.

Рис. 12.7. Последний магистральный паровой локомотив, построенный на Локомотивном заводе Болдуина для использования в Соединенных Штатах

Как и автомобильный двигатель, локомотивный дизель требует неких устройств между ним и движущими колесами для контроля скорости и потребления энергии при старте и подъеме на гору, в то время как сам двигатель работает с постоянной скоростью. Ни механические, ни гидравлические устройства, вроде тех, что используются в автомобилях, не подходят для высокой мощности, которая требуется в локомотиве. Регулируемый привод в дизель-электриче-ском локомотиве (рис. 12.8) обеспечивается электрическим генератором постоянного тока на валу двигателя, который снабжает тяговые моторы постоянного тока с последовательным возбуждением электрической энергией при переменных напряжениях, полученных регулированием тока возбуждения генератора. Функция тяговых моторов может быть реверсирована на выработку энергии на спусках. Устройство действует как тормоз, когда поезд идет по спуску, – механическая энергия поезда преобразуется в тепловую. Такое динамическое торможение уменьшает износ и поломку тормозных башмаков и колес.

Рис. 12.8. Дизель-электрический локомотив

На американских железных дорогах первый высокоскоростной дизель-электрический локомотив для пассажирских перевозок появился в 1935 году, для грузовых перевозок – в 1938 году, двойного назначения – в 1940 году. Начальная стоимость дизель-электрического локомотива была довольно высока в сравнении с паровым локомотивом такой же номинальной мощности. Между тем дизельный локомотив имел важные преимущества. Полезная мощность дизельного локомотива могла быть больше, чем у парового локомотива той же номинальной мощности, потому что дизельная энергия доступна при более широком диапазоне скоростей. Расходы паровозного депо обычно меньше с дизельным локомотивом, поскольку у маневровых машинистов и рабочих меньше работы. Отсутствуют трудности с питательной водой для котлов, весьма значительные в некоторых частях света, где используются паровые локомотивы. Дизельное топливо, сравнительно высококачественная нефть, достаточно дорогое, но с ним легко обращаться и хранить на терминалах. Дизель-электрический локомотив имеет эффективность – коэффициент полезного действия – около 30 процентов, что в четыре-пять раз выше, чем у парового локомотива. Силовую установку можно собирать из многих секций под управлением одной бригады, и эти множественные секции обеспечивают тяговое усилие и концентрацию мощности намного больше, чем паровой локомотив. Нет никаких сомнений в том, что одним из самых важных прорывов в области железнодорожной инженерии XX века является создание дизель-электрического локомотива.

Железнодорожный вагон имеет две основные функции: он должен перевозить груз и при этом являться звеном в цепи вагонов поезда. Грузовые вагоны появились самые разные, для разных видов грузов – живого скота, нефти, цемента, угля, – и это лишь некоторые. Ходовая часть, сцепки, воздушные тормоза и другие устройства, по крайней мере, на американском континенте были стандартизированы, чтобы обеспечить взаимозаменяемость на всех железных дорогах нормальной колеи.

Джордж Стефенсон, позднее построивший локомотив «Ракета», сконструировал первый в мире железнодорожный пассажирский вагон. До этого большинство вагонов были или переоборудованными открытыми четырехколесными повозками со скамьями, или также переоборудованными почтовыми экипажами (рис. 12.9). Все ранние грузовые вагоны в Англии были переоборудованными платформами и могли перевозить груз, вдвое больший собственного веса. Эти ранние вагоны имели сцепки и только ручные тормоза. Между вагонами не было буферов, сцепки не были натянутыми, и, когда машинист использовал на локомотиве тормоза, каждый вагон набегал на впередиидущий, и все они вместе набегали на локомотив. Когда локомотив трогался с места и выбирал слабину сцепок, следовала еще одна серия толчков, которая подбрасывала пассажиров с мест. В 1831 году Росс Винанс построил первый закрытый пассажирский вагон на конной тяге для железной дороги Балтимор – Огайо. В этом вагоне были места для 20 пассажиров. Такие вагоны имели четырехколесные тележки и медные подшипниковые коробки, вроде тех, что долго еще можно было видеть на некоторых вагонах. Хотя тележка была запатентована в 1812 году в Англии, на британских дорогах их не использовали до 1880-х годов. На американских дорогах начали использовать проект Винанса в 1830-х годах, и там очень быстро распространились вагоны длиной 40 футов на двух четырехколесных тележках. И грузовые, и пассажирские вагоны строили из дерева и железа с преобладанием дерева.

Рис. 12.9. Ранний американский железнодорожный пассажирский вагон, 1834 г.

Пассажирские вагоны в Европе появились на основе идеи соединения дилижансов и были разделены на отдельные отсеки – купе. Американские пассажирские вагоны с самого начала были намного длиннее, чем британские и континентальные, и из-за климатических условий не разделялись на купе. Они изначально имели типично американский проход в середине, пружины для плавной езды, печи для обогрева, масляные лампы, а позже – охладители для воды и туалеты. В них не было тамбуров – только открытые платформы, чтобы пассажиры могли переходить из одного вагона в другой. Зато между европейскими вагонами много лет не было проходов для пассажиров.

В течение первых четырех десятилетий развития железных дорог были изобретены и запатентованы сотни устройств для остановки вагонов. Только несколько из них оказались полезными на практике. Из них самым распространенным стал ручной тип, который приводил в действие кондуктор, повернув горизонтальную рукоятку, установленную на вертикальном столбике в конце каждого вагона. По мере возрастания длины и скорости поезда, а также веса вагонов стало очевидно, что необходим контроль торможения по всей длине поезда. В конце 1860-х годов успешное использование сжатого воздуха для прокладки тоннеля Мон-Сени подсказало молодому Вестингаузу (1846–1914) мысль использовать сжатый воздух для торможения состава. Его первый патент на использование прямодействующего пневматического тормоза был получен в 1869 году, когда юноше было 23 года. В кабине локомотива располагался главный резервуар сжатого воздуха, откуда шланг или труба – поездная магистральная линия – была проложена по всей длине поезда под вагонами. Когда было необходимо торможение, машинист открывал клапан, и сжатый воздух приводил в действие каждый тормозной цилиндр почти мгновенно. Эти воздушные тормоза замедляли поезд или останавливали его, если только в шланге не появлялась дырка и не начиналась утечка воздуха, ослаблявшая тормозную силу. Поезд могло разорвать на две части, и тогда у вагонов не оставалось других возможностей для торможения, кроме старых добрых ручных тормозов.

Вестингауз так описывал первые испытания своих новых тормозов: «Управляющий того, что тогда было известно как Панхэндлская железная дорога, мистер У.У. Кард предложил отдать в мое распоряжение стейбенвильский пассажирский поезд, чтобы я мог продемонстрировать работу. Устройство было установлено на этом поезде, состоявшем из локомотива и четырех вагонов. Во время первого же пробега инженер Дэниел Тейт, выехав из тоннеля в Питтсбурге, заметил на путях лошадь и телегу. Экстренное применение воздушного тормоза предотвратило трагедию. Значение изобретения было наглядно доказано, и воздушный тормоз начал славную карьеру на железнодорожном транспорте».

В 1872 году второе изобретение Вестингауза, автоматический тормоз, сделало замедление хода и остановку проще и надежнее. Новый тормоз был создан на основе первого. Под каждым вагоном был добавлен отдельный дополнительный резервуар с тройным клапаном. Он заполнялся сжатым воздухом при давлении около 75 фунтов. Когда давление в поездной магистральной линии снижается или отключается, в нормальной ситуации, инженером, воздух из резервуара под вагоном действует через тройной клапан на свой тормозной цилиндр, полностью или частично включает тормоз. Если поездная магистральная линия повреждена, все тормоза автоматически включаются давлением воздуха из отдельных резервуаров. Тройной клапан – основная черта автоматического воздушного тормоза. После 1872 году автоматические воздушные тормоза совершенствовались только незначительно. Американские промышленники и железнодорожники в 1886–1887 годах провели множество испытаний каждой детали тормозного оборудования и разных типов тормозов.

В Англии первые официальные испытания тормозов прошли в Мидленде в 1875 году. Вакуумные автоматические тормоза, впервые испытанные в Большой западной железной дороге в 1876 году, после этого распространились очень широко. В Англии железнодорожное оборудование легче, чем в США. В 1925 году вакуумный тормоз стал стандартным оборудованием на английских дорогах, а на континенте – воздушный тормоз. Позже в США появился тормоз, названный АВ-тормоз, который способен контролировать грузовые поезда любой длины, которые двигаются со скоростью более 70 миль в час. А тормоза, установленные на пассажирских составах, контролируют поезда, которые двигаются со скоростью более 100 миль в час. Важность эффективных тормозов очевидна. Ведь кинетическая энергия движущегося поезда пропорциональна квадрату его скорости. К примеру, поезд, скорость которого 80 миль в час, обладает в два раза большей энергией, чем поезд такого же веса при 60 милях в час. А энергия поезда при 100 милях в час больше в три раза. Ее необходимо погасить, чтобы остановить поезд. Воздушный тормоз – не только устройство безопасности. Он дает контроль над скоростью поезда в любой момент времени, а значит, в конечном счете способствует увеличению пропускной способности железной дороги, позволяя делать поезда быстрее и более частыми. Если бы миссис Карлайл могла проехать на поезде, скажем, 1950-х годов, ей не пришлось бы волноваться, как в 1836 году, о «невозможности остановки этой ужасной штуковины».

Судьба кондуктора на ранних американских железных дорогах легкой не была, особенно до появления воздушных тормозов. Ведь для остановки ему приходилось бежать по крышам вагонов и приводить в действие ручные тормоза. Еще одна опасная операция – сцепка вагонов в те дни, когда для этой цели использовалась винтовая стяжка. Такая сцепка требовала участия человека, причем он должен был находиться между вагонами в момент их сближения, что было причиной повышенного травматизма. Первая автоматическая сцепка – вагоны сцеплялись автоматически при ударе – была разработана в США в 1873 году Эли Дженнеем.

Ранние американские пассажирские вагоны освещались маленькими, тусклыми и зловонными лампами. В них сжигался китовый жир, а позже – керосин. Газовые лампы, работавшие на газе Пинча или ацетилене, постепенно вытеснили на железных дорогах масляные лампы и на многие годы стали стандартным оборудованием вагонов. Газ Пинча, создающий яркое освещение, был получен из дистиллированной нафты. Газ сжимался, помещался в транспортабельные танки, которые устанавливались под каждым вагоном. Первые электрические лампы были установлены в пульмановских вагонах в Англии в 1881 году. Они работали на аккумуляторных батареях. В конце 1880-х годов эффективная система электрического освещения, работающая от генератора, постепенно стала вытеснять газ. Первый поезд в США, освещенный электричеством, Floroda Special, был запущен в 1887 году. Электрический ток вырабатывался одним парогенератором, установленным в головной части поезда. Такое устройство не было удовлетворительным по целому ряду причин. Поэтому впоследствии под каждым вагоном стали устанавливать отдельные генераторы, соединенные ремнем с вагонной осью. Они вырабатывали энергию, независимо от направления движения поезда. Такая система освещения может снабжать энергией кондиционеры и другие приборы.

Мощные аккумуляторные батареи обеспечивают энергию, когда вагоны стоят.

Пульмановская компания в 1907 году построила первый стальной вагон, тем самым совершив настоящую революцию в вагоностроении. Очевидно, что стальные вагоны намного безопаснее деревянных. Все американские грузовые и пассажирские вагоны, которые строились с тех пор, были из стали или алюминиевых сплавов. Первые стальные вагоны в Европе появились в 1922 году, но на многих дорогах продолжали эксплуатироваться деревянные вагоны. Кондиционирование воздуха летом впервые опробовали на дороге Балтимор – Огайо в 1884 году – тогда вагон охладили льдом. Но механическое кондиционирование широко распространилось в Америке только в 1930-х годах. Роликовые подшипники впервые заменили подшипники трения Росса Винанса в конце 1920-х годов. Роликоподшипники уменьшают сопротивление, особенно при старте. Подвижные составы обтекаемой формы из легких алюминиевых и стальных сплавов появились в 1930-х годах. Новые грузовые вагоны перевозили грузы в четыре раза больше собственного веса.

Эволюция электрической сигнализации и управления напрямую зависела от изобретений, описанных в главе 11. До 1920-х годов у сигналов была только одна функция – предотвращение несчастных случаев, после этого электрическая сигнализация стала также использоваться для передачи приказов. Управление означает отправление и прием поездов, и эффективная система управления позволяет устанавливать высокую плотность движения на любой линии.

Один из первых железнодорожных сигналов – корзина, покрытая белой тканью, которую поднимали на высоком шесте. На линии Ньюкасл – Френчтаун, которая позже стала частью Пенсильванской железной дороги, этот сигнал использовали еще в 1832 году. Возможно, нечто подобное применяли во время американской революции для передачи шифрованных сообщений. Когда такая корзина была поднята на шесте, это означало «чисто», а когда ее опускали вниз, это означало «стоп». Выход из строя этого несложного механизма определял корзину в положение стоп, чтобы избежать подачи ложного сигнала «чисто». Это базовый принцип всех сигнальных систем. Позже, когда для управления поездами стали использовать телеграф, корзины были заменены большими пустотелыми мячами. Так появился железнодорожный термин highball – «высокий мяч», означающий зеленую улицу для поездов. Вся ранняя сигнализация была построена на временных промежутках. Через какое-то время – скажем, через 20 минут – после отхода поезда сигнал «стоп» менялся на «чисто». Предполагалось, что следующий поезд не догонит предыдущий, если их будет разделять двадцатиминутный интервал. Однако все, что угодно, начиная от механической поломки и кончая выходом на рельсы стада коров, могло задержать поезд. Тогда происходила катастрофа.

На железной дороге Ярмут – Норидж в Англии телеграф впервые был использован для управления поездами в 1844 году, а на Большой западной – в 1847 году. На американских дорогах телеграф распространялся медленно. Когда Чарльз Майнот (1810–1866), управляющий железной дорогой Нью-Йорк – Эри, в 1849 году предложил построить телеграфную линию для управления движением, он лишь с большим трудом получил одобрение директоров компании. Американские железнодорожники в первое время не признавали телеграф. Англичанин, посетивший Америку, в статье для London Quarterly Review в июне 1854 года отметил редкость телеграфных линий вдоль железных дорог и сделал вывод, что поездки в США намного опаснее, чем в Англии.

Сигнал централизованно привязывался к стрелочному переводу таким образом, что поезд не мог получить разрешение следовать вперед, если стрелка не находилась в нужном положении. В 1850-х годах британцы изобрели централизационный аппарат, который не позволяет оператору в центре управления перевести стрелку, не включив сигнал. Впервые такие аппараты были использованы на железной дороге, связавшей Лондон, Чатем и Дувр, в 1856 году. До этого оператор переводил стрелку и менял сигнал вручную. При этом ошибки не были редкостью и могли привести к катастрофе. На Пенсильванской железной дороге впервые установили ручную систему блок-сигнализации в 1864 году. Принцип этой системы был следующим: для управления движением дорога делилась на отдельные перегоны – блоки, каждый из которых мог быть длиной одна или несколько миль. На обоих концах каждого блока устанавливались сигналы, контролируемые оператором, чтобы управлять поездами, подходящими с любого направления на один путь. Когда поезд въезжал на свободный блок, оператор устанавливал сигналы так, чтобы не допустить на него другой поезд, и телеграфировал оператору на другом конце блока, который устанавливал сигнал, не допускающий на этот перегон поезд с другого направления. Первый сигнальщик также уведомлял оператора на том конце блока, с которого пришел поезд, и тот менял сигнал на «чисто». Впоследствии к сигналам добавился стопорный механизм, и оператор не мог перейти от сигнала «стоп» к сигналу «чисто», пока сигнальщик на другом конце блока его не разблокирует. Позже на дорогах с напряженным движением системы были автоматизированы. На Южной железной дороге в Англии впервые испытали автоматическую электрическую сигнализацию в 1844 году, но она показалась неэффективной. Уильям Робинсон создал первую успешную рельсовую цепь для автоматической сигнализации в США в 1871 году. В автоматической сигнальной системе электрический ток проходил через один из рельсов блока от источника на выходе из блока, через электрическое реле на противоположном конце, а оттуда возвращался по другому рельсу. Пока ток тек нормально, на реле подавалось напряжение и следовал сигнал «чисто». Как только поезд въезжал на перегон, возникало короткое замыкание через оси поезда, и напряжение не подавалось на реле, которое сразу меняло сигнал на «стоп». Реле посылало сигнал «стоп» и в случае поломки рельса, которая нарушала течение тока. Такая автоматическая схема исключила ручное управление на концах блока.

Система управления движением поезда спроектирована так, чтобы включать тормоза или подавать звуковой сигнал в кабину машиниста. Механические устройства для включения тормоза были запатентованы еще в 1880-х годах. В США на железных дорогах использовались два типа устройств электрического управления: система управления прерывистого действия и система управления непрерывного действия. В системе прерывистого действия электромагнит установлен возле ходового рельса в месте нахождения каждого сигнала. Другие электромагниты установлены на тележках локомотива. Если сигнал запрещающий, на рельсовый магнит поступает ток, и, если машинист не замечает его или начинает вручную переключать стрелку раньше, чем магнит локомотива войдет в поле стационарного магнита, автоматически включаются тормоза. Управление эффективно только с сигналами на перегоне, и система действует прерывисто.

Система управления непрерывного действия впервые была установлена в Америке в 1927 году после длительного экспериментирования. В этой системе рама паровозной тележки имеет индукционную обмотку возле рельса перед передней осью. В обмотке индуцируется ток в магнитном поле, окружающем рельсы, в которых течет сигнальный ток. Вакуумные трубки на подвижных частях усиливают индуцированный ток, и сигналы передаются в кабину. Цепь в ходовых рельсах контролируется кодовым устройством, состоящим из маленького мотора, приводящего в действие электрические переключатели, прерывающие ток по рельсу 80, 120 или 180 раз в минуту, в зависимости от положения сигналов на перегоне. Если перегон занят, мотор останавливается, и в отсутствие кода в рельсовой цепи в кабине машиниста виден сигнал «стоп». Если перегон свободен, но следующий занят, кодовое устройство дает 80 прерываний в минуту, что отражается в кабине машиниста. Если два перегона впереди свободны, код – 120 прерываний в минуту, если три перегона свободны – 180 прерываний в минуту. Все это отражается в кабине машиниста.

На некоторых железных дорогах устанавливали централизованную систему управления движением, чтобы ликвидировать местные сигнальные башни вдоль путей. Эта система, впервые использованная в США в 1925 году, позволяла оператору, расположившемуся в удобном месте, контролировать блокировочные сигналы и стрелочные переводы на большой территории. Когда поезда движутся по этой территории, их положение автоматически отражается на плане, так что оператор в каждый момент времени знает, где находится каждый поезд. Он может контролировать сигналы и переводы стрелок, расположенные на расстоянии 100 миль от него. Индикаторы наглядно показывают каждый сигнал и положение каждой стрелки. Оператор имеет возможность планировать передвижение каждого поезда, и составленный им маршрут отражается в кабине машиниста. Таким образом, нет никакой необходимости в передаче приказов машинистам, так же как и в дополнительных операторах в других местах. Наличие такой системы не только экономит трудозатраты, но и позволяет увеличить плотность движения.

Городские железные дороги. трамвайные пути

Городские электрифицированные железные дороги в Соединенных Штатах имеют короткую, но бурную историю. С конца 1880-х до 1950-х годов трамваи выполнили огромный объем внутригородских перевозок, прежде чем были вытеснены моторизованной версией одного из своих предшественников – омнибусом, с которым связано имя знаменитого философа XVII века Блеза Паскаля. Первые многоместные пассажирские экипажи на конной тяге, омнибусы, начали работать по расписанию в Париже в 1662 году. Они были весьма неплохи с инженерной точки зрения. Но когда новизна исчезла, их популярность стала падать, и компания обанкротилась. Первого коммерческого успеха омнибусы добились в Париже в 1827 году. Двумя годами позже они появились в Лондоне.

В главе 9 упоминаются небольшие «вагончики», которые везли по рельсам лошади или люди на угольных шахтах. Восьмимильная железная дорога в Суррее, самая ранняя общественная конная железная дорога, была построена в Англии в 1803 году. По ней перевозили только грузы. Первый городской трамвай появился в Нью-Йорке. Часть путей, протянувшихся по Бауэри от Принс-стрит до Юнион-сквер, эксплуатировалась уже в 1832 году. Первыми вагонами стали переоборудованные омнибусы. Конная тяга сменилась паровой, когда трамваи начали ходить вдоль Четвертой авеню до реки Гарлем и дальше. Вскоре на улицах Нью-Йорка появилось много конных железных дорог, и некоторые из них продолжали работать даже в XX веке.

Рис. 12.10. Одна из первых парижских канатных дорог

В Бостоне конные линии заработали в 1836 году, вскоре после этого – в Филадельфии. В Париже железные дороги на улицах города появились в 1855 году, через несколько лет – в Лондоне.

В некоторых городах легкие паровые локомотивы сменили лошадей, но этот процесс не нашел поддержки общественности, в основном из-за людских предрассудков. В некоторых городах, в первую очередь в Сан-Франциско в 1873 году, позже – в Лондоне, Чикаго, Филадельфии, Париже (рис. 12.10) и Нью-Йорке, стали эксплуатироваться наземные канатные железные дороги. Они распространились довольно широко, особенно в горной местности.

Эрнст Вернер фон Сименс (1816–1891) построил первую в мире электрифицированную общественную трамвайную линию в Лихтерфельде, пригороде Берлина, в 1881 году (рис. 12.11), через два года после того, как предложил посетителям Берлинской выставки захватывающее путешествие по его 500-метровой дороге. Система Сименса была также использована через несколько лет на 6-мильной дороге в курортном городе Портраш, что на северном побережье Ирландии, рядом с Тропой великанов. Эта 6-мильная дорога поднималась на 203 фута серией наклонных плоскостей, а электроэнергию для нее давали две водяные турбины мощностью 52 лошадиные силы. После этого в течение пяти лет несколько уличных железных дорог появилось в Германии, Франции и Англии.

Рис. 12.11. Электрифицированные трамвайные пути в Лихтерфельде, недалеко от Берлина

В немного отставших от Европы Соединенных Штатах электрифицированные железные дороги после 1883 года строили следующие инженеры: англичанин Лео Дафт (1843–1922), бельгиец Чарльз Джозеф ван Депоэль (1846–1892) и Франк Джулиан Спрейг (1857–1934), выпускник американской Военно-морской академии. В 1887 году журнал Electrician and Electrical Engineer перечислил 21 электрифицированную уличную железную дорогу на североамериканском континенте. Самой известной из них была построенная в Ричмонде, штат Вирджиния, Спрейгом в 1887 году как городской общественный транспорт. Эта линия протяженностью 12 миль, оснащенная 40 вагонами, немедленно стала успешной, как и Бостонская, которая начала действовать почти сразу после нее. К 1891 году трамвайные пути были построены или находились в процессе строительства в более чем 100 американских городах. После 1900 года система быстро распространилась по всему миру, и к 1940 году вагоны на конной тяге остались только в Мексике.

Рис. 12.12. Трамвай с токосъемником-тележкой

Уличные трамваи обычно работали на 500- или 600-вольтном постоянном токе, который шел по верхнему контактному проводу и передавался двигателю с помощью токосъемника. У ранних трамваев существовала тележка – троллей – небольшое устройство на желобчатых колесах, которое «ездило» по контактному проводу, а от него на крышу вагона опускался гибкий проводник (рис. 12.12). От этого приспособления вскоре отказались. Его заменило желобчатое контактное колесо на конце штанги, которое прижимала снизу к проводу сильная пружина. Но термин «троллей» сохранился. Уличная электросеть, как правило, состоит из: 1) генератора переменного тока на электростанции; 2) высоковольтных линий передачи переменного тока на подстанции, где происходит преобразование переменного тока в низковольтный постоянный ток; 3) распределения энергии – контактных проводов и токосъемников; 4) электрооборудования вагонов – контроллеров и моторов. Ток возвращается на подстанции через колеса, рельсы и рельсовые фидеры – медные проводники, дополняющие рельсы в переносе тока, помогающие держать его, насколько это возможно, подальше от земли. Кондуктор трогает вагон с места и контролирует его скорость с помощью контроллера – хитроумной комбинации переключателей и резисторов. Тяговые моторы с последовательным возбуждением обеспечивают большой начальный пусковой момент. Они связаны с колесами передаточными механизмами. Сначала ток проходит последовательно через сопротивления, чтобы защитить моторы при низкой скорости. Когда кондуктор движением рукоятки увеличивает скорость, он постепенно снижает сопротивление и в конце концов переходит на параллельное соединение.

Сарльз Генри из Индианы в 1894 году начал строить в Соединенных Штатах междугородные электрифицированные линии как продолжение уличных, перевозившие и грузы, и пассажиров. Перевозки достигли своего пика около 1910 года, но к 1930 году практически исчезли в США. В 1899 году компания Сименса, которая в 1881 году построила первую электрифицированную уличную железную дорогу, предложила безрельсовый трамвай – троллейбус, омнибус с электромоторами. Над троллейбусом было два контактных провода – второй заменил рельсы в обеспечении обратного тока. Безрельсовый транспорт создавал меньше помех для движения, чем рельсовый.

Шестьдесят лет работы – сравнительно небольшой срок. Быстрый рост числа личных автомобилей в Соединенных Штатах привел к упадку городского и междугородного электрифицированного железнодорожного транспорта. В 1890-х годах трамвай сменил омнибусы на конной тяге. Для истории инженерии и для истории развития городов важно, что шестьюдесятью годами позже омнибус, работающий на бензиновом или дизельном двигателе, и троллейбус в основном заменили трамваи всех видов в США.

Скоростной общественный транспорт в больших городах стал появляться в 1860-х годах, сначала в Лондоне. В Соединенных Штатах все началось с сооружения надземной железной дороги в Нью-Йорке. Эта линия, построенная в 1868 году, располагалась на Гринвич-стрит. Первый источник энергии, кабель, вскоре был заменен маленькими паровыми локомотивами. Нью-Йорк – первый в мире город, в котором появилась развитая сеть надземных железных дорог, и ее создатели были убеждены, что нашли оптимальный способ удовлетворения потребностей горожан в быстрой, безопасной и дешевой перевозке. Примеру Нью-Йорка последовал Бруклин. Оба города на протяжении жизни целого поколения дышали дымом от локомотивов, привыкли к нему и почти полюбили. В Чикаго электрические локомотивы, показанные на Всемирной ярмарке 1893 года, привели к их быстрому распространению. Чикагские городские трамвайные линии, первоначально имевшие протяженность 12 миль, позднее значительно расширились. Электромоторы с 1893 года использовались в Ливерпуле на надземной дороге.

Когда электромоторы для трамвайных линий начали успешно работать, стало очевидно, что их можно применять не только для одного вагона, но и для состава из вагонов. Для того чтобы дать возможность управлять составом одному машинисту, находящемуся в головном конце, Спрейг разработал специальный прибор. В многоэлементной системе аккумуляторная батарея соединяется с главным контроллером в головном вагоне посредством пучков проводов, протянутых вдоль поезда. Когда контроллер приводится в действие, выполненная на нем операция дублируется по всему поезду, заставляя все вагоны функционировать как единое целое. Это устройство обеспечило функционирование длинных электропоездов, причем каждый вагон контролировал машинист, сидящий в головном вагоне. Бостонская электрифицированная надземная дорога заработала в 1901 году. В том же году были электрифицированы все надземные линии Нью-Йорка – всего 117 миль. Их демонтаж начался в 1938 году. Улицы Манхэттена больше не загромождали уродливые столбы, поставленные с промежутком в несколько футов.

Во второй половине XIX века в Лондоне стали разрабатывать проект подземной скоростной железной дороги. В первую очередь, существовала необходимость сократить время в пути между железнодорожными вокзалами этого быстро разрастающегося мегаполиса и обеспечить быстрый проезд с этих станций в деловую часть города. Лондон с его узкими, извилистыми улочками был первым в мире, где попытались решить подобную проблему, соорудив железную дорогу под землей. Строительство лондонского метрополитена началось в 1860 году. Причем тоннели в основном прокладывались открытым способом путем сооружения выемок и перекрытий. В процессе строительства пришлось решать беспрецедентное количество инженерных проблем, связанных с подземными газами и водами, канализацией, укреплением зданий, заменой уличных мостовых и т. д. Боковые стены и большая часть арочных перекрытий тоннелей были кирпичными. Первые линии метро впоследствии были продолжены и в 1884 году образовали овал размером 2 на 5 миль. Всего 12 станций были соединены друг с другом. Строительство велось в увязке с существующими магистральными железными дорогами. Довольно долго в метрополитене использовались паровые локомотивы, создавая весьма непростые атмосферные условия. Под землей в основном применяли локомотивы того же типа, что и на наземных железных дорогах. Они были надежными, но шумными и грязными. Лондонский метрополитен электрифицировали в 1905 году.

Примеру Лондона последовал Париж, где подземку начали планировать еще в 1871 году, но по разным причинам к строительству приступили только в 1898 году, накануне выставки 1900 года. Первая линия парижского метро была похожа на лондонское метро: неглубокие выемки, постепенно покрываемые крышами. Там, где британцы строили кирпичные арки, парижане использовали железные или стальные балки и бетон, тем самым демонстрируя прогресс в строительстве.

Большая часть современного лондонского метрополитена отличается от его первых станций и линий. Это цилиндрические тоннели, проложенные на большой глубине щитовым способом. Начало им было положено маленьким Тауэрским тоннелем 1869 года (рис. 14.10), который вел к электрифицированной дороге Сити и Южного Лондона, открытой в 1890 году и использовавшей третий рельс для распределения энергии (рис. 14.11). Железная дорога Сити и Южного Лондона считается прародительницей лондонских «двухпенсовых труб» Центральной лондонской железной дороги 1900 года. Такой тип тоннелей свойствен именно для Лондона. Под городом располагается толстый слой густой голубой глины, что делает прокладку тоннелей и использование роторных экскаваторов относительно простым. Ускорение строительства было возможно при глубинах ниже водных, газовых и канализационных труб, телефонных каналов, силовых сетей и т. д., и тоннели в основном располагаются на глубинах от 50 до 80 футов. В районе Пикадилли они проложены на глубине 100 футов, а возвышенность Хэмпстед-Хит сделала необходимой глубину около 200 футов. Одновременно с прокладкой подземных железных дорог шло быстрое совершенствование насосного и вентиляционного оборудования, подъемников, эскалаторов, освещения, а также приборов для сигнализации и управления.

Пока на первых линиях лондонского метро еще ходили паровые локомотивы – а дороги Сити и Южного Лондона уже были электрифицированы, – более современную подземку построили в Будапеште. Эта линия длиной 2½ мили, построенная в конце 1896 года, имела целью разгрузить одну из центральных городских улиц, проспект Андраши. Метро в Будапеште строили открытым способом, крышу укладывали на стальные балки. Вагоны конструировали специально для подземки. У них на крышах были токосъемники, напряжение – 300 вольт. Будапештская подземка стала моделью для первой американской подземки – в Бостоне, которая была введена в эксплуатацию в 1898 году.

Метро Нью-Йорка начали строить в 1900 году. Первая очередь протяженностью 21 миля, включая 5 миль надземной железной дороги, была введена в эксплуатацию четырьмя годами позже. Первоначальный проект предполагал сооружение четырех линий железнодорожных путей длиной 5 миль и почти 5-мильный тоннель с двумя линиями. На южном конце станция сооружалась у здания городской администрации, рядом с Бруклинским мостом. Две линии шли на восток и запад Бронкса, в основном надземные. Если не считать того, что приходилось вести работы в скальных породах, строители нью-йоркского метро почти не встретили трудностей, которые уже не были преодолены в Лондоне и Будапеште. Открытые выемки не были глубокими. В отдельных местах метро проходило всего лишь в 17 футах под уличными тротуарами. В перенаселенном южном районе, как и в Лондоне, бесконечно возникали проблемы с канализационными коллекторами, трубами, кабелями и т. д. Нелегкой была прокладка тоннеля под рекой Гарлем. В метро Нью-Йорка, как и во всех других скоростных железнодорожных системах, с самого начала использовался третий рельс и постоянный ток напряжением 600 вольт.

Судоходство

Перевозки по воде всегда имели большое значение для Соединенных Штатов, которые только благодаря им и существуют. Ведь если не считать 340 000 индейцев и немногочисленных иммигрантов, прибывших в страну по воздуху после 1945 года, 160 миллионов американцев прибыли в Соединенные Штаты на тех или иных морских судах или являются потомками тех, кто прибыл в страну морем. Важность морского торгового судоходства также чрезвычайно велика. Морские суда перевозят немалую часть предметов мировой международной торговли.

Единственными парусными судами, которые могли успешно конкурировать с ранними пароходами, были американские клиперы 1840—1850-х годов. Они были длиннее и, соответственно, уже, чем пакетботы и другие парусные суда того времени, имели прямое парусное вооружение и были построены для скорости и грузоподъемности. Их увеличенная длина составила новые проблемы в судостроении, впоследствии повлиявшие на дизайн пароходов. Отношение длины к ширине у клиперов было 5:1, 6:1 и даже 7:1. Такие суда имеют тенденцию выгибаться на гребне волны или провисать в промежутке между волнами. Другим проблемным элементом являлись мачты с большим количеством парусов. Все это следовало учесть при проектировании корпусов. Клиперы грузоподъемностью 1000 тонн и больше строили и успешно эксплуатировали в 1840-х годах. Некоторые из них достигали грузоподъемности 3000 тонн. Длина отдельных клиперов превышала 300 футов, то есть составляла половину длины такого парохода, как Great Western 1838 года. Железные несущие конструкции, поддерживавшие деревянную обшивку, начали использоваться в 1851 году. Первые корпуса пароходов имели те же пропорции, что клиперы, и только с появлением «океанских борзых» 1880-х годов, первых быстроходных океанских судов, пропорции изменились.

Существует четыре основных типа силовых установок на морских судах: 1) поршневые паровые двигатели, напрямую связанные с гребными валами; 2) паровые турбины, действующие напрямую или через передаточные механизмы; 3) дизельные двигатели, связанные напрямую или через передаточные механизмы с гребными валами; 4) паровые турбины или дизели, приводящие в действие электрогенераторы, которые обеспечивают мощностью моторы, вращающие валы. Ранние пароходы, описанные в главе 9, имели поршневые двигатели, как и все коммерческие пароходы XIX века. Поршневой паровой двигатель был весьма популярен. Только сравнительно недавно комбинированный тоннаж с турбинами и дизелями превысил тоннаж с поршневыми паровыми двигателями.

Инновацией в судовых силовых установках, решившей судьбу парусов, стал конденсаторный компаундный двигатель. Такие машины были испытаны на суше еще в 1781 году. В первой половине XIX века инженеры усовершенствовали проект, добившись более высоких давлений и производительности. Но только предрассудки против высоких давлений остались и помешали раннему широкому распространению компаундных двигателей. Джон Элдер из Глазго впервые установил компаундный двигатель на судне Brandon, спущенном на воду в 1854 году. Давление в судовом котле было слишком низким, чтобы обеспечить достижение максимальной производительности, которая может быть достигнута компаундным двигателем. Тем не менее потребление топлива компаундным двигателем было на треть меньше, чем простым одноцилиндровым двигателем того периода. В 1857 году фирма Элдера спустила на воду 523-тонный Thetis с гребным винтом и компаундным двигателем, работавшим на пару давлением 115 фунтов. Усовершенствованная конструкция котла в 1850-х годах позволила повысить эффективность паровой установки. Пароходы использовали морскую воду для питания бойлера, даже несмотря на то, что отложения соли в котле после испарения делали давления, превышающие 25 фунтов, опасными. Ни одно судно не могло погрузить количество пресной воды, достаточное для питания котла даже в самом коротком рейсе, если только отработанный пар не будет конденсироваться и использоваться еще раз в качестве питательной воды. Поэтому поверхностный конденсатор – изобретение Уатта – был установлен в 1860 году на судне Mooltam с компаундными двигателями. Поверхностный конденсатор оказался достаточно эффективным, чтобы позволить судну повторно использовать питательную воду для бойлера – с небольшими добавками – даже в длительном рейсе. Ajax был первым лайнером Холта, оборудованным двухцилиндровым компаундным двигателем и поверхностным конденсатором. В 1865 году он проплыл 8500 миль от Ливерпуля до Маврикия в Индийском океане. Потребление угля составило 2,2 фунта на индикаторную лошадиную силу в час. Аналогичный показатель на судне Britannia в 1840 году составил 4,7 фунта. Лайнеры Холта стали первыми пароходами, эффективно и экономично работавшими на больших расстояниях.

Правда, двухцилиндровый компаундный двигатель сохранял свое господствующее положение недолго. Паровая машина тройного расширения, в которой пар расширяется последовательно в трех цилиндрах, была запатентована в 1871 году и впервые использовалась на судне Propontis в 1874 году. Двигатели Ajax работали при давлении 60 фунтов, Propontis – 150 фунтов. На Aberdeen, спущенном на воду в 1881 году, были двигатели тройного расширения и усовершенствованные котлы, что позволило ему расходовать только 1,28 фунта угля на индикаторную лошадиную силу в час. За сорок лет потребление угля на индикаторную лошадиную силу в час сократилось более чем на две трети. Первая революционная перемена в конструкции морских силовых установок имела место в 1894 году, когда Чарльз А. Парсонс установил одну из своих паровых турбин на экспериментальном 45-тонном судне Turbinia. Работавшая на высоких скоростях и напрямую связанная с валом турбина вращала винт слишком быстро, чтобы быть практичной и удобной. Три более медленные турбины, каждая вращающая собственный вал, в 1896 году позволили развить рекордную скорость – 34,5 узла. Высокая скорость турбины и тот факт, что она всегда вращается в одном направлении, являются существенными недостатками. Впоследствии была испробована отдельная реверсивная турбина, чтобы обеспечить возможность реверса. К 1910 году стали устанавливать понижающие передаточные механизмы между турбиной и валом, чтобы совместить преимущество высокоскоростной работы турбины и эффективную скорость вращения винта. Начал развиваться также электропривод; турбины, вращающиеся с постоянной скоростью, приводящие в действие генераторы, дающие энергию моторам гребного вала, скорость которых может эффективно контролироваться, вне зависимости от скорости турбины. Mauritania и злосчастная Lusitania – однотипные суда, построенные в 1907 году, имели турбины, напрямую соединенные с гребными винтами, и успешное использование турбин на этих двух гигантах положило начало массовому применению турбин на морских судах. Турбина меньше по размеру, эффективнее и требует меньше технического обслуживания, чем поршневой двигатель, поэтому турбины стали устанавливать и на небольших судах. Тем не менее в 1952 году тоннаж судов с поршневыми двигателями был почти вдвое больше, чем тоннаж судов с турбинами.

В 1945–1951 годах теплоходы с дизельными двигателями стали быстро вытеснять пароходы. В 1903 году, через пять лет после первого промышленного выпуска дизельного двигателя, этот тип силовой установки был использован на двух русских танкерах, предназначенных для работы на Каспийском море. Первым океанским судном с дизельным двигателем стала 7500-тонная Selandia, построенная в 1912 году. Самыми крупными теплоходами, которые эксплуатировались в 1954 году, были 27 000-тонные. Морские дизели, так же как и железнодорожные, имели более высокую тепловую эффективность, чем на теплостанции, хотя очищенное дизельное топливо дороже, чем остаточное топливо или уголь. Использование нефтепродуктов в качестве топлива на морских судах существенно снизило расходы. К примеру, на Mauritania, одном из последних пароходов с ручными топками, было 324 кочегара с помощниками, чтобы грузить на тележке, подвозить к топке и вручную забрасывать туда лопатами 1000 тонн угля в день. Помимо экономии труда и топлива, использование нефтепродуктов увеличило выходную мощность, достигшую своего предела при ручном сжигании угля.

Дорожное сообщение

Велосипеды в Соединенных Штатах никогда не использовались очень уж широко, даже во время велосипедного безумия 1890-х годов. В Европе, где расстояния меньше, а автомобили дороже, велосипеды осуществляли значительную часть внутригородских перевозок.

Полые стальные трубы и спицы из стальной проволоки впервые были использованы в велосипедах в 1867 году, а шариковые подшипники – десятилетием позже. Изобретение, важное для велосипедов, а впоследствии ставшее важным и для автомобилей, – пневматическая шина. Чарльз Гудьир, изобретатель из Коннектикута, в 1839 году изобрел процесс вулканизации каучука, а в 1847 году англичанин Роберт Уильям Томпсон запатентовал шину. Его патент истек, и в 1888 году Джон Бойд Данлоп (1840–1921), шотландский ветеринар, имевший практику в Белфасте, произвел первую пневматическую шину с внешней покрышкой и внутренней камерой. Велосипеды современных конструкций вскоре после 1885 года стали во множестве появляться на дорогах Англии и Америки. Изобретение колес безопасности со звездочками и цепного привода сделало велосипедный спорт чрезвычайно популярным и не слишком опасным. Именно велосипеды в то время стимулировали новое дорожное строительство в Соединенных Штатах и, в меньшей степени, в Европе. Лига американских велосипедистов – The League of American Wheelmen, основанная в 1880 году и политически активная в 1890-х годах, постоянно разрабатывала и выдвигала программы усовершенствования общественных дорог. Клуб велосипедистов – Cyclists’ Touring Club – в Англии также был очень активен.

С велосипедом не было сложных инженерных проблем. Однако история его развития демонстрирует важную и любопытную связь с ранней историей автомобиля. Первый массовый производитель безопасных велосипедов, Джеймс Старли, вновь изобрел дифференциальную передачу, позже столь необходимую для автомобилей. Цепной привод, использовавшийся на ранних автомобилях, сначала был опробован на велосипедах. Таким образом, велосипед сыграл важную роль в изобретении и эволюции автомобиля.

Автомобиль был активным участником перемен в современном обществе и произвел собственные особые социальные инновации, в первую очередь в Соединенных Штатах. Он больше, чем любой другой вид транспорта, повысил человеческую мобильность. Существенно улучшил противопожарную, полицейскую, санитарную и медицинскую защиту, но, главное, оказал влияние на рост городов. Хотя железная дорога была основным фактором в ускорении роста городов во второй половине XIX века и первой четверти XX века, но автомобиль начиная с 1920-х годов оказал существенное влияние на рост жилых городских окраин. В 1930—1940-х годах количество личных автомобилей в США и других странах постоянно росло, и в районах мира, где этот рост имел место, происходили те же социальные перемены, что в Соединенных Штатах.

Хотя сегодня типичным для автомобиля является двигатель внутреннего сгорания, ранние автомобили приводились в движение паром. Идея получения механической работы от сгорания или взрыва в ограниченном пространстве возникла еще в XVII веке, когда Жан де Отфёй, Кристиан Гюйгенс и Дени Папен, работая независимо друг от друга, попытались создать пороховой насос. Начиная с последней декады XVIII века многие инженеры работали над разными проектами двигателей внутреннего сгорания, используя в качестве топлива угольный газ, древесный газ или летучий углеводород. Только в 1860-х годах, когда французский изобретатель Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) начал строить маленькие газовые двигатели, двигатель внутреннего сгорания – ДВС – стал коммерчески успешным предприятием. Многие двигатели Ленуара были установлены на фабриках. В 1862 году французский инженер Бо де Роша опубликовал замечательный труд, содержащий теоретические принципы работы газового двигателя. Он утверждал, что должно быть четыре хода поршня – четыре такта: 1 – всасывание газовоздушной смеси; 2 – сжатие смеси; 3 – горение и расширение; 4 – выхлоп. Так появился четырехтактный двигатель. Немец Николас Август Отто (1832–1891) и его партнер Ойген Ланген (1833–1895) построили свой первый двигатель в Дойце. Газовый двигатель Отто 1867 года был шумным, но потреблял вполовину меньше топлива, чем двигатель Ленуара, и работал вдвое быстрее. А в 1876 году Отто создал свой знаменитый бесшумный двигатель, в котором был использован четырехтактный цикл Роша. Бесшумный двигатель Отто – самое важное изобретение в истории автомобиля.

И Ленуар в 1862 году, и австриец Зигфрид Маркус (1831–1898) в 1873 году строили транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания, но нет доказательств того, что машина Маркуса действительно двигалась. Джордж Б. Брайтон запатентовал двухтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на керосине, и продемонстрировал его на выставке 1876 года в Филадельфии. Там его увидел Джордж Болдуин Селден, патентный юрист и патентный махинатор из Рочестера. Тремя годами позже Селден обратился за патентом на автомобиль. Патент ему был дан только в 1895 году, но Селден, так и не построивший собственный автомобиль, получал отчисления от многих, кто строил автомобили.

Первый надежный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания построил в 1885 году Карл Фридрих Бенц (1844–1929) из Германии. До этого он десять лет строил и продавал небольшие газовые двигатели. Первый автомобиль Бенца был на трех колесах (рис. 12.13). Он был оснащен одноцилиндровым четырехтактным двигателем и имел электрическое, а не факельное зажигание. На нем был установлен дифференциал, а двигатель имел водяное охлаждение. Не располагая неограниченными запасами воды для охлаждения двигателя, Бенц изобрел и в 1886 году запатентовал рудиментарный радиатор для многократного использования охлаждающей воды. Электрическое зажигание – тоже дело Бенца. Эти три важные детали – электрическое зажигание, водяное охлаждение и дифференциал – присутствуют почти на всех из семидесяти миллионов автомобилей в мире, и все они были на самой первой машине Бенца. Четырехтактный двигатель Бенца имел горизонтальный цилиндр, горизонтальный маховик, тарельчатые клапаны, поверхностный карбюратор, запатентованный им в 1886 году, и мог производить ¾ лошадиной силы при 250 оборотах в минуту. Топливом был бензин. Машина имела одну переднюю скорость, а трансмиссией служил ремень, который мог двигаться вперед и назад на свободном или фиксированном шкиве, установленном на промежуточном валу, который имел дифференциал и две звездочки на концах с цепями к задним колесам. Два задних колеса и одно переднее имели твердые каучуковые шины. За два года до того, как Бенц создал свой первый автомобиль, Готлиб Даймлер из Вюртемберга, ранее трудившийся на фабрике Отто, построил одноцилиндровый двигатель, работавший при 900 оборотах в минуту. В 1885 году Даймлер установил такой же двигатель на велосипед, создав предшественник мотоцикла. Даймлер построил первую машину в 1886 году. Она имела четыре колеса и поворотную переднюю ось для руления. Бенц и Даймлер, работая независимо друг от друга, продолжали строить машины, постоянно их совершенствуя, и организовали компании по производству и продаже.

Рис. 12.13. Первый автомобиль Бенца, 1885 г.

Пневматическая шина Данлопа, усовершенствованная в 1888 году, начала использоваться на автомобилях около 1897 года. Даймлер построил машину с четырьмя передними скоростями в 1888 году и добавил заднюю скорость, все еще используя ременной привод, в 1896 году. Бенц установил на машине коробку передач в 1899 году. Тем временем он в 1890 году построил свой первый четырехколесный автомобиль с фиксированной передней осью и поворотными цапфами колес для руления. На это важное приспособление он в 1893 году получил патент. Французский автомобиль Панара 1894 года имел двигатель в передней части под крышкой, наклонную рулевую колонку с рулевым колесом и напольные педали. Таким образом, это был первый автомобиль, имевший дизайн, впоследствии общепринятый.

Появление автомобиля Бенца на Колумбийской выставке в Чикаго в 1893 году стимулировало многих американских механиков, работавших в этой области. Европа, в первую очередь Франция, Германия и Италия, в 1890-х годах обогнала Соединенные Штаты в производстве автомобилей по крайней мере на десятилетие. Первыми американцами, создавшими надежную машину, стали братья Чарльз и Фрэнк Дьюри из Спрингфилда, Массачусетс. Они начали с фаэтона, к которому добавили газолиновый двигатель мощностью 4 лошадиные силы, установив его над задней осью. Их первый автомобиль – Buggyaut – построенный в 1892–1893 годах, можно видеть в Смитсоновском институте. В последние годы XIX века многие американские механики строили автомобили с двигателями, работавшими на газолине, пару или электричестве. Пока изобретатели совершенствовали автомобили с двигателями внутреннего сгорания, на улицах появилось немало автомобилей, приводимых в движение паром. Многие, особенно в городах, предпочитали электромобили – медленные, дорогостоящие, но надежные. Мы не можем упомянуть обо всех американцах, которые на исходе века принимали участие в развитии автомобиля, но все же обязаны сказать несколько слов о Генри Форде, который в 1896 году создал успешный газолиновый багги и в 1899 году основал первую из своих многочисленных компаний. В 1908 году Форд начал выпуск знаменитого автомобиля Model T и за следующие двадцать лет построил их 15 миллионов. А конвейер Форда стал его революционным вкладом в развитие производства.

Автоматический стартер датируется 1911 годом. В это время американские производители прилагали максимум усилий, чтобы производить максимально надежные автомобили. Они использовали двигатели внутреннего сгорания, паровые и электрические двигатели, цепные, конические или фрикционные передачи, разные устройства для управления направлением движения – руления и т. д. Это было время проб и ошибок. В следующее десятилетие основные черты автомобильного дизайна стабилизировались. Одной из самых значительных инноваций после 1920 года стал гидропривод, который в разных видах и с разной степенью успеха применялся на многих автомобилях. В целом никаких революционных изменений в конструкции автомобиля Панара после 1894 года не произошло, хотя инженеры год за годом вводили всевозможные усовершенствования, результатом которых становилась экономия топлива, повышение безопасности, облегчение управления автомобилем и т. д.

Большинство ранних автомобилей были предназначены только для пассажиров, но Даймлер построил в 1891 году первый грузовик, а Бенц в 1895 году – автобус (рис. 12.14). Все эти транспортные средства стали важными в своем сегменте и выпускались в разных видах. Хотя автобусы почти вытеснили трамвай в Соединенных Штатах после того, как начали широко использоваться в 1922 году, уже в 1925 году их производство стабилизировалось. За исключением периода с 1942 до 1948 года, общее производство автобусов с 1925 года оставалось постоянным. В 1950 году 80 процентов всех выпускаемых автобусов составляли школьные автобусы. Этот важный факт указывает на быстрое развитие школ. Американские дети стали получать лучшее образование, чему в немалой степени способствовало появление специализированных автомобилей.

Автомобили определили требования к планированию современных городов. В Средние века планирование городов было ориентировано на потребности верхушки среднего класса. Вплоть до XVIII века предпочтение отдавалось большим домам и дворцам богатых людей. В XVIII веке некоторое внимание стали уделять планированию впечатляющих площадей и внушительных проспектов, но только в XIX веке при планировании городов начали учитывать потребности и других состоятельных слоев общества. Пример – застройка частными особняками площадей в районе Блумсбери. Эти площади с садами в центре и жилыми домами были полностью изолированы от неудобств, связанных с уличным движением. О низших слоях общества все еще никто не думал.

Рис. 12.14. Первый автобус

Немного позже Жорж-Эжен Осман (1809–1891) осуществил перепланировку Парижа, точнее, он впервые спланировал город согласно требованиям нового промышленного века. Он уделил особое внимание широким прямым проспектам не только как транспортным артериям, но и как средству подавления мятежей, сотрясавших Париж в начале века. Осман понимал, что широкие бульвары обеспечат не только движение света и воздуха, но и облегчат передвижение войск. Наличие сети железных дорог заставило его предусмотреть возможность предотвращения транспортных заторов вблизи железнодорожных вокзалов. Акцент Османа на транспорт был одной из первых ранних попыток решить проблему, ставшую доминирующей в XX веке. Однако в его плане смешался транспорт, жилые кварталы, предприятия и снова не было принято во внимание расселение низших слоев общества.

В 1901 году француз Тони Гарнье сформулировал принцип, ставший фундаментальным для городского планирования в XX веке. Индустриальный город Тони Гарнье был разделен на четыре зоны: жилую, промышленную, общественную и сельскохозяйственную. Современное планирование включает все социальные классы и группы и основано на факторах, которые ранее игнорировались. Например, перед тем как начать проектирование большого жилого района, современный архитектор прежде всего собирает многочисленные статистические данные. Ему необходимо знать, скажем, количество семей с четырьмя детьми, пожилых пар и одиноких людей в разных социальных группах. Многие требования к современному городскому планированию диктует социальная текучесть, возникшая благодаря личным автомобилям, электричеству и современным коммуникациям. Автомобильное движение игнорировать никак нельзя. Также необходимо иметь в виду постоянно изменяющийся облик городов (по крайней мере американских), с их быстро разрастающимися пригородами. До 1940-х годов городские окраины являлись по большей части жилыми районами, а потом туда стали переводить промышленные предприятия.

Автомобили меняют облик городов, и хорошие автомобильные дороги – жизненно важная потребность. Без современных автомагистралей автомобили были бы бесполезной грудой железа.

Макадам умер в 1836 году. Щебеночные дороги, более или менее напоминающие те, что он и Телфорд строили в Британии, а Трезаге во Франции, продолжали прокладывать до самого начала XX века. Появление в 1858 году камнедробилки, а в 1859 году – парового катка повысило скорость строительства таких дорог и сделало процесс экономичнее. В начале 1890-х годов, до массового распространения автомобилей, строительство новых дорог стимулировал велосипед. Нью-Джерси в 1891 году и Массачусетс в 1892 году были первыми штатами, где государственные средства стали тратить на дорожное строительство. Федеральное бюро общественных дорог было создано в 1893 году. Усилия инженеров-дорожников этого периода в основном были направлены на улучшение старых щебеночных дорог путем покрытия их асфальтовой нефтью и легкой смолой, которые могли на какое-то время «прибить» пыль и даже связывать между собой мелкие камни. Люди придумывали защитные покрытия для продления жизни старых дорог. А затем появился автомобиль. В 1895 году в США было зарегистрировано четыре «безлошадных» транспортных средства. Десятью годами позже там было уже 78 800 автомобилей. В первое время многие автомобилисты искренне верили в то, что их машины работают как дорожные катки и спрессовывают покрытие. Довольно скоро они лишились этой иллюзии, когда даже самые качественные щебеночные дороги начали разваливаться, из-под колес вылетали камни и поднимались клубы пыли. К 1910 году стало очевидно, что щебеночные дороги XIX века совершенно не подходят для века XX.

Первые дороги, построенные в начале XX века для новых типов транспортных средств, были смешанными – они оставались щебеночными, но заливались горячим битумным покрытием. Довольно скоро появился битумный или асфальтовый бетон. Битумный материал смешивался с тщательно отсортированным наполнителем, которым мог быть битый камень или гравий и песок, в стационарной мешалке, выливался на дорогу и утрамбовывался еще горячим. В это же время начали строить дороги с покрытием из цементобетона, который давно использовали в качестве фундамента для городских мостовых. Ранние цементобетонные городские мостовые в Инвернессе и Эдинбурге – в Шотландии и Гренобле – во Франции показали вполне удовлетворительные результаты. В 1908 году в Мичигане, вскоре ставшем центром автомобильной промышленности, началось масштабное строительство дорог из цементобетона, положившее начало современному использованию цементобетона для автомобильных магистралей. После этого в некоторых штатах начались научные исследования. Обширная исследовательская программа охватила все этапы строительства дорог из цементобетона.

Бурный рост количества автомобилей и скорости их движения в 1920-х годах стимулировал появление новых автомагистралей. Разумеется, для этого нужны были средства. Частично проблему решил закон о федеральной автостраде 1921 года, а к 1926 году все штаты, кроме четырех, ввели газолиновый налог для строительства автомагистралей. В 1951 году налог был уже во всех штатах. Он варьировался от 2 центов на галлон в Миссури до 9 центов на галлон в Луизиане. В 1925 году была создана государственная американская система автомобильных дорог.

В первой половине XX века, кроме камнедробилки и парового катка, появились и другие машины, повышающие эффективность дорожного строительства. В начале XX века пневматические бурильные машины, давно использовавшиеся при прокладке тоннелей, существенно облегчили строительство дорог в горах. А после Первой мировой войны земляные работы стали выполнять с использованием бульдозеров и экскаваторов. Бетономешалки разных видов заняли место традиционного ручного перемешивания. Особенно полезными были новые катки и трамбовочные машины, а также устройства для быстрой чистовой обработки поверхностей. Газолиновые и дизельные двигатели практически полностью вытеснили ручной труд. В строительстве дорог все чаще стал применяться научный подход. Быстрый рост количества, веса и скоростей транспортных средств усложнил проблему. Теперь было недостаточно обеспечить надежную и гладкую поверхность. Расположение и профиль дороги должны были обеспечивать безопасность всех автомобилистов на дороге – и опытных, предпочитающих высокие скорости, и новичков.

Изменение конструкции дорог – процесс не быстрый. США и Европа продвигались вперед с разными скоростями. Автоматические светофоры были установлены в американских городах в начале 1920-х годов, в Британии – несколькими годами позже. Освещение прожекторами участков с наиболее напряженным движением появилось в 1930-х годах, объезды перегруженных центров по новым дорогам – примерно в это же время. Учитывая то, что допустимые скорости на некоторых автомагистралях приближаются к скорости скоростного поезда, первостепенное значение приобрели линии обзора при проектировании автомобильных дорог. Теперь на хороших дорогах водитель мог в любой момент времени видеть путь далеко впереди, даже если приближался к гребню холма или ехал по кривой. Большинство криволинейных участков были расширены и получили ограждения по краям.

Рис. 12.15. Одна из первых «клеверных» развязок в Соединенных Штатах, Вудбридж, Нью-Джерси, около 1930 г.

Автострады высшего класса с засеянной травой разделительной полосой начали строить в 1930-х годах. В Нью-Джерси раньше начали строить перекрестки с круговым объездом в 1920-х годах, а одна из первых «клеверных» развязок в Соединенных Штатах была построена в Вудбридже, Нью-Джерси, около 1930 года (рис. 12.15). Скоростные автострады, или дороги ограниченного доступа, предназначенные в первую очередь для скоростного транспорта, начали строить после 1925 года. На такие дороги местный транспорт допускается только в установленных местах, и развязки делаются многоуровневыми. В Италии и Германии такие дороги начали строить несколько раньше, и к 1937 году в Италии было почти 300 миль автострад, на которых ограничения скорости не устанавливали. Автострады шли в объезд городов, не имели железнодорожных переездов и уклонов круче 3 градусов. Существенная часть немецких Autobahnen, которые должны были стать 4375-мильной сетью, была построена в 1937 году. Как и другие, они не имели железнодорожных переездов и только несколько крутых уклонов. Немецкое правительство строило Autobahnen, в основном имея целью обеспечить четырехполосные шоссе с разделительной полосой к каждому крупному городу.

В целом дизайн и конструкция автодорог, как правило, отставали от возможностей автомобилей, однако в наше время сочетание современных улиц и новых автомагистралей является одним из инженерных достижений, быстро меняющих образ жизни людей.

Авиация

Самолеты начали летать только в XX веке, и их эволюция в первой половине века происходила удивительно быстро. Уже в середине века они обеспечивали общество самыми быстрыми перевозками. На самом деле величайший вклад авиации в перевозки – скорость. Ее коммерческая важность, если не считать скорости, незначительна. Кроме того, авиация может обеспечить доступ в недоступные для другого транспорта регионы. Быстрая перевозка на большие расстояния оказывает заметное влияние на политическую, социальную и экономическую деятельность.

Хотя желание человека летать имеет многовековую историю, его первый полет на воздушном шаре состоялся во второй половине XVIII века. Братья Монгольфье построили шар из холста и наполнили его горячим воздухом от горящей соломы. Человеком, впервые поднявшимся в воздух на шаре братьев Монгольфье, стал Пилатр де Розье. Это было 21 ноября 1783 года. Он вместе с другом поднялся в воздух на 500 футов, пролетел 5 миль и плавно опустился на землю. Полет длился 25 минут. В том же году другой француз, Жак Александр Сезар Шарль (1746–1823), тоже с другом, поднялся в воздух на шаре конструкции Шарля. Он открыл названный его именем закон: при постоянном объеме давление идеального газа прямо пропорционально его абсолютной температуре, и впервые использовал для заполнения шара новый газ – водород. Водород был открыт Кавендишем в 1766 году, но свое название получил в 1783 году от Лавуазье. Полеты на воздушных шарах очень скоро стали популярным, хотя и довольно опасным спортом.

Аэростаты имеют занимательную историю, которая ведет отсчет с 1784 года, когда братья Роберт сделали попытку управлять наполненным водородом шаром с помощью легких весел, покрытых шелком. Впоследствии многие другие изобретатели старались усовершенствовать управление воздушным шаром, но только французу Анри Жиффару (1825–1882) в 1852 году удалось построить первый надежный управляемый аэростат. В течение полувека развитие аэростатов шло в основном во Франции, а в 1900 году немец Фердинанд фон Цеппелин (1838–1817) построил дирижабль. Хотя воздушные шары и дирижабли широко использовались в связи с военными операциями, они оказались непригодными в коммерческом отношении. Эволюция воздушных шаров и дирижаблей имела незначительное влияние – если вообще его имела – на ранние аэропланы. Интересно, что из всех ранних изобретателей аэроплана только бразилец Альберто Сантос-Дюмон (1873–1932) имел опыт обращения с аппаратами легче воздуха.

История авиации – это, в сущности, история инженерных решений двух проблем – движущей силы и аэродинамики. Николаус Отто изобрел четырехтактный двигатель внутреннего сгорания в 1876 году, а десятью годами позже Отто Лилиенталь (1848–1896) начал эксперименты с планерами, стремясь расширить свои знания теории парения. Две группы экспериментаторов, работавшие после этих немцев, действовали независимо друг от друга, но их общие усилия, так же как и усилия многих других изобретателей, в конечном счете сделали возможным изобретение аэроплана американцами – братьями Райт.

Лилиенталь был опытным, технически грамотным инженером. Он начал опыты с планерами еще в детстве. Но его первые полеты на планерах датируются 1886 годом, когда ему было уже тридцать восемь лет. Опубликованные результаты его экспериментов, связанных с тестированием подъемной силы кривых поверхностей, имели большое влияние на создание летательных аппаратов тяжелее воздуха. Он погиб во время одного из полетов – несчастный случай был вызван трудностями поддержания продольной стабильности. Октав Шанют (1832–1910), родившийся во Франции американский инженер, пошел по стопам Лилиенталя и в 1896 году начал в США эксперименты с планерами. Он использовал самые разные дизайны с разным количеством крыльев, доведя их число до пяти, и наконец остановился на «двухпалубнике» – биплане. Впоследствии Шанют стал другом и советником братьев Райт.

С 1896 года профессор Сэмюэл Пирпонт Лэнгли (1834–1906) из Смитсоновского института проводил эксперименты с моделями аэропланов с размахом крыльев 13 или 14 футов. Некоторые из этих моделей приводились в движение маленькими паровыми двигателями. В конце концов, в 1903 году он построил полноразмерный аэроплан, рассчитанный на одного человека, и снабдил его оригинальным газолиновым двигателем, сконструированным Чарльзом Мэтью Мэнли, механиком, выпускником университета Корнуолла. Двигатель Мэнли был пятицилиндровым звездообразным газолиновым двигателем с водяным охлаждением мощностью 52 лошадиные силы. Он весил без дополнительного оборудования всего 125 фунтов (2,5 фунта на лошадиную силу). К сожалению, самолет Лэнгли дважды потерпел крушение еще во время запуска с крыши плавучего дома на Потомаке, едва не утопив Мэнли. И Лэнгли наотрез отказался продолжать эксперименты. Его самолет был восстановлен и экспонируется в Смитсоновском институте. Отметим, что, поскольку человек всегда стремился в небо, сотни людей шли по стопам Лилиенталя, Шанюта и Лэнгли, запуская воздушных змеев, планеры, всевозможные модели самолетов. Но главное, эти три изобретателя заложили основы для успеха братьев Райт.

Рис. 12.16. Орвилл Райт у аэроплана, 1903 г.

Уилбур Райт (1867–1912) и его брат Орвилл (1871–1948), велосипедные механики из Дайтона, Огайо, были настоящими гениями. Они заинтересовались парением и механическими полетами и в течение нескольких лет штудировали литературу на эту тему. Братья построили воздушную трубу длиной 6 или 8 футов и диаметром 16 дюймов с отверстиями с одного конца, через которые можно было направлять воздух. В ней они испытали более 200 различных крыльев. Они определяли подъемную силу и сопротивление движению, используя модели монопланов, бипланов и трипланов. Октав Шанют, ставший к этому времени их доверенным лицом, был убежден, что они знают об аэродинамике больше, чем любой другой человек в мире. Подход братьев к проблеме с самого начала был инженерным: объективные испытания, систематизация полученной информации, трактовка результатов. Братьям всегда хватало смелости двигаться туда, куда им указывали результаты экспериментов. В 1900 году они отправились на песчаные дюны Северной Каролины, где в районе Кил-Девил-Хилл было достаточно ветра, чтобы провести испытания своего первого планера – биплана. Там в декабре 1903 года они построили свой первый моторный биплан (рис. 12.16). Его каркас был деревянным, крылья полотняными. Газолиновый двигатель, собранный собственными руками, имел 4 цилиндра диаметром 4 дюйма, 4-дюймовый ход поршня и мощность 12 лошадиных сил. Двигатель весил 179 фунтов (15,9 фунта на лошадиную силу). Вес всей машины составил 750 фунтов. Самолет имел два винта, которые вращались в разных направлениях, установленные на расстоянии 10 футов друг от друга, и цепной привод со звездочками.

Рис. 12.17. Четырехмоторный моноплан «Дуглас DC-7»

Их первый полет 17 декабря – первый в истории аппарата тяжелее воздуха – имел протяженность 100 футов. Двумя годами позже, установив на своем детище двигатель мощностью 24 лошадиные силы, Райты пролетели 24 мили за 38 минут. В 1908 году Уилбур Райт совершил перелет протяженностью 76 миль. Все аэропланы братьев Райт были, как и их планеры, бипланами, созданными по модели Шанюта. Важная инновация – крутка крыла – позволила им контролировать и поддерживать стабильность, которой все предыдущие опыты достичь не могли. К 1903 году братья Райт существенно расширили знания о подъемной силе крыла, продольной и поперечной стабильности и маневренности. Их первый аэроплан имел рули высоты и направления, а также устройство для крутки крыла. Двигатель Райтов был адекватным, но намного тяжелее и не таким успешным, как у Мэнли. Их пропеллеры были в меру эффективными и, пожалуй, лучшими, что было создано до 1903 года.

За четверть века после первого полета братьев Райт эволюция аэроплана шла очень быстро. В 1910 году Генри Фабр совершил на юге Франции первый взлет с воды. Затем такой же взлет повторил Гленн Х. Кертис из Калифорнии. Игорь Сикорский в 1912 году построил в России первый четырехмоторный аэроплан, который реально летал. К концу 1920-х годов моноплан стал самым распространенным типом самолета (рис. 12.17). Скорость возросла с 30 миль в час в 1903 году до 280 миль в час в 1924 году. До 1940 года на аэропланах устанавливались практически исключительно поршневые газолиновые двигатели внутреннего сгорания. Расположение цилиндров могло быть самым разным, и количество цилиндров варьировалось от 4 до 24. Двигатели были рядными или звездообразными (рис. 12.18), с воздушным или водяным охлаждением.

Рис. 12.18. Двигатель Wasp Major мощностью 3500 лошадиных сил

Первая важная инновация в энергетическую установку самолета была внесена около 1940 года. Потребность в высокой скорости и возможности совершать полеты на больших высотах становилась все важнее. К этому времени было очевидно, что вот-вот будет достигнут предел возможностей поршневого двигателя и пропеллера, поэтому инженеры начали эксперименты с установкой на самолет газотурбинного реактивного двигателя. К 1955 году было уже три главных типа газотурбинных самолетных двигателей: турбореактивный, турбовинтовой и турбокомпаунд. История газовых турбин и реактивной энергии весьма обширна и уходит корнями во времена Герона Александрийского. Однако только в XX веке такие установки стали коммерчески успешными. К середине века газовые турбины стали новыми важными источниками энергии.

Первые газотурбинные установки были стационарными. Компания из Швейцарии Brown Boveri установила газовую турбину в Хамборне, Германия, в 1933 году, и тремя годами позже первый турбокомпрессор был установлен в Маркус-Хук, Пенсильвания. Первый газотурбинный электрогенератор имел мощность 2000 киловатт. Это была демонстрационная модель фирмы Escher Wyss в Цюрихе в 1940 году. К 1954 году в мире насчитывалось уже больше сотни стационарных газотурбинных электрогенераторов. Первый газотурбинный локомотив тоже был детищем Brown Boveri. Он начал работать на швейцарских федеральных железных дорогах в 1941 году. Десятилетием раньше, в 1930 году, Фрэнк Уиттл (1907–1996) запатентовал в Англии воздушно-реактивный двигатель с воздушным компрессором, приводимым в действие газовой турбиной. Таким образом, Уиттл создал базовый проект осевого турбореактивного двигателя, самого распространенного типа реактивных двигателей.

Рис. 12.19. Турбореактивный двигатель J-57. Всасывание воздуха и компрессоры наверху, камера сгорания в центре, турбина и выхлоп – внизу

Турбореактивный двигатель – это тепловой воздушнореактивный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сжигания и турбины (рис. 12.19). Компрессор, приводимый в действие турбиной, создает давление входящего воздуха, который поступает в камеру сгорания, где часть его кислорода постоянно горит вместе с впрыснутым топливом. Продукты сгорания и расширившийся горячий воздух выводятся через реактивное сопло, но, прежде чем попасть в сопло, они проходят через лопасти турбины, которая приводит в действие компрессор. Реакция на выброшенную массу газов толкает самолет вперед. Турбовинтовой двигатель аналогичен турбореактивному, только имеет более крупную газовую турбину, которая приводит в действие не только компрессор, но и традиционный воздушный винт – пропеллер. В турбовинтовом самолете воздушный винт использует около 80 процентов вырабатываемой энергии. Турбокомпаунд – это традиционный винтовой поршневой двигатель, на отработанных газах которого работает турбина, соединенная с коленчатым валом, чтобы усилить мощность двигателя.

Все реактивные двигатели имеют больший расход топлива на единицу мощности, чем поршневые двигатели, однако турбореактивные двигатели обеспечивают более высокие скорости, особенно на больших высотах, их конструкция проще, и они весят примерно вдвое меньше, чем поршневые двигатели той же мощности. Потребление топлива в турбовинтовом двигателе также меньше, чем в крупном поршневом двигателе. Самый крупный в мире поршневой двигатель (по состоянию на середину XX века) – 28-цилиндровый звездообразный двигатель Wasp Major компании Pratt & Whitney мощностью 3500 лошадиных сил – потреблял 0,58 фунта топлива на лошадиную силу в час при взлете, но расход топлива уменьшается с набором высоты. Wasp Major обеспечивает около 1 лошадиной силы на фунт веса, а турбовинтовой двигатель – более 2 лошадиных сил. Рост значений мощности газотурбинных двигателей был весьма впечатляющим. За пятьдесят лет после первого полета братьев Райт максимальная мощность поршневых двигателей увеличилась с 12 до 3500, однако за пятнадцать лет значение мощности реактивных двигателей при рабочих скоростях взлетело до 25 000 лошадиных сил, более чем в семь раз превысив максимальную мощность поршневого двигателя. British Comet, первый коммерческий авиалайнер с турбореактивным двигателем, начал работать в мае 1952 года, а уже к 1954 году все крупные американские самолеты использовали или турбовинтовые, или турбокомпаундные двигатели.

Рис. 12.20. Первый успешный вертолет Игоря Сикорского, пилотируемый конструктором, 1939 г.

Вертолет – вторая важная инновация в истории авиации. Вертолет – машина с вертикальным взлетом, главной особенностью которого является большой пропеллер, вращающийся на вертикальной оси. Леонардо да Винчи, часто рассуждавший о полетах в воздухе, на одном из своих набросков изобразил вертолет. В 1768 году французский математик Поктон (1736–1798) разработал проект летательного аппарата, приводимого в движение мускульной силой человека, с двумя винтами: один – чтобы поддерживать аппарат, другой – чтобы толкать его вперед. Много самых разных энтузиастов разрабатывали эту идею. В 1907 году француз Поль Корню (1881–1944) построил полноразмерный вертолет, который на несколько минут поднял его и пассажира над землей. В качестве силовой установки Корню использовал газолиновый двигатель мощностью 24 лошадиные силы, который приводил в действие два ротора с помощью ремней, двигавшихся в разных направлениях для противодействия крутящему моменту. Немецко-американский изобретатель Эмиль Берлинер (1851–1929), его американский сын Генри А. Берлинер, и многие другие инженеры в Соединенных Штатах, Франции и Испании в 1920-х и 1930-х годах экспериментировали с вертолетами. Эти люди строили разнообразные нескладные аппараты, которые при благоприятных условиях могли подняться на несколько футов над землей, однако были «очень чувствительны к возмущениям», а их поведение – непредсказуемым. Генри Берлинер в 1922 году пилотировал трехкрылую трехроторную машину в течение 1 минуты 25 секунд. В том же году русский изобретатель Георгий Ботезат поднял в воздух летательный аппарат с четырьмя подъемными роторами на 1 минуту 42 секунды. Годы упорных исследований и экспериментов принесли успех (рис. 12.20) русскому конструктору Игорю Ивановичу Сикорскому в 1939 году. Его вертолет развивался очень быстро. Одно из ограничений грузоподъемности машины заключалось в вертикальной оси, на которой был установлен пропеллер. С ростом мощности вес оси, необходимой для передачи вращательного движения, становится избыточным. Использование турбореактивных двигателей на концах лопастей, чтобы создать вращательное движение реакцией, устранило это ограничение.

Трубопроводы

Не такой зрелищный, как железнодорожный, водный, автомобильный и воздушный, трубопроводный транспорт все же является одним из самых важных видов транспорта. В 1950 году американские нефтепроводы перенесли больше тонно-миль, чем внутригородской автомобильный транспорт. Железные и стальные трубопроводы для транспортировки нефти были американским творением, которое распространилось на другие нефтедобывающие районы. По стальным трубам теперь перекачивают не только сырую нефть и нефтепродукты, но также природный газ.

Рис. 12.21. 26-дюймовый трубопровод, уложенный в траншею, прорытую дизельным канавокопателем Caterpillar Buckeye

Эдвин Л. Дрейк летом 1859 года руководил бурением первой нефтяной скважины в США – в районе Титусвилля, Пенсильвания. Скважина имела глубину 69½ фута и сначала выдавала 8—10 баррелей нефти в день для нефтяной компании Сенека из Коннектикута. Когда были установлены насосы, производительность скважины увеличилась. В последующие годы много таких скважин было пробурено в долине реки Ойл-Крик. Некоторые из них давали 1500 баррелей в день. С самого начала было ясно, что для освещения эта нефть намного предпочтительнее, чем китовый жир и свечи. Долина Ойл-Крик располагалась в заросшем лесом регионе, далеко от населенных пунктов. В 20 или 30 милях к северу располагалось несколько железнодорожных полустанков. В течение трех лет нефть с большим трудом перевозили на грузовиках по проселочным тропам, едва ли заслужившим название дорог, на эти полустанки для погрузки на железную дорогу. Процесс был чрезвычайно дорогостоящим. Другой возможный маршрут – на юг через Ойл-Крик и реку Аллегейни в Питтсбург. Здесь автомобильная часть была короче, а водная перевозка дешевле, чем железнодорожная. Нефть перевозили на плоскодонках и баржах сначала в бочках, потом в специально построенных деревянных танках. Наконец, в 1862 году была построена железная дорога до Ойл-Крик, что существенно сократило автомобильные перевозки и обеспечило железнодорожную связь с Чикаго и Нью-Йорком. В 1865 году появилась первая цистерна – платформа с деревянными танками на 45 баррелей нефти в каждом конце. Она совершила успешное экспериментальное путешествие в Нью-Йорк и стала прародительницей современных вагонов-цистерн, первый из которых был построен в 1869 году.

Еще один шаг в совершенствовании перевозки нефти был сделан несколькими годами раньше. В 1865 году была проложена шестимильная труба из города Питхоул в Пенсильвании к станции Миллер-Фарм железной дороги Ойл-Сити. Сэмюэл ван Сикл, построивший этот первый в мире трубопровод, установил три паровых насоса, которые перекачивали 1900 баррелей нефти ежедневно через 2-дюймовую трубу из кованого железа. В 1874 году была построена первая магистральная линия из нефтяных районов до нефтеперегонных заводов в Питтсбурге – на расстоянии 60 миль. По этой 4-дюймовой магистрали транспортировалось ежедневно 7500 бочек – более 300 000 галлонов. Первый трубопровод на восток через Аллегейни – Биг-Бенсон. Шестидюймовая труба была начата в 1878 году и завершилась в районе Нью-Йорка десятью годами позже. Строители столкнулись с упорным противодействием железнодорожников и других участников транспортного процесса.

Никогда раньше жидкость не перекачивалась на большие расстояния с постоянной скоростью по трубопроводу, который спускался в долины и поднимался на горные хребты. Ранний опыт с водопроводами был практически бесполезен, поскольку только очень немногие водопроводы использовали гидравлические насосы, среди них – гидротехническое устройство Марли в Версале. При строительстве длинных нефтепроводов возникали совсем другие проблемы по части гидравлики. Довольно скоро было установлено, что нефть может двигаться с вполне удовлетворительной скоростью – несколько миль в час – при использовании одноцилиндровых поршневых насосов, установленных через каждые несколько миль. Постоянно возникали и другие проблемы. До 1874 года не было точной информации об экономичном и эффективном перемещении сырой нефти и продуктов ее переработки. Инженерам еще предстояло выяснить, как применять фундаментальные концепции гидравлики к такой вязкой жидкости, как некоторые нефтепродукты.

Самые известные американские нефтепроводы, Биг-Инч и Литл-Инч, были построены во время Второй мировой войны. Первый – 24-дюймовая линия – перекачивал от Техаса до Филадельфии и Нью-Йорка сырую нефть. Второй – 20-дюймовая линия – перекачивал нефтепродукты между Техасом и Нью-Джерси. По трубам также перекачивают природный газ на побережье Атлантического океана и в другие районы США.

Первый газопровод был построен во Фредонии, Нью-Йорк, в 1821 году, но только в XX веке природный газ стал использоваться как топливо. В 1930-х годах природный газ постепенно стал заменять газ, полученный из угля. К 1955 году газопроводы протянулись из Техаса в Новую Англию, и природный газ заменил не только газ, полученный из угля, но и сам уголь во многих отраслях промышленности. Газ не только легче перерабатывать и использовать. Он чище угля и существенно снизил загрязнения дымом и сажей в некоторых промышленных регионах. До того как природный газ стал широко использоваться, он просто уходил в атмосферу или сжигался непродуктивно. Такое разбазаривание ценного природного ресурса существенно снизилось благодаря его хранению в заброшенных колодцах для последующего использования и расширению сети газопроводов. Продуктивное использование природного газа стало весомым инженерным вкладом в сохранение природных ресурсов.

Глава 13

Гидравлическая и санитарная инженерия

Человек не может жить без воды, которая важнее для жизни, чем любое другое питательное вещество, за исключением кислорода. Вода жизненно необходима не только для людей. Благодаря ирригации и мелиорации земель она обеспечивает общество продуктами питания. Вода необходима для тушения пожаров. Некоторые ранние современные системы водоснабжения давали воду главным образом для борьбы с огнем.

С начала цивилизации водные пути служили для перевозки, а в Средние века вода стала важнейшим источником энергии. Как описано в главе 5, водяное колесо изобрели рано, и оно избавило человека и тягловых животных от роли главного источника энергии. В XVIII веке вода приобрела качественно новое значение в производстве энергии, поскольку стала использоваться в паровых машинах. И в XX веке вода участвует в производстве электроэнергии. Она вращает водяные колеса и паровые турбины, охлаждает двигатели внутреннего сгорания. Вода также активно используется в промышленности. Инженеры придумали первые техники водоочистки именно для промышленного использования очищенной воды, а не для потребления человеком.

Тем не менее именно необходимость в чистой воде для потребления в городах вызвала к жизни создание обширных водопроводных систем. Эти системы не только накапливают и очищают воду, но также транспортируют ее на много миль. Акведуки – важные средства транспорта, по которым перевозится много тонно-миль каждый день. Кроме обеспечения населения чистой водой, санитарные инженеры придумывают техники для безопасной утилизации отходов человеческой жизнедеятельности. Победа санитарной инженерии над эпидемиями опасных желудочно-кишечных заболеваний – важнейшее достижение в области общественного здравоохранения.

Санитарная инженерия

Когда люди только начали жить сообществами, они осознали, что им необходимы системы водоснабжения и утилизации отходов. Открытия археологов в Мохенджо-Даро подтверждают этот факт, так же как остатки минойской цивилизации на Крите. Сохранившиеся римские записи свидетельствуют о многочисленных попытках создания обеих систем в городах империи. Однако осознание необходимости – совсем не то же самое, что эффективность в действии. Утверждение, что санитарные средства тех времен были лучше, чем туалеты вне дома, выгребные ямы и примитивные колодцы, существующие в наши дни, – вовсе не похвала минойской или римской санитарии.

Вывод о том, что чистая питьевая вода для человека лучше, чем загрязненная, появился еще в трудах греческого врача Гиппократа, жившего в V–IV веках до н. э. Но обеспечение человека чистой водой стало чрезвычайно сложной проблемой, когда население выросло и сосредоточилось на относительно небольших территориях. Болезни, возникновение которых специалисты по общественному здравоохранению относят к дефектам санитарных систем, опустошали города в Средние века и даже позже. К сожалению, подобное случается и в наше время в слаборазвитых регионах. Правда, городские власти в наши дни лучше осознают свою задачу, чем их далекие предшественники в Лондоне, Париже, Риме, Кноссе и Мохенджо-Даро. Рост уровня знаний имел место благодаря деятельности инженеров и ученых в течение последних столетий.

Прежде чем Луи Пастер (1822–1895) и Роберт Кох (1843–1910) совершили свои революционные открытия в области бактериологии, гуманисты и городские власти, занимавшиеся общественным здравоохранением, пришли к выводу, что питьевую воду, конечно, необходимо избавить от неприятного вкуса и запаха, осадков, мусора и видимых невооруженным глазом насекомых, но с ней необходимо сделать что-то еще. Француз Алексис-Жан-Батист Паран-Дюшателе (1790–1836) в 1836 году признавался, что не знает, какое количество посторонних примесей должно содержаться в воде, чтобы она стала опасной. Он был уверен, что ежедневное использование грязной воды не оказывает влияния на животных. Возможно, то же самое относится к людям на шерстяной фабрике, которую он посетил. Но все же он считал, что существуют инфекции, которые необходимо определять с помощью анализа. И он был прав. Гнилостные примеси в воде, хотя и являются отталкивающими, не смертельны, если в воде нет болезнетворных организмов. В попытке устранить гнилостные примеси из питьевой воды инженеры и чиновники эмпирическим путем пришли к выводу о существовании инфекций.

Доктор Джон Сноу (1813–1858), пионер в области анестезии, почувствовал правду и в 1849 году опубликовал очерк о распространении холеры через грязную воду. Его опыт во время известной вспышки холеры на Брод-стрит в Лондоне привел его к мысли, что источником заражения стала водозаборная колонка, и он убедил местные власти убрать с нее рукоять насоса. Это было сделано, и, когда использование загрязненной воды прекратилось, эпидемия пошла на спад. Доктор Сноу предвосхитил бактериологическую природу инфекционного заболевания, но чиновники от здравоохранения с ним не согласились. Продолжало бытовать мнение, что виной всему не микроорганизмы, а гнилостные примеси в воде. Встревоженное регулярными вспышками холеры британское правительство в 1852 году приняло закон о городском водном хозяйстве, в котором впервые появились минимальные стандарты качества воды. Воду, подаваемую в дома Лондона, стали фильтровать через песчаные подушки, делая ее более приятной на вид, вкус и запах. Постепенно практика стала распространяться на всю Британию – создавалось впечатление, что эта практика остановила эпидемии. К 1900 году воду для главных британских городов фильтровали.

Работы британцев по очистке воды привлекли внимание двух американцев, которые решили изучить европейский опыт для использования дома. Это Элис Сильвестр Чесбро (1813–1886), городской инженер, работавший сначала в Бостоне, потом в Чикаго, и шотландец по рождению Джеймс Пью Кирквуд (1807–1877), приехавший в Америку в 1832 году, чтобы строить железные дороги. Исследования Чесбро в конце концов позволили правильно соотнести систему водоснабжения и канализацию в Чикаго. Однако город продолжал сливать жидкие отходы в реку Чикаго и озеро Мичиган в надежде, что после погружения и растворения отходов озерная вода устранит все вредоносные примеси. В 1867 году Чесбро соорудил 5-футовый тоннель из чугуна и кирпича длиной две мили под дном озера через слой голубой глины. На конце тоннеля был устроен ряж, через который забиралась вода. Насосная станция на берегу поднимала воду в 154-футовую башню, откуда она текла под действием силы тяжести по городским трубам.

В это время население Чикаго резко увеличилось от 30 000 жителей в 1850 году до 300 000 жителей в 1870 году. И загрязнение озера пошло ускоренными темпами. Даже в 4 милях от берега вода была небезопасной. Стало очевидно, что слив нечистот в озеро следует остановить. Сначала инженеры попробовали перекачать часть сточных вод за город в канал Иллинойс – Мичиган и реку Иллинойс. Затем драгирование, начатое в 1892 году и завершенное в 1900 году, повернуло реку Чикаго в реку Дес-Плейнс и отдало чикагские отходы населению «глубинки». Это мероприятие не доставило удовольствия соседям с юга, зато оказалось весьма эффективным для охраны питьевой воды города. Конечно, санитарные эксперты не были уверены, что разбавление и оксидирование, которое шло в пути, устранило вред чикагских стоков до того, как они достигли следующего города. Штат Миссури подал иск против штата Иллинойс, потребовав судебный запрет на сброс чикагских сточных вод в источник водозабора Сент-Луиса. Суд отказал в запрете, когда были предъявлены свидетельства, что загрязненные воды по пути оказались настолько разбавленными, что вода уже не представляла опасности для здоровья. Тем не менее состояние дренажного канала и верховьев реки Дес-Плейнс оказалось таким, что жители Чикаго были вынуждены установить современные очистные установки.

Немного раньше, в 1865 году, в поисках средств для обеспечения города Сент-Луис чистой водой из реки Миссисипи, инженер Кирквуд был отправлен в Европу. Результатом поездки стало его сообщение 1869 года о фильтрах, которые он изучил в Англии, Шотландии, Ирландии, Франции, Германии и Италии. Но власти Сент-Луиса решили не очищать воду с помощью песчаных фильтров, на использовании которых настаивал Кирквуд. Власти города Покипси, расположенного в штате Нью-Йорк, наняли его в 1872 году для применения его метода на реке Гудзон, где он в 1872 году построил первую песчаную фильтровальную установку в США. Вода Гудзона была не такая мутная, но ничуть не менее вредная, поскольку государственный госпиталь, расположенный всего в 2000 футах выше по течению, чем водозабор, сливал нечистоты прямо в реку, и делал это на протяжении шестидесяти лет. В Покипси свирепствовал тиф, однако благодаря очистным сооружениям эпидемию удалось остановить.

Важнейшим научным прорывом стала теория Луи Пастера о том, что инфекционные заболевания вызваны бактериями. Луи Пастер сформулировал основные принципы своей теории в 1857 году, и к 1880 году Роберт Кох создал науку бактериологию. Применение теории Пастера и знаний бактериологии к методам очистки воды стало одним из величайших успехов санитарной инженерии. Ознакомившись с открытиями Пастера и Коха, биологи, химики и инженеры на обоих берегах Атлантического океана экспериментировали с очисткой загрязненных вод в поисках способа устранения болезнетворных организмов. Карл Джозеф Эберт (1835–1926) и Эдвин Клебс (1834–1913) идентифицировали тифозную бациллу в 1880 году. В Британии 16 апреля 1886 года Перси Фарадей Франкленд (1858–1946) доложил институту гражданских инженеров, что ему удалось убрать большинство бактерий из образцов лондонской воды, медленно профильтровав воду через песчаные фильтры. В Берлине Карл Пифке в том же году обнаружил, что один только полностью стерилизованный песок не задерживает микробы. Определенные организмы со слизистым покрытием должны образовать «живой вязкий слой», который улавливает бактерии и выполняет очистку.

В Америке Хирам Фрэнсис Миллз (1836–1921) и его молодые помощники на экспериментальной станции Лоренса в Массачусетсе подтвердили этот вывод в 1887 году. Джордж У. Фуллер, один из коллег Миллза, в начале 1890-х годов вернулся из Берлина, где учился у Пифке. В результате их совместных исследований было обнаружено, что периодическая фильтрация через песок понижает количество тифозных бацилл в водах реки Мерримак. Водозабор для Лоренса находился всего в 8 милях ниже по течению от места сброса сточных вод Лоуэлла. Работа экспериментальной станции Лоренса привлекла широкое внимание в Соединенных Штатах и за рубежом. Участвовавшие в ней молодые ученые Эдмунд Б. Уэстон (1850–1916), Джордж У. Фуллер (1868–1934), Аллен Хейзен (1869–1930) и Джордж Чандлер Уиппл (1866–1924) ездили по всей территории Соединенных Штатов, работая санитарными инженерами и консультантами. Их усилия принесли результаты. В 1886–1925 годах смертность от тифа в городах Соединенных Штатов снизилась с 50 до 5 человек на 100 000 населения.

Вскоре после 1900 года медленная фильтрация воды через песок стала использоваться повсеместно в Соединенных Штатах. В 1890-х годах Уэстон и Фуллер провели независимые исследования, показавшие, что быстрая фильтрация, первоначально использовавшаяся для очистки илистых вод для бумажных фабрик, может применяться и для очистки муниципальных вод. Быстрые фильтры намного экономичнее. Стандарты чистоты постепенно становились строже, и стало применяться предварительное отстаивание с добавлением коагулянта, такого как сульфат алюминия. Таким образом, вода частично очищалась до фильтрации, и нагрузка на фильтры уменьшалась. Позднее стало привычной практикой на последнем этапе добавлять в фильтрованную воду дезинфицирующее средство – хлор, в качестве финальной меры предосторожности.

Рис. 13.1. Мост-акведук в Рокефавур (ср. с рис. 4.1)

С ростом населения городов перед инженерами XIX века постоянно стояла задача обеспечения возрастающих потребностей в воде. Еще со времен Уатта некоторые города зависели от воды, которая качалась с помощью паровых насосов из местных рек, часто сильно загрязненных, как Темза. Однако многие важные города последовали примеру Древнего Рима и стали искать относительно чистые источники в далеких горах. В середине века инженеры осознали – вероятно, как и древние римляне – большую важность (с санитарной точки зрения) создания вместительных резервуаров вблизи источников. Более того, во второй половине XIX века, когда знания санитарии стали обширными, техники современного водоснабжения начали развиваться на здоровой основе.

Марсельский акведук, построенный в 1839–1847 годах, доставлял воду из реки Дюранс, альпийского притока Роны, что на расстоянии 28 авиамиль (авиамиля равна морской миле, то есть составляет 1852 метра) к северу от Марселя. Он проходит окольными путями через множество мостов и не менее сорока тоннелей. В районе Рокефавура, в 5 милях к западу от Экса, он пересекает маленькую долину реки Арк по трехъярусному мосту (рис. 13.1), аналогичному, но еще более впечатляющему, римскому акведуку Пон-дю-Гар в Ниме, что в 60 милях к западу. Каменный мост имеет длину 1300 футов и возвышается на 300 футов над рекой. Акведук снабжает водой не только Марсель. Он также доставляет воду в Ла-Кро, обширный засушливый регион, расположенный западнее, в направлении Арля. В 1855 году власти Глазго начали строить акведук от Лох-Катрин, что в 26 милях от города, а в 1869 году власти Вены начали строить водопровод от горных источников, расположенных в 59 милях к западу, в Шнееберге. Одновременно увеличилась высота дамб. Гранитная дамба, построенная в 1861–1866 годах на реке Фюранс, притоке Луары, в районе города Сент-Этьенн, тогда была самой высокой в мире – 184 фута. Она слегка изгибалась вверх по течению, как арка, под действием давления воды. Самая большая плотина в Британии была построена в 1881–1890 годах на восточном склоне гор Бервин в Уэльсе, чтобы снабжать водой Ливерпуль, расположенный на расстоянии 50 миль. Акведук имеет протяженность 68 миль.

Водоснабжение города нью-йорк

История водоснабжения Нью-Йорка прекрасно иллюстрирует развитие инженерного искусства, сделавшее возможным строительство обширных сетей городского водоснабжения в XX веке. В течение двух сотен лет после основания в городе Нью-Йорк не было водопровода. Жители могли рассчитывать только на личные или общественные колодцы и насосы. Tea Water Pump, что на северной стороне современного Парк-Роу, был известен благодаря чистоте родниковой воды, которую использовали для чая и приготовления пищи. Ее даже развозили на тележках по городу. Первый успешный водопровод был частным предприятием. Манхэттенская компания, основанная в 1799 году Аароном Берром и его товарищами, рыла колодцы, строила танки и резервуары и прокладывала трубы из высверленных бревен. Городское население тогда составляло около 60 тысяч человек. В течение поколения компания проложила 25 миль деревянных труб, по которым перекачивалось до 700 000 галлонов не слишком чистой и вкусной воды в 2000 домов. Вода перекачивалась двумя паровыми насосами мощностью 18 лошадиных сил из нескольких больших колодцев (некоторые из них были расположены недалеко от водоема Коллект-Понд) в установленные на возвышении танки или резервуары, откуда она текла, повинуясь силе тяжести. Коллект-Понд – водоем пресной воды площадью как несколько городских кварталов, располагался к востоку от Грейт-Джордж-стрит (сегодня Нижний Бродвей), недалеко от здания мэрии.

Рис. 13.2. Первый городской резервуар для воды, построенный в Нью-Йорке в 1829 г.

В то время город начал строить первую городскую систему водоснабжения. В 1829 году был сооружен чугунный цилиндрический резервуар диаметром 43 фута и высотой 20½ фута. Он был установлен на возвышении в восьмиугольном каменном здании (рис. 13.2). Водная поверхность этого резервуара располагалась в 104 футах над уровнем моря. Колодец и паровой насос мощностью 12 лошадиных сил, перекачивавший 21 000 галлонов в день, располагались от резервуара на расстоянии нескольких кварталов. Проект был разработан для защиты от пожаров, трубы имели диаметр 12 дюймов и были выполнены из чугуна. Город не был полностью зависим от Манхэттенской компании; в нем находилось еще около 40 общественных цистерн, откуда пожарные команды могли качать воду. Уже когда Манхэттенская компания начала прокладывать трубы, городской совет рассматривал рекомендации английского инженера Уильяма Уэстона, считавшего, что город должен брать воду из реки Бронкс у табачной фабрики Лориллард. Рекомендации не были приняты, однако Рай-Пондс, истоки реки Бронкс, все же были включены в водохранилище Кенсикокэтскилл-ской системы водоснабжения Нью-Йорка. Только произошло это 118 годами позже, в 1917 году.

В 1830 году обсуждения возобновились, поскольку население города продолжало расти и в 1832 году составило 220 000 человек. Нужен был источник водоснабжения за пределами холмистого острова Манхэттен. Были рассмотрены разные источники, в том числе река Хаусатоник в Коннектикуте, Пассаик в Нью-Джерси и даже Гудзон. Предпочтение было отдано реке Кротон, притоку Гудзона, расположенного в сорока милях к северу от мэрии. На строительство было выделено 2,5 миллиона долларов, и оно началось в 1837 году. Проектом руководил Джон Б. Джервис, впоследствии выдающийся железнодорожный инженер.

В 1842 году, когда население Нью-Йорка составляло 360 000 человек, кротонский водопровод, обеспечивавший 220 галлонов на душу населения ежедневно, представлялся вполне адекватным. Старая кротонская плотина, построенная в 1842 году из гранита, имела высоту 50 футов и очень широкий водослив в 166 футах над уровнем моря. Кротонская вода поступала в город по акведуку из камня и кирпича длиной 45 миль, шириной 7 футов и высотой 8 футов. Акведук был почти параллелен реке Гудзон, и вода текла под одинаковым уклоном, составлявшим около 13 дюймов на милю. Для пересечения реки Гарлем был построен мост из 15 полукруглых арок, похожий на позднеримские конструкции, такие как Сеговия и Пон-дю-Гар. Он располагался на несколько футов ниже линии гидравлического уклона и переносил воду под некоторым давлением по двум 36-дюймовым чугунным трубам, к которым позже добавилась 90-дюймовая железная труба.

Рис. 13.3. Нью-йоркский резервуар для воды на Мюррей-Хилл, угол Пятой авеню и 42-й улицы, 1842 г.

Каменный мост позже был заменен стальным арочным мостом. По достижении Манхэттена акведук следовал вдоль Десятой авеню к приемному резервуару, расположенному в сегодняшнем Центральном парке, а оттуда – в распределительный резервуар на Мюррей-Хилл. Резервуар располагался на западной стороне Пятой авеню. Там сегодня находится Нью-Йоркская публичная библиотека (рис. 13.3). Водная поверхность располагалась в 115 футах над уровнем моря и в 8 футах над крышами домов у подножия холма. Кротонский акведук был достроен в конце 1842 года. Ньюйоркцы были взволнованы, осознав, что чистая и свежая вода теперь доставляется к дверям их домов. Они не сомневались в изобилии источника воды и не думали, хватит ли ее для всего растущего населения. Снабжение водой Бостона в это время было неудовлетворительным, да и филадельфийская вода, которую качали из реки Скулкилл, не была ни чистой, ни качественной. В октябре 1842 года Кротонский акведук наконец был введен в эксплуатацию – не без помпы. Джон Тайлер, президент Соединенных Штатов, возглавил список видных чиновников, которые не смогли присутствовать лично и прислали поздравительные послания. Парад 14 октября был «самой многочисленной и впечатляющей процессией, которую видели американские города». В нем участвовало 4000 пожарных из девяноста двух пожарных компаний. Все они были уверены, что их ручные насосы теперь окончательно устарели. К кротонской воде относились как к напитку будущего для всех ньюйоркцев. На последовавшем за парадом приеме в здании мэрии участники обнаружили, что могут пить или кротонскую воду, или лимонад, но никаких спиртных напитков. Это была хорошо организованная республиканская трапеза. Церемонии завершились одобрительными криками в адрес города Нью-Йорка и кротонской воды. Новой чертой стали великолепные фонтаны в парке мэрии и на Юнион-сквер.

В течение нескольких лет после целого ряда засушливых сезонов водные запасы Кротонского озера были существенно увеличены новыми резервуарами, наполняемыми из реки Кротон или ее притоков. Тем временем городское население продолжало быстро расти. Наконец в 1885–1893 годах был построен новый Кротонский акведук. Его поперечное сечение в виде подковы площадью 160 квадратных футов было втрое больше поперечного сечения старого. Он соединил Кротонское озеро с резервуаром в Центральном парке. Он имел такую же форму, как старый, но был проложен в основном по прямой и почти на всем протяжении проходил по тоннелям. Было выкопано 30 стволов шахт средней глубиной 127 футов, самая глубокая – 400 футов. 30-мильный тоннель был в то время самым длинным в мире и еще долго оставался таковым. Долина реки Гарлем на этот раз была пересечена напорным тоннелем длиной 7 миль и глубиной 300 футов. Вода по нему текла на глубине 420 футов ниже гидравлического уклона. Переправа через реку была воистину беспрецедентным предприятием, ничего подобно раньше не делал никто и нигде. Была пробурена целая система отверстий вниз через разные слои до твердого известняка или гнейса. В прокладке тоннеля было много новых черт. В 1886 году стали использовать лампы накаливания. Была организована вентиляция воздухом, выбрасываемым пневматическими бурильными машинами. В среднем прокладывали от 25 до 40 футов в неделю. В 1892 году, когда завершалось строительство нового Кротонского акведука, население Нью-Йорка увеличилось почти до 2 миллионов человек, а потребление воды – до 100 галлонов на душу населения в сутки. Пропускная способность нового акведука составляла 340 миллионов галлонов в день.

Когда строительство нового Кротонского акведука близилось к завершению, начались работы по сооружению новой Кротонской дамбы. Она располагалась в нескольких милях ниже по течению, чем старая дамба, построенная в 1842 году и имевшая намного меньшие размеры. Эта дамба, общая высота которой составила 300 футов, затопила старую дамбу, подняла уровень воды на 35 футов и превратила Кротонское озеро в водоем длиной 19 миль, вмещающий треть или даже больше от 100 биллионов галлонов, накапливаемых во всей кротонской системе. Новая дамба – грациозная и зрелищная каменная конструкция. В 1905 году, когда ее постройка завершилась, она была самой высокой в мире. Работами руководил Альфонс Фэлей. Но хотя он составил все планы и руководил строительством в течение первых семи лет, он не завершил строительство. Его преемником в 1900 году стал Уильям Р. Хилл, которого, в свою очередь, сменил Дж. Уальдо Смит, который завершил работы.

Несколько лет рассматривался план, многим казавшийся дерзким и даже безрассудным, обеспечения повысившегося спроса из источников в горах Кэтскилл, находящихся в 70–90 милях к северу и в нескольких милях к западу от Гудзона. После масштабных предварительных исследовательских работ, проведенных группой видных инженеров, включая сравнение с другими возможными вариантами, проект наконец обрел форму. Строительство началось в 1907 году и продолжалось до 1937 года. В это время в строительстве было занято ежедневно около 17 000 рабочих. Стоимость намного превысила 250 миллионов долларов. Кэтскиллская система водоснабжения началась как проект обеспечения города Нью-Йорк водой из относительно чистого Эсопус-Крик, притока Гудзона. Здесь, в 14 милях к западу от Кингстона и в 80 аэромилях от Нью-Йорка, была возведена дамба Олив-Бридж, эпохальная конструкция высотой 252 фута, построенная в основном из бетона с заделанными в него большими каменными глыбами (циклопическая кладка) и облицованная бетонными блоками. Так образовалось Ашо-канское водохранилище. Оттуда Кэтскиллский акведук протянулся в южном направлении через округа Ольстер и Орандж к точке, находящейся примерно на полпути между Ньюбургом и Уэст-Пойнтом. Затем он поворачивает на восток, у горы Сторм-Кинг опускается вертикально вниз к точке, расположенной на 1500 футов ниже гидравлического уклона, или линии естественного потока, и проходит на 1100 футов ниже Гудзона в 14-футовом цилиндрическом тоннеле, проложенном в коренной породе. На восточном берегу он поднимается вертикально, снова идет по линии естественного потока, за исключением нескольких обратных сифонов, и доходит до водохранилища Кенсико, что в 3 милях от Белых равнин – Уайт-Плейнс. В этом водохранилище содержится примерно месячный запас воды для города.

На расстоянии 15 миль от водохранилища Кенсико находится водохранилище Хиллвью. На его 98-мильном протяжении среднее понижение Кэтскиллского акведука составляет примерно 2,2 фута на милю. Он приносит воду в водохранилище Хиллвью на возвышении 295 футов над уровнем моря (в сравнении с возвышением старого водохранилища Мюррей-Хилл – 115 футов). Функция водохранилища Хиллвью – устранить разницу между постоянным потоком в акведуке и неравномерным в течение дня потреблением воды в городе. Два глубоких распределительных тоннеля общей длиной 38 миль доставляют воду из водохранилища Хиллвью в несколько районов города. Эти тоннели были пробурены в твердой породе на глубине 750 футов ниже уровня земли или 500 футов ниже уровня моря и облицованы бетоном. Один из тоннелей следует вдоль острова Манхэттен, другой, расположенный восточнее, снабжает водой Квинс и Бруклин. Тоннели встречаются в Бруклине и оттуда по чугунным и стальным водоводам, проложенным под проливом Нэрроуз, доставляют воду, текущую под действием силы тяжести, к конечной точке, водохранилищу Силвер-Лейк на Статен-Айленд в Ричмонде, на возвышении 228 футов над уровнем моря.

Две черты Кэтскиллского акведука представляют особенный инженерный интерес. Одна находится глубоко под землей, другая – на открытом воздухе, и ее могут увидеть все желающие. Подземная черта – это напорный тоннель длиной 3000 футов под Гудзоном. При пересечении реки необходимо было изучить характер дна на несколько сотен футов вниз, поскольку надежный напорный тоннель нельзя пробурить через ледниковые отложения или трещиноватую породу. Двадцать четыре вертикальных отверстия было пробурено с барж на реке, но они дали только неубедительные свидетельства состояния дна. Тогда были использованы керновые алмазные буры, два с каждой стороны, для бурения четырех отверстий под разными углами. Эти скважины достигли центра реки на глубине 900 и 1450 футов под уровнем моря соответственно. Только тогда инженеры получили полную информацию, позволившую им спроектировать горизонтальный тоннель на глубине 1100 футов под рекой. Он имеет круглое поперечное сечение, диаметр 14 футов и отделан обычным бетоном – не железобетоном, средней толщиной 17 дюймов. Давление воды на стены составляет более 600 фунтов на квадратный дюйм.

Вторая черта касается чистоты воды. В Кэтскиллском акведуке вода течет под воздействием силы тяжести и поступает в большинство районов города. Она берет начало в малонаселенных районах, где почти нет известняка, и потому является такой удивительно чистой, что не нуждается в фильтрации. Однако она фильтруется, хлорируется и аэрируется при выходе из Ашоканского водохранилища и еще раз – при выходе из водохранилища Кенсико. В каждой из этих точек вода из 1599 выходных отверстий аэратора подбрасывается высоко в воздух, создавая облако водяной пыли – эффектное зрелище. Аэрация высвобождает любые газы в воде, имеющие запах, и насыщает ее кислородом.

Древние римские акведуки, описанные в главе 4, имели простое прямоугольное поперечное сечение. Акведук Кэтскилл по большей части имеет форму подковы с немного вогнутым полом и арочную крышу – все выполнено из бетона без армирования. Такое экономичное поперечное сечение использовалось там, где акведук следовал вдоль гидравлического уклона и располагался или близко к поверхности земли, или в тоннеле – всего около 69 миль. Ни одна часть этого акведука не поднята на высокие арки, как Старый Кротон при пересечении долины реки Гарлем.

Рис. 13.4. Поперечные сечения римских и нью-йоркских акведуков

В Кэтскиллском акведуке использованы обратные сифоны почти при всех пересечениях рек. Говоря в общем, там, где акведук следует под поверхностью земли, скажем, 55 миль, это прославленная версия обоих кротонских акведуков. Там, где акведук опускается вертикально на сотни футов вглубь земли, переносит воду по глубоким напорным тоннелям или обратным сифонам, Кэтскиллский акведук является расширенной версией Гарлемского сифона, самой «дерзкой» части Нового Кротона. В поперечном сечении Кэтскиллский акведук (рис. 13.4) примерно наполовину больше Нового Кротона и в пять раз больше Старого Кротона. По Старому Кротону может пройти высокий человек, не сгибаясь, а по Новому Кротону – проехать небольшой автомобиль. Что касается Кэтскиллского акведука, в него вполне поместится поезд. Пропускная способность Старого Кротона составляла 90 миллионов галлонов в день, Нового Кротона – 340 миллионов галлонов, Кэтскилла – более 600 миллионов.

Выше Ашоканского водохранилища к Кэтскиллскому акведуку в 1926 году было пристроено 34-мильное ответвление в северо-западном направлении, чтобы брать воду из Шохари-Крик. Этот ручей течет на север в реку Мохок. Основная черта этого ответвления – 18-мильный Шандакенский тоннель, большая часть которого проходит по гидравлическому уклону. Это первый пример в истории, когда вода переносилась через водораздел между двумя реками, текущими в разных направлениях.

Первая кэтскиллская вода поступила в город в 1917 году. Почти сразу стало ясно, что, учитывая быстрый рост населения, очень скоро понадобится дополнительное водоснабжение. Были проведены исследования и выбрано несколько обширных и малонаселенных водосборных площадей, расположенных к западу от тех, что снабжали Кэтскиллский акведук, все на притоках реки Делавэр. Делавэрский акведук протянулся на юго-восток от Рондутского водохранилища, в 10 милях к востоку от Либерти, штат Нью-Йорк, и, как и Ашоканское водохранилище, в 85 аэромилях от городской мэрии Нью-Йорка. Из этого водохранилища акведук шел прямо, пересек сначала Кэтскиллский акведук, а потом реку Гудзон в пяти милях выше по течению Ньюбурга и добрался до водохранилища Вест-Бранч, что на верхних подходах к Кротонскому водоразделу в округе Путнэм. Отсюда он протянулся на юг мимо водохранилища Кенсико к водохранилищу Хилл-Вью. Его он миновал в глубоком тоннеле, расположенном на глубине от 300 до 1000 футов под поверхностью. В своей самой глубокой точке он располагается на 660 футов ниже уровня моря, или на 1500 футов ниже поверхности Рондутского водохранилища. Тоннель круглый, его внутренний диаметр варьируется от 13½ до 19½ фута, то есть он чуть больше, чем напорные тоннели Кэтскиллского акведука. Шахты расположены на расстоянии 1,8–5,2 мили друг от друга, самая глубокая – 1551 фут. Скорость прокладки тоннеля – 135–270 футов в неделю, что немало в сравнении с 25–40 футами в неделю на Новом Кротоне и 55–70 футами в неделю на Кэтскилле. Увеличившаяся скорость отражает шестидесятилетний прогресс в методах и технике землеройных работ. Общая длина Делавэрского акведука и одного из двух городских тоннелей – 105 миль (рис. 13.5). Это был самый длинный тоннель в мире.

Рис. 13.5. Акведуки Нью-Йорка с указанием источников

Не вся вода Нью-Йорка доставляется в город по Кротонскому, Кэтскиллскому и Делавэрскому акведукам. Небольшая часть все еще поступает с песчаного Лонг-Айленда, что к востоку от Бруклина. До того как Бруклин стал районом Нью-Йорка, он снабжался водой из большого количества прудов и глубоких колодцев на своей территории. Некоторые из них принадлежали частным компаниям. Вода требовала перекачивания и очистки. Самая крупная система – Риджвудская. Она поставляла почти 100 миллионов галлонов в день – обеспечивая треть потребностей. Большинство этих систем до сих пор входят в общую систему водоснабжения Нью-Йорка.

Возрастающее потребление изрядно опустошало запасы воды во время засух. Поэтому были приняты меры предосторожности для получения дополнительной воды из реки Гудзон вблизи Челси, в нескольких милях от Покипси. Эта поставка в случае крайней необходимости могла достичь 100 миллионов галлонов в день. Поскольку речная вода, хотя и не соленая, не отличается вкусовыми качествами и не является чистой, ее следовало профильтровать и хлорировать, прежде чем допустить в акведук.

Сброс сточных вод

Канализационные трубы изначально предназначены для отвода ливневых вод. Знаменитая Cloaca Maxima в Древнем Риме являлась главным образом коллектором для ливневых вод. Отходы человеческой жизнедеятельности и другие агрессивные жидкости или засыпали землей, или вывозили власти или частные предприятия. Только после повсеместного распространения уборных, через несколько лет после нового изобретения Джозефа Брама в 1778 году, стали появляться зловонные выгребные ямы или же сточные воды разбавляли и сливали в ближайшие водоемы. Когда это стало повсеместной практикой, муниципальные инженеры начали строить санитарные канализационные системы. После разрушительного пожара, уничтожившего значительную часть города, построили полноценную канализационную систему, которую каждую неделю промывали речной водой. Чесбро начал строить такую же систему для Чикаго в 1855 году. Двумя годами позже Джулиус Уокер Эдамс (1812–1899) создал для Бруклина канализационную систему, сброс которой велся в приливно-отливные воды.

Эдвин Чэдвик в Англии (1800–1890) предложил проложить на каждой улице по две канализационных трубы, одну для ливневых вод, другую для отходов человеческой жизнедеятельности. Джон Филлипс выступал за такое усовершенствование в 1847 году. Другие чиновники тоже понимали необходимость кардинального решения проблемы сточных вод. Но только в 1880 году наметился реальный прогресс. Города Пуллман, Иллинойс и Мемфис, Теннесси, в 1880 году стали первыми американскими сообществами, получившими такие двойные системы. Во второй половине XX века в США в четыре раза больше городов получили раздельные канализационные системы, а не единую канализацию, но только опыт показал, что полное разделение практически неосуществимо. Лондон впустил сточные воды в ливневую канализацию в 1815 году, Бостон – в 1833 году, Париж – в 1880 году. Но к тому времени люди уже стали подозревать, что зло, от которого они вроде бы избавились благодаря канализационным трубам, возвращается обратно через колодцы и водопроводные краны.

Практика направления сточных вод в открытых канавах на пахотные земли, возможно, старше, чем сама документированная цивилизация. Существовали земледельческие поля орошения в Англии, Америке, Японии и Китае, но такой принцип работает только в засушливых регионах на обширных песчаных почвах. Практика впервые была опробована в Америке в 1872 году. Но эта идея была опасна, так же как и неприятна для потребителей. Ни один фермер, использующий для удобрения коровий навоз, не станет во всеуслышание заявлять, что удобряет землю для выращивания овощей также человеческими экскрементами. Всегда есть шанс, что болезнетворные микроорганизмы не были окончательно уничтожены природой.

В соответствии с открытиями экспериментальной станции Лоуренса, в 1889 году в городе Вустер, штат Массачусетс, был построен химический отстойник. В нем использовались принципы, которые уже несколько лет развивались в Британии. Железистые соединения, такие как треххлористое железо, связывали осадок, оставляя сравнительно чистую жидкость. Высушивание осадка в открытых емкостях началось в 1891 году, и к 1894 году появились биофильтры, которые, благодаря впрыскиванию отходов в атмосферу, успешно ускоряли бактериологическую реакцию и оксидирование, жизненно важные для обеззараживания отходов. С годами процесс очистки канализационных вод все более усложняется. В большинстве сообществ сточные воды представляют собой смесь домашней канализации и промышленных отходов. Стандарты чистоты варьируются в зависимости от того, куда сбрасывают отходы – в озеро, реку или море. Методы очистки разные, но итог один – устранение вредных примесей и уничтожение болезнетворных микроорганизмов. Благодаря использованию современных технологий можно превратить жидкие отходы в чистую воду. Около 1918 года власти Нью-Йорка построили для Маунт-Киско, тогда деревни с тремя тысячами жителей, предприятие по переработке отходов, которое должно было очистить сточные воды для возможности их сброса в один из притоков кротонской системы водоснабжения Нью-Йорка. Предприятие было необычным, и город не жалел на него средств. Сточные воды попадали сначала в септик, потом фильтровались и хлорировались. Получалась чистая вода.

Реки и каналы

Ренессанс водной энергии, начавшийся с первой в мире гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде, построенной в 1895 году, привел к сооружению крупнейших в мире плотин. Некоторые из этих гигантских плотин не только обеспечивали снабжение электричеством, но и давали воду для городов, ирригации, навигации и способствовали контролю разлива рек. Инженеры увеличивали количество пахотных земель, обеспечивая водой засушливые регионы, одновременно предотвращая затопление других регионов, а также осушая болота. Тем самым инженеры вносили свой вклад в увеличение производства продовольствия.

Лодочные каналы стали важными транспортными путями, сопровождавшими промышленную революцию. В середине XIX века железные дороги в основном вытеснили лодочные каналы в США, хотя в Европе некоторые из них существуют до сих пор. Правда, новые лодочные каналы после 1850 года не строились, но были проведены дноуглубительные работы на некоторых реках, которые в результате стали пригодными для судоходства. После 1850 года начали строить качественно иные крупные судоходные каналы, для чего пригодился накопленный инженерный опыт строительства лодочных каналов.

Инженеры всегда старались сделать реки пригодными для судоходства. Но только после начала промышленной революции регулирование русла рек превратило их в эффективные водные артерии.

В главе 9 упоминается New Orleans – первый пароход, ходивший по рекам, к западу от Аллегейни. Когда в 1811 году, спустя четыре года после исторического путешествия Фултона на Гудзон, Николас Дж. Рузвельт покинул Питтсбург на судне проекта Фултона и направился в Новый Орлеан, расположенный на расстоянии 2000 миль, он изрядно рисковал. Путешествие, длительностью несколько недель, должно было проверить судовую силовую установку парохода, такого как тот, что совершил короткий рейс по спокойному Гудзону. Самая большая проблема Рузвельта заключалась в нахождении извилистого судоходного канала и удержании судна внутри его. Ему пришлось миновать несколько бурных каменистых порогов на Огайо и бесчисленное количество мелких рукавов и крутых излучин на Миссисипи с непредсказуемыми отмелями и бродами. Но, даже отыскав канал и справившись с отмелями, ему приходилось постоянно уклоняться от топляков и коряг. Эти корни или стволы деревьев, которые река подмыла и отправила на дно, легко могли затопить его судно в любой момент и без предупреждения. Пока мореплаватель не увидел гигантские дамбы, протянувшиеся примерно на 100 миль выше Нового Орлеана, он не заметил никаких попыток регулирования русла. На самом деле многие дамбы были построены отдельными плантаторами, чтобы предохранить от затопления богатые плодородные земли. Некоторые из них были возведены еще при французах, когда власти требовали, чтобы владельцы земель на берегу строили их и поддерживали в исправном состоянии. Но такие дамбы не оказывали никакой помощи судоходству. Карта города Nouvelle Orleans, датированная 1728 годом, показывает вдоль водного фронта La Levee, что является сокращением от la levee de terre – поднятая земля. Генри М. Шрив в 1814 году совершил путешествие на 80-футовом судне Enterprise между Питтсбургом и Новым Орлеаном. В 1816 году появился Washington, ставший прототипом пароходов, курсировавших по Миссисипи в течение многих поколений. Как и другие крупные реки, Миссисипи в 100 милях от Нового Орлеана впадает через обширную дельту в Мексиканский залив. Река вливается в залив через шесть рукавов. В головной части рукавов, там, где широкая и глубокая река начинает разветвляться, сформировалась обширная мель. Еще в первые годы заселения Луизианы люди столкнулись с проблемой мелководья. В 1723 году, когда французскому городу Nouvelle Orleans едва исполнилось пять лет, французский инженер Адриан де Паугер, используя каноэ, выполнил для французского колониального правительства обследование низовьев реки и составил план укрепления южного рукава. В своем отчете он упоминает мель, над которой всего 8 или 9 футов воды. Он предложил перегородить другие рукава затопленными судами и стволами деревьев, принесенными течением, и построить дамбы или насыпные косы, которые будут служить причалами и регулировать течение реки. Он утверждал, что, если это сделать, рукав постепенно углубится. Инженер считал, что для этого не потребуется слишком больших расходов, потому что хорошее дерево вполне доступно. Оптимист де Паугер на полтора века опередил свое время.

В дельте не проводились никакие дноуглубительные или берегоукрепительные работы до 1874 года, когда Джеймс Б. Идс построил мост в Сент-Луисе, в 1250 милях выше по течению. В низовьях реки, от Батон-Руж и далее, глубина была не менее 40 футов, хотя в некоторых местах она была всего 16–18 футов. Для клиперов 1850-х годов этой глубины было достаточно. Идс заключил контракт с правительством Соединенных Штатов на углубление южного рукава до 30 футов и поддержание этой глубины в течение 20 лет. Дноуглубление было выполнено, и в 1879 году начался оговоренный двадцатилетний период. Последний платеж наследники Идса получили в 1900 году. Но и сегодня периодически требуется проведение дноуглубительных работ.

План Идса был прост и не слишком отличался от плана де Паугера, составленного в 1723 году. Он заключался в драгировании мелей на концах южного рукава и постройке дамб вдоль каждого берега, тем самым заставляя сужающуюся реку пробивать для себя более глубокий канал. Дамбы разделяло расстояние в 1000 футов. Их начали строить, последовательно погружая в воду слои матов из переплетенных ивовых прутьев в каркасе из стволов желтой сосны. Когда достаточное количество этих матов было вдавлено в мягкое дно камнями, на них стали устанавливать бетонные дамбы-пристани, которые выступали на несколько футов над уровнем воды. Нечто подобное было сделано раньше на Сулинском рукаве Дуная. Общая длина пристаней составила около 4 миль. Юго-западный рукав, изначально бывший несколько шире южного, был обустроен после 1900 года и сейчас наиболее часто используется для прохода через дельту.

В 1820 году конгресс санкционировал первое комплексное обследование рек Миссисипи и Огайо. В результате обследования военные инженеры рекомендовали очистить обе реки от топляков и других препятствий, и конгресс выделил на это деньги. Эта трудная работа шла в течение нескольких лет до 1826 года, когда Генри М. Шрив был назначен руководителем работ по улучшению западных рек. За несколько лет до этого Шрив спроектировал и построил уникальный двухкорпусный теплоход для буксировки гигантских деревьев из канала с помощью лебедок и очистки от коряг. Это специализированное судно, первое в своем роде, – Heliopolis – стало самым ранним применением инженерной мысли к очистке рек Миссури и Огайо.

Река Огайо на участке между истоком в районе Питтсбурга, Пенсильвания, и Кайро, Иллинойс, где она сливается с Миссисипи, очень рано представляла серьезные навигационные проблемы, не только из-за топляка и других аналогичных препятствий, но также из-за порогов и мелей. Проблема мелей стала предметом исследования, выполненного в 1821 году группой инженеров, назначенной конгрессом для осмотра западных рек. На основании доклада этой группы конгресс в 1824 году издал акт, санкционировавший эксперименты на некоторых мелях. Их целью было определение практической целесообразности схемы строительства плотин, для концентрации потока воды на ограниченной ширине, чтобы он пробивал себе русло вглубь. Первая экспериментальная фланговая дамба была построена на острове Хендерсон в низовьях Огайо. Благодаря этой дамбе минимальная глубина канала при низкой воде увеличилась с 20 дюймов до 3 футов. Второй эксперимент был проведен Генри М. Шривом в районе Гранд-Чейн, тоже в низовьях Огайо, в 1830 году. Результат оказался маловажным.

Только много лет спустя появился план превращения реки в судоходную на всем ее протяжении и при любых условиях. В 1870-х годах группа военных инженеров была отправлена за границу для изучения методов регулирования русла рек во Франции. В результате появились разборные щитовые плотины, созданные по французскому образцу. В этих плотинах судоходные проходы открывались при высокой воде. Первая из дамб в районе острова Дэвиса, в 5 милях ниже по течению Питтсбурга, была построена в 1885 году. Теперь река Огайо судоходна на всем своем протяжении, 980 миль, между Питтсбургом и Кайро, для судов с осадкой не больше 9 футов. На ней 53 дамбы, каждая со своим шлюзом, 110 на 600 футов, и навигация при стоячей воде для судов с осадкой не более 9 футов разрешена на всем протяжении. Общая высота падения реки составляет 430 футов, и глубокие участки варьируются по длине от 5 до 55 миль, в среднем – 18. Средняя разница уровней между последовательными участками – подъем в шлюзе – составляет менее 8 футов.

Первое использование Миссисипи для получения энергии имело место в 1823 году. В том же году у водопада Святого Антония правительство США построило лесопилку и мельницу для помола муки. Эта мельница положила начало промышленности, которая впоследствии прославила Миннеаполис. Пароходы пошли по Миссисипи после рейса New Orleans, который вышел из Питтсбурга в октябре 1811 года и добрался до Нового Орлеана в январе 1812 года. Навигация в верховьях реки началась с двадцатидневного рейса Virginia в 1823 году из Сент-Луиса в Сент-Пол. В это время ниже по течению водопада Святого Антония было несколько порогов, в том числе у Рок-Айленда и Кеокук. На остальном протяжении уклон реки был относительно небольшим и одинаковым. У Рок-Айленда река разделяется на два рукава, которые текут по обеим сторонам острова, на котором расположен арсенал Соединенных Штатов. В нормальных условиях 15-футовое падение при низкой воде происходит здесь на расстоянии 2 миль. Первое энергетическое строительство на Рок-Айленде началось в 1843 году. Были сооружены низкая дамба и водяные колеса в головной части острова на западном канале. В 1846 году была построена вторая энергетическая установка на другом канале. После ряда перемен три дамбы в этом месте производили несколько тысяч киловатт электроэнергии для гидроэнергетической компании Молина, правительственного арсенала и операций на шлюзах.

Пороги Кеокука, что в 120 милях ниже по течению, были исследованы юным лейтенантом Робертом Ли в 1837 году. В результате на канале в течение нескольких лет выполнялись дноуглубительные работы. После гражданской войны навигация в районе Кеокука улучшилась благодаря боковому каналу длиной 7 миль с тремя шлюзами, 80 на 250 футов каждый. Этот канал был открыт для судоходства в 1877 году. Это был весьма значительный инженерный проект того времени, обеспечивший минимальную навигационную глубину 5 футов. В 1913 году в районе Кеокука была построена гидроэлектростанция, в то время крупнейшая в мире. Установленная там бетонная дамба имела длину 4649 футов и высоту 34½ фута. Собственно электростанция вмещает 30 турбин мощностью 10 000 лошадиных сил, 15 из которых были установлены изначально. Шлюз для обеспечения судоходства имеет размер 110 на 400 футов. Он заменил старый канал. Между Сент-Луисом и Сент-Полом-Миннеаполисом теперь насчитывается 26 низких дамб. Гидроэнергетика, как уже отмечалось, развивалась только на Кеокуке и в гораздо меньшей степени на Рок-Айленде. Каждая из 26 дамб имеет шлюз или шлюзы, которые обеспечивают навигацию на всем протяжении реки при осадке не более 9 футов. На дамбах имеются управляемые водосливы и роликовые ворота – новшество в этой стране.

Драгирование началось в последней четверти XIX века. Элементарная паровая драга использовалась в Англии еще в конце XVIII века, но она не слишком успешно выполнила дноуглубление в гавани Сандерленда и в 1804 году была переделана: на ней установили другой двигатель – Boulton & Watt – мощностью 6 лошадиных сил. В том же году Оливер Эванс в Филадельфии построил Orukter Amphibilos – машину двойного действия для очистки портового бассейна. Это была первая американская драга. Первые попытки углубить фарватер на Миссисипи оказались неумелыми и, как правило, неэффективными. По большей части это было нечто вроде боронения, рыхления и т. д. В 1880-х годах дноуглубительные работы начались снова и с тех пор велись регулярно. Цепная землечерпалка – самый ранний тип, – доказавшая свою эффективность на Суэцком канале, Клайде и других европейских реках, в Соединенных Штатах почти не применялась. В конце века на Миссисипи велись дноуглубительные работы с использованием одноковшовых землечерпалок. Однако чаще всего в этом регионе использовали гидравлические или всасывающие землечерпалки. Первую построил Идс в 1877 году в Питтсбурге по своему проекту. Судя по всему, впервые такие земснаряды были предложены французским инженером-гидротехником Анри Эмилем Базеном в 1867 году. Генерал К.А. Гилмор впервые использовал такую машину в Америке в 1871 году для углубления фарватера на реке Сент-Джонс во Флориде. Он назвал ее центробежным дренажным насосом. Некоторое время ее использовали для поддерживающего дноуглубления на южном рукаве, после чего их использование на Миссисипи распространилось широко.

Другая операция по совершенствованию навигационных условий – спрямление и укорачивание речного русла. Самая ранняя попытка укоротить русло была предпринята в дни Шрива в устье Ред-Ривер и не стала успешной. Позднее на некоторых участках в низовьях Миссисипи были спрямлены излучины. После 1929 года фарватер между Батон-Руж и Мемфисом был также спрямлен. В районе Гринвиля пять резких изгибов реки были заменены двумя плавными кривыми. Целесообразность спрямления излучин много лет была вопросом в высшей степени спорным. Были инженеры, активно выступавшие против этого. С 1928 года на американской экспериментальной станции по изучению водных путей начали подробно изучать спрямление фарватеров и другие проблемы, связанные с регулированием рек. Исследовательские работы такого размаха раньше никогда не производились. Здесь на обширной территории создавались в масштабе модели любых участков рек. Руководствуясь этими исследованиями, а также накопленными за много лет статистическими материалами, инженеры могли с большой долей уверенности предсказать, какое влияние те или иные работы на русле окажут на всю реку. В XX веке на многих притоках Миссисипи появились удерживающие резервуары, а в низовьях – водосливы, чтобы служить дополнительными каналами, в которые во время разлива могут сливаться поднявшиеся воды реки. Однако основной мерой предотвращения наводнений на Миссисипи остается проверенная временем система дамб и запруд. Вдоль 1000 миль основного русла от Кейро до залива после 1850 года построено более 1600 миль дамб. Кроме того, после 1880 года было построено несколько сотен миль защитных береговых насыпей. Они расположены в 97 стратегически важных пунктах и служат для защиты от эрозионного воздействия воды, размыва и изменения русла.

В 1953 году американские военные инженеры устранили последнее крупное препятствие для судоходства по Миссисипи. Цепь камней, расположенная к северу от Сент-Луиса, всегда мешала судоходству. Канал «Цепь камней» длиной 8,3 мили имеет среднюю глубину 32 фута, ширину по дну 300 футов и ширину по поверхности 550 футов. Его главный шлюз является крупнейшим в Западном полушарии. Этот шлюз шириной 110 футов может поднять или опустить 1200-футовый караван из барж.

Судоходные каналы служат двум целям. Одни обеспечивают судам доступ туда, куда они иначе не могли бы попасть, другие, такие как Суэцкий канал, сокращают расстояние, которое суда должны пройти между двумя точками. Суэцкий канал сокращает расстояние от Ливерпуля до Бомбея с 10 680 миль до 6223 миль, обеспечивая существенную экономию времени в пути и топлива. Мы уже упоминали о попытках соединить низовья Нила с Красным морем. Позже были и другие попытки – Дария в V веке до н. э., Птолемея Филадельфа двумя веками позже, Траяна во II веке н. э. В римские дни по Нилу велось активное судоходство, и этот канал, соединив регионы Средиземного и Красного морей, мог сократить путь даже в далекую Индию и Китай. Наполеоновский инженер Лепер, сообщивший в 1798 году, что Красное море выше Средиземного, отсрочил неизбежную попытку проложить канал через Суэцкий перешеек и, таким образом, обеспечить более прямой и короткий водный путь на восток. Поколением позже появление пароходов сделало такую необходимость еще более насущной. В 1840-х годах британцы хотели построить железную дорогу через перешеек. Французы настаивали на постройке канала.

Суэцкий канал в значительной степени обязан своим появлением французскому дипломату Фердинанду Мари де Лессепсу (1805–1894). Он предсказал его появление в 1852 году. Строительство началось в 1859 году и завершилось десятью годами позже. Лессепс трудился в своей области – дипломатии и финансов, и его энтузиазм оказался заразным. В самой работе не было особых инженерных трудностей. На всем протяжении канала – его длина 101 миля – нет ни одного шлюза. Самая большая возвышенность, которую надо было преодолеть строителям, – 50 футов над уровнем моря. Пятая часть канала прошла по мелким естественным озерам. Канал довольно ровный. А в северной части практически прямой. В начале работ в распоряжении строителей была только элементарная техника и оборудование. Грунт часто выносили на своих плечах малооплачиваемые рабочие, в том числе женщины. Несколькими годами позже принудительный труд был ликвидирован. Появились современные машины, в том числе цепная драга (рис. 13.6). Они оказались удобными и эффективными. На самом деле опыт, полученный на строительстве Суэцкого канала, оказался бесценным для развития землечерпательной и перегрузочной техники во всем мире. Начальная стоимость канала составила почти 150 миллионов долларов. Опера Верди «Аида» была написана специально к празднованию его открытия в 1869 году.

Рис. 13.6. Дноуглубительные работы в Суэцком канале

Его первоначальная глубина составила 27 футов. По каналу 1869 года было бы трудно пройти Great Eastern, поскольку осадка судна составляла 26 футов. Канал неоднократно расширялся и углублялся и в 1950-х годах уже принимал суда с осадкой до 34 футов. Из-за наносных песков дноуглубительные работы приходилось вести постоянно. Благодаря наблюдениям и точным измерениям было установлено, что уровень Средиземного моря находится выше уровня Красного моря на 10 дюймов. Пропускная способность и полезность канала были увеличены благодаря добавлению обходного пути, так что теперь на протяжении нескольких миль суда идут по двум изолированным каналам – один для потока, следующего в северном направлении, другой – для потока в южном направлении. Современная ширина канала по поверхности воды составляет от 400 до 500 футов.

Фантастические мечты о прокладке канала через 40-мильный Панамский перешеек будоражили инженерные умы начиная с XVI века. Конкретные планы стали вырисовываться в 1825 году, примерно за сто лет до того, как канал стал реальностью. Мексиканская война и находка золота в Калифорнии указали американцам на важность совершенствования коммуникаций между побережьями. Путешествие по суше было долгим и утомительным, а по морю – вокруг мыса Горн – еще и опасным. В 1848 году – это был год разгара золотой лихорадки в Калифорнии – была создана компания для постройки железной дороги через самую узкую часть перешейка. Два молодых подрядчика – Джордж М. Тоттен и Джон Траутвейн, впоследствии ставшие известными инженерами, произвели все необходимые исследования и стали руководителями строительства Панамской железной дороги. Строительство началось в 1850 году и завершилось спустя пять лет. Оно обошлось в 8 миллионов долларов и стоило жизни 1200 рабочим, в основном неграм, китайцам и ирландцам. Железнодорожная линия пересекла Кулебрскую выемку на высоте 287 футов над уровнем моря. 48-мильная дорога с самого начала оказалась прибыльным предприятием, особенно в годы, предшествовавшие открытию трансконтинентальной линии в 1869 году.

Французы в 1876 году организовали компанию для постройки канала через перешеек, следовавшего вдоль линии железной дороги, которую они приобрели в 1881 году за 20 миллионов долларов. Движущей силой предприятия был стареющий Фердинанд де Лессепс, гениальный неунывающий оптимист, завершивший строительство Суэцкого канала. Де Лессепс не был инженером. Он не любил инженеров. Зато он умел, как никто другой, не замечать или сводить на нет все трудности. Между тем французы в 1882 году с истинно галльским энтузиазмом приступили к постройке канала, поручили это дело своим лучшим инженерам и подрядчикам и занимались им в течение двадцати лет. Они потратили на это более 200 миллионов долларов. Говорят, что треть этой суммы пошло непосредственно на строительство, еще треть была потрачена без пользы и остальное было разворовано мелкими чиновниками. Тем не менее канал был построен только на 40 процентов, когда Соединенные Штаты в 1903 году заплатили французам 40 миллионов долларов за канал и железную дорогу. Французский план был пересмотрен. Канал начал эксплуатироваться в 1914 году, хотя строительство было завершено только в 1920 году. Он обошелся Соединенным Штатам в 500 миллионов долларов. Джеймс Брайс однажды назвал Панамский канал самой большой вольностью, которую человек позволил себе с природой.

Французам не удалось построить канал отчасти из-за того, что они разработали экстравагантно дорогостоящий проект, который не смогли финансировать. Второй фактор, не менее важный, – то, что рабочие на строительстве умирали тысячами от желтой лихорадки и малярии, как египтяне во времена Нехо. Успех американцев объясняется не только щедрым финансированием, но и двумя монументальными открытиями в области медицины, совершенными в 1898 и 1900 годах. Речь идет о малярийном комаре Anopheles и комаре Stegomyia fasciata, переносящем желтую лихорадку. Американский полковник, впоследствии генерал Уильям Кроуфорд Горгас (1854–1920) организовал уничтожение комаров во всем районе, где велось строительство канала, и ликвидировал эти две болезни, из которых самой страшной была желтая лихорадка.

Трудности, которые пришлось преодолевать в Панаме, были огромны. Как установили на собственном опыте французы, ее климат был смертелен для большинства рас. Тем не менее президент Теодор Рузвельт всячески поддерживал проект. Работы начались в 1904 году, и Джон Ф. Стивенс (1853–1943), назначенный в 1905 году главным инженером, осуществлял общее руководство. Стивенс подал в отставку в 1907 году, и полковник, затем генерал Джордж Вашингтон Гуталс (1858–1928) стал его преемником. Он довел строительство до конца. На атлантической стороне протекает бурная река Чагрес, которую следовало обуздать. Далее следовал Континентальный раздел, хребет высотой 312 футов, который следовало преодолеть, прежде чем канал дойдет до Тихого океана. Инженеры блокировали Чагрес большой дамбой, образовав внутреннее Готунское озеро с береговой линией длиной 1100 миль на высоте 85 футов над уровнем моря. Канал через это озеро – средняя часть самого Панамского канала.

Рис. 13.7. Землечерпалка, поднимающая 20-тонный камень со дна Кулебрской выемки на Панамском канале

За Готунским озером Кулебра была пройдена через хребет. Подобные работы – выемка грунта до глубины 272 фута – еще не проводились нигде и никогда. Хребет состоял из материала неопределенного и совершенно непредсказуемого, и многочисленные сдвиги и оползни годами испытывали терпение инженеров, даже после того, как строительство канала было полностью завершено. Даже в 1955 году оползни все еще продолжали угрожать каналу. Выемка и транспортировка такого материала являлась большой проблемой. Строительство Панамского канала ускорило развитие крупного машиностроения для выемки и переработки разных материалов. При строительстве Суэцкого канала двумя поколениями раньше было сделано то же самое, но в меньшем масштабе (рис. 13.7).

Для того чтобы достичь высоты 85 футов над уровнем моря, с атлантической стороны было построено три двойных ступенчатых шлюза камерами 110 на 1000 футов. Еще три было построено на тихоокеанской стороне. Всего получилось двенадцать шлюзовых камер, по шесть в каждом направлении. Готунское озеро обеспечило большую часть воды для шлюзования. Оказалось, что ее недостаточно в засушливые периоды, и для увеличения запаса воды пришлось перегородить плотиной реку Чагрес возле истока и направлением вод из верховьев Чагреса в Готунское озеро. Над конструкцией шлюзовых ворот инженерам тоже пришлось немало поломать голову. Первое судно прошло по каналу в августе 1914 года, но вскоре после этого из-за оползней канал был закрыт, и движение возобновилось только в 1915 году.

Около 65 процентов движения через Панамский канал составляет поток между Атлантическим и Тихоокеанским побережьем Центральной и Северной Америки. Расстояние от Нью-Йорка до Сан-Франциско через канал составляет лишь 40 процентов пути между этими городами через Магелланов пролив. 30 процентов судов, идущих через канал, следуют из Европы на Тихоокеанское побережье и обратно. Расстояние от Ливерпулся до Сан-Франциско через канал составляет 58 процентов пути между этими городами через Магелланов пролив.

Ирригация и мелиорация

Как и человек, растения не могут жить без воды. Но они не выживают и если ее слишком много. Ирригационные работы, вероятно, начались в период между 6000 и 4000 годами до н. э. на Ближнем Востоке. В течение шести или семи тысячелетий инженеры разных стран увеличивали производство продуктов питания, обеспечивая подачу воды на земли, как правило, слишком засушливые, чтобы культивировать растения. Сдерживание потоков воды от разлива рек, чтобы они не затопили урожай, началось несколько позже. Самый яркий долгосрочный мелиорационный проект разработали в Голландии. В нем речь идет не только о контроле за разливами рек, но и о восстановлении земель в самом полном смысле этого слова.

Вероятно, самые ранние североамериканские ирригационные проекты велись испанцами в Мексике во второй половине XVI века. Несколько монахов с инженерным складом ума, августинцев и францисканцев, разработали и построили не только ирригационные и мелиорационные сооружения, но также монументальные акведуки, напоминающие римские акведуки, которые они могли видеть в Испании. Один из самых важных мексиканских акведуков, построенных во второй половине XVI века, это акведук Семпоала – детище падре Франциско Темблеке. По нему подавалась вода в основном для домашнего использования, но и для ирригации тоже, на 28 миль или больше, в маленький городок Отумба, что между городами Мехико и Веракрус. Открытый водовод по большей части следовал рельефу местности, за исключением трех низин, которые он пересек на высоте, местами превышающей 100 футов. Для этого были построены каменные арки в количестве соответственно 13, 47 и 67. Канал для воды был очень маленьким – площадь поперечного сечения составляла меньше квадратного фута. Утверждают, что акведук прослужил 123 года. Известно, что водоснабжение временно прерывалось в XVII веке, но никто не знает, когда оно прекратилось совсем. Арки были сфотографированы в 1888 году – и они еще стояли. Интересно, что конструкция находится в сейсмоопасном районе.

Только через три столетия после строительства акведука Семпоала начались первые ирригационные работы в Соединенных Штатах – на расстоянии 1500 миль к северу от Мехико. Между 1860 и 1870 годами мормоны Юты соорудили 277 каналов общей протяженностью 1043 мили, обеспечив водой 115 000 акров. Юта стала штатом только в 1896 году, а сотрудничество с США датируется 1902 годом. Откуда у мормонов инженерный опыт в строительстве каналов, точно не известно. Возможно, они видели или участвовали в строительстве в штате Нью-Йорк или в Великобритании. Не исключено, что они начали с использования самых элементарных инструментов и двигались дальше методом проб и ошибок. В начале XX века в западных штатах было построено несколько высоких плотин, чтобы обеспечить воду для орошения. Самая значительная из них – дамба Эрроурок, возведенная в 1915 году на реке Бойсе в Айдахо, еще одна – в 1932 году на реке Овайхи в Орегоне. Последняя впервые превысила высоту 400 футов.

В 1936 году в США был выполнен самый масштабный по тем временам проект по регулированию водных потоков – строительство плотины на реке Колорадо в том месте, где она образует границу между юго-восточной Невадой и северо-западной Аризоной. Плотина Гувера, самая высокая в мире, сдерживает воды озера Мид, искусственного водохранилища беспрецедентных размеров. Проект предусматривал меры против наводнений, ирригацию, муниципальное водоснабжение, гидроэлектростанцию и даже национальный парк отдыха. Районы для ирригации располагались в 200 милях ниже плотины, к востоку и западу от реки. Воду реки Колорадо используют 14 городов в районе Лос-Анджелеса, что 200 милях к юго-западу за горным хребтом. Те же города получают электроснабжение, впрочем, как и другие в Калифорнии, Неваде и Аризоне.

Проект плотины Гувера появился в 1919 году. Река Колорадо, особенно в нижнем течении, всегда была бурной и неуправляемой, несмотря на строительство дорогостоящих дамб. Наводнения и засухи сменяли друг друга в непредсказуемой последовательности. В начале XX века воды реки стали использоваться для ирригации частными компаниями, в основном вблизи мексиканской границы. Но фермерам богатых калифорнийских земель к западу от реки нужен был менее темпераментный источник воды. Они стали выступать особенно громогласно после безумств реки в 1905–1907 годах. В 1904 году инженеры проложили узкий канал через западную дамбу в 4 милях к югу от границы, втайне ожидая, что по нему будет отведено достаточное количество речной воды, чтобы очистить от ила почти пересохший параллельный ирригационный канал долины Империал. Неожиданная и совершенно несвоевременная серия наводнений увеличила канал, превратив его в широкую расщелину, через которую богатая илом вода Колорадо хлынула в долину Империал, нижняя точка которой в районе соленого озера Солтон-Си находится почти на 250 футов ниже уровня моря. За очень короткое время озеро разлилось и заняло площадь 400 квадратных миль. В некоторых местах его глубина достигла 50 футов. Два года в высшей степени дорогостоящих, терпеливых и, как правило, неудачных попыток вернуть реку в ее природное русло оказались успешными только после того, как удалось построить через расселину пару железнодорожных эстакад с 90-футовыми свайными опорами. В воду под ними было высыпано 3000 вагонов камней и щебня – все за пятнадцать дней, чтобы сформировать дамбу. Только после этого и до завершения плотины Гувера в 1936 году контроль над рекой Колорадо стал уверенным.

Инженерные исследования бассейна нижнего течения реки Колорадо, выполненные в течение десятилетия после 1919 года, явились беспрецедентными по своему размаху, глубине и полноте, а также трудностям, с которыми пришлось столкнуться их участникам. Наконец место для дамбы было выбрано – в 100 милях вниз по течению от знаменитого Большого каньона и в 200 милях от мексиканской границы. Здесь, по мнению инженеров, можно было построить достаточно высокую плотину и образовать озеро, которое вместило бы обычный поток речной воды на два года. Плотина вмещалась между стенами каньона, но должна была иметь беспрецедентную высоту – более 700 футов. В то время высота самых крупных в мире плотин едва превысила 400 футов. Одна из них находилась во Франции, еще две или три – на западе Соединенных Штатов. В 1931 году наконец было решено, что в строительстве плотины Гувера примет участие несколько крупных фирм-подрядчиков, но основным поставщиком материалов для этого проекта на протяжении всего времени строительства выступало правительство Соединенных Штатов. От Американского бюро мелиорации главным инженером был назначен Раймонд Ф. Уолтер, главным конструктором стал Джон Л. Сэвидж. Место строительства находилось в 25 милях от железной дороги и ближайшего города, и большой проблемой подрядчиков после того, как была проложена железнодорожная ветка, стало обеспечение жильем и бытовыми условиями тысяч людей, которым предстояло вести строительство. Еще никогда в истории, даже в дни фараона Хуфу, не требовалось так много квалифицированных тружеников для одного проекта. Здесь их число дошло до 5250 человек. Для них пришлось выстроить целый город – Боулдер. Туда было проведено электричество из Сан-Бернардино, Калифорния, находящегося за 222 мили от места строительства. Как и многие более ранние и не такие крупные дамбы, плотина Гувера в плане является слегка изогнутой – она немного выгибается вверх по течению. Бетонная арка втиснута между стенами каньона. Прежде чем ее удалось построить, пришлось отвести реку в четыре обходных тоннеля, по два с каждой стороны каньона, что само по себе явилось немалым инженерным достижением. Каждый тоннель имел диаметр 50 футов и длину ¾ мили. Искусственное охлаждение, чтобы способствовать схватыванию гигантских масс цемента, – необычная и, можно сказать, тоже беспрецедентная операция. Система охлаждения, состоявшая из 1-дюймовых труб длиной более 570 миль, встроенных в бетонную массу, обеспечила отверждение 3 миллионов кубических ярдов бетона за два года. Эта гигантская масса с тщательно заделанными швами сжатия была названа монолитной.

Озеро Мид, образованное плотиной Гувера, является крупнейшим в мире (по состоянию на середину 1950-х годов) искусственным водоемом. Его длина – 115 миль. Ниже плотины Гувера было построено еще несколько дамб. Большинство из них обеспечивали воду для ирригации. Самая большая из них – плотина Паркера – расположена на 120 миль ниже по течению плотины Гувера. Здесь водохранилище, находящееся на 450 футов выше уровня моря, обеспечивает водой через Колорадский акведук часть Калифорнии. Колорадский акведук является не только самым длинным в мире. Во время его постройки он был единственным важным акведуком, проходящим через горный хребет. Вода, которую он доставляет из Колорадо, на протяжении почти всей его длины, составляющей 242 мили, течет под действием силы тяжести. Хотя в пяти местах на восточной стороне акведука работают электрические насосы.

Но не только упомянутые выше факторы делают Колорадский акведук уникальным. На протяжении первых 200 миль он пересекает засушливую, практически лишенную растительности пустыню, где пришлось построить 150 миль современных дорог, прежде чем строительство акведука было продолжено. Вдоль акведука было вырыто 10 колодцев, которые были соединены с трубопроводами, практически параллельными акведуку. Они снабжали водой, необходимой для строительства. Там построено 144 обратных сифона – все из монолитного бетона – общей длиной 29 миль (рис. 13.8). Три из них проходят по зонам повышенной сейсмической активности, где монолитные конструкции прерываются каждые 20 футов или около того специальными стыками, которые могут противостоять сдвигу, но не напряжению.

Рис. 13.8. Обратный сифон Колорадского акведука

Один из таких сифонов на пересечении долины имеет длину 5 миль. Если не считать 63 миль открытых, вымощенных бетоном каналов, поперечное сечение Колорадского акведука практически такое же, как любого нью-йоркского акведука, – ширина и высота составляют 15–16 футов. Он в конце концов доставляет в озеро Мэтьюс, искусственное водохранилище в 60 милях к востоку от Лос-Анджелеса, 1 биллион галлонов воды ежедневно, что удваивает существующее снабжение Южной Калифорнии. По двум главным акведукам города Нью-Йорк, общая длина которых почти равна длине Колорадского акведука, вода поступает самотеком. Они пересекают долину реки Гудзон. Общая отдача нью-йоркских источников – 1½ биллиона галлонов в день.

За века Голландия отвоевала четверть своей территории у Северного моря. Таким образом, около 3000 квадратных миль в этой стране располагаются ниже уровня моря. Самый крупный мелиорационный проект всех времен потребовал непрерывного труда бесчисленного количества поколений, которые сначала использовали только самые элементарные орудия труда. Фризийцы, жившие на прибрежных болотах несколько столетий назад, существовали под постоянной угрозой со стороны моря и трех рек, дельты которых находятся в Голландии. Утверждают, что в декабре 1287 года 50 000 фризийцев утонули за одну только ночь. Идея использовать ветряные мельницы для выкачивания воды пришла с Востока, но широко их стали применять только около 1600 года. Активным пропагандистом их использования для осушения земель был Ян Адриэнс Лиуотер (1575–1650), который назвал себя «строителем мельниц и инженером». Профессиональная деятельность Лиуотера приводила его на североморское побережье Франции, Германии, Дании и Польши. Одним из его самых известных последователей является Корнелиус Вермюйден (1590–1656), который провел большую часть жизни, осушая болота востока и юго-востока Англии в дни Карла I и Кромвеля.

Около 1640 года Лиуотер написал свою книгу Het Haar-lemmer-Meer-Boek, которая принесла ему известность. В ней он изложил свой революционный план осушения Харлеммермер – мелководного пресноводного озера или «моря» площадью около 72 квадратных миль, расположенного в нескольких милях к юго-востоку от Амстердама. Для этого он предложил установить 160 ветряных мельниц, каждую со своим насосом. План оказался слишком амбициозным даже для этого настойчивого голландца. Он не был претворен в жизнь ни при жизни Лиуотера, ни в течение двух столетий после его смерти. В своей книге автор предостерегал против ненужной спешки. А позже заверял соотечественников: «Осушение озер является одним из самых необходимых, самых доходных и самых священных дел в Голландии».

Спустя два столетия после смерти Лиуотера, около 1840 года, когда озеро Харлеммермер в результате ураганов расширилось и приблизилось к Лейдену и Амстердаму, голландцы решили, что настало время превратить его в плодородный польдер. К этому времени такие паровые машины, как используемые на оловянных и медных рудниках Корнуолла, уже были вполне доступны. Три машины были приобретены и установлены по краям озера. Это были компаундные устройства вертикального типа с одним цилиндром высокого давления внутри другого. Они имели несколько избыточную общую мощность 1000 лошадиных сил, и каждое приводило в действие несколько насосов. Озеро осушили меньше чем за четыре года, в 1848–1852 годах. Поверхность Харлеммермер располагалась примерно на 14 футов ниже уровня Северного моря, польдер еще на 1½ фута ниже. Вода была отведена в канал. Откачка воды продолжалась и после 1852 года, чтобы не допустить повторного заболачивания и поддерживать плодородие почвы. Один насос проработал 84 года. В наше время были установлены современные машины, но башня и один из первоначальных двигателей сохранены.

До постройки в 1932 году 17-мильной дамбы, преградившей доступ основной массе соленой воды, Зейдерзе считался обычным мелководным приливно-отливным заливом Северного моря, который тянулся на юго-восток в сердце Нидерландов. Но геологи утверждали, что он не всегда был соленым. Шторма на Северном море около 1300 года проложили путь для соленой морской воды в большое пресноводное озеро. Планы отгородить Северное море стали появляться еще в 1840 году, однако проект был слишком масштабным для обычных механических приспособлений, доступных в то время. Ему пришлось подождать развития гидравлического драгирования, дизельных двигателей, электроэнергии и бульдозеров. После Первой мировой войны план наконец оформился и вызвал широкое народное одобрение. Была построена плотина шириной в основании 600 футов, возвышающаяся на 20–22 фута над уровнем моря. По ней проходят шоссе и железная дорога. Второстепенные дамбы, окружающие четыре польдера, немного ниже. Площадь польдеров составляет примерно две трети площади Род-Айленда.

Проект мелиорации Зейдерзе был самым амбициозным из всех, что приходилось осуществлять Голландии или любой другой нации. Проект предусматривал добавление 900 квадратных миль плодородных земель к уже существующим. Построены две дамбы, преграждающие путь соленым морским водам. Обе земляные, облицованные каменной кладкой. Одна имеет длину 17 миль, другая – 1½ мили. Проект предусматривал окружение четырех польдеров плотинами и их осушение. Северо-западный польдер был осушен насосными установками, расположенными на двух его углах. Одна установка состоит из 6-цилиндровых дизельных двигателей мощностью 400 лошадиный сил каждый, непосредственно связанных с центробежными насосами с вертикальными осями. На этом польдере площадью 77 квадратных миль, самом маленьком из всех, к 1936 году уже выращивали урожай. Второй польдер, значительно большего размера, был осушен к началу Второй мировой войны. Стоимость проекта превышает 200 миллионов долларов, что составляет половину стоимости прокладки Панамского канала.

Глава 14

Строительство

Современные небоскребы, мосты и тоннели – воистину смелые предприятия строительных инженеров. Небоскребы поднимаются более чем на 1000 футов над землей, пролеты мостов достигают 3000–4000 футов, а тоннели, проложенные в скалах, тянутся на много миль. Как и другие инженеры, строители должны уметь собрать воедино разные типы инженерных знаний и всевозможные инженерные техники. Инженерия начала диверсифицироваться на разные специальности в XIX веке, так же как естественная наука и другие области знаний. В середине XX века, однако, инженер на больших проектах должен был совмещать много разных специальностей. Причем строительный инженер был не единственным, кого это коснулось. К примеру, инженеры-нефтяники, о которых мы в этой книге не говорили, должны собрать самые разные инженерные знания, чтобы спроектировать и построить крупный нефтеперерабатывающий завод. Интеграция множества инженерных специальностей для выполнения конкретных специфических работ – важное инженерное достижение XX века, и строительная инженерия ярко ее демонстрирует.

Небоскребы

Небоскреб в Америке приобрел большое экономическое значение. Пока шла миграция населения из сельских районов в города, имело место существенное изменение образа жизни людей. Сегодня большинство американцев проводит больше времени в зданиях, чем на свежем воздухе.

Рис. 14.1. Здание Чикагской страховой компании Дженни, 1884 г.

Поэтому архитекторы и инженеры всячески стремятся сделать здания максимально привлекательными и удобными для нахождения в них. Когда Чикагская страховая компания поручила Уильяму Ле Барону Дженни в 1883 году построить новое офисное здание, она определила, чтобы здание было пожаробезопасным и имело хорошее естественное освещение в каждой комнате (рис. 14.1). Именно необходимость в безопасном и комфортабельном здании привела, в конце концов, к появлению небоскребов. В главе 10 мы уже упоминали о трех главных факторах, сделавших современные небоскребы возможными: лифты, каркасная основа и относительно дешевая сталь. Можно утверждать, что ограничение высоты небоскребов является вопросом экономики, а не инженерии.

Гидравлические подъемники, описанные в главе 10, работали во многих старых высотных сооружениях, таких как, скажем, здание Пулитцера в Нью-Йорке. Они продолжали использоваться в высотных зданиях и в XX веке, то есть работали долгое время после того, как широко распространились электродвигатели. Первые электрические лифты датируются примерно 1889 годом. В самых ранних из них для вращения барабанов использовались червячные передачи. Двигатель вращал их, чтобы лифт двигался. Но если энергия отключалась, лифт не падал, потому что барабан не мог вращаться в обратном направлении при червячной передаче. Более позднее устройство безопасности – электромагнитный тормоз, в котором тормозной башмак, обычно удаленный от барабана, устанавливался автоматически в случае отключения энергии или других проблем. Впоследствии вносилось еще много изменений в подъемный механизм, но основные принципы конструкции сохранились. Первые эскалаторы датируются 1900 годом. Они обладают большими возможностями, чем лифты, для зданий из нескольких этажей.

Первые девять этажей Чикагской страховой компании были достроены в 1885 году. В этом здании впервые было использовано заметное количество стали для каркаса. Кроме того, большая часть внешней стороны являлась всего лишь навесной стеной, которая не поддерживала даже саму себя и опиралась только на каркас. По крайней мере, это было справедливо для всех этажей, кроме нижних этажей Ла-Саль и фасадов Адамс-стрит, которые вместе с задними стенами были в виде сплошной каменной кладки. Колонны использовали двух типов: круглые чугунные и сборные железные. Правда, на некоторых верхних этажах железо заменила бессемеровская сталь. Здание, несмотря на умеренную высоту – 10 этажей, явилось первым в мире небоскребом. Оно было снесено в 1931 году, и техническая экспертиза показала, что, хотя при его строительстве не были выполнены все требования к зданию каркасного типа, это весьма достойный пример. Это было первое офисное здание, где использована, по крайней мере частично, каркасная конструкция.

Примерно четырьмя годами позже, в 1889 году, к северу от улицы Ла-Саль было построено здание Такома аналогичной конструкции. Жители Чикаго по праву гордились этим зданием. В путеводителе того времени, изданном к Колумбийской выставке 1893 года, сказано, что «оно возвышается над окрестностями на головокружительной высоте двенадцати этажей» (на самом деле в здании было 14 этажей). Внешние стены из кирпича и терракоты с большими окнами были ненесущими. Они служили только для защиты от атмосферных явлений и допуска света. Стены здания Такома могли возводиться на разных этажах, а не строго снизу вверх. Колонны и перемычки были чугунными. В каркасе использовались и кованое железо, и бессемеровская сталь, при этом он был клепаный, а не скрепленный болтами. Многие считают первым небоскребом именно здание Такома. В нем было пять гидравлических пассажирских лифтов. После него было построено сразу несколько каркасных зданий. Здание компании Рэнд Макнелли, завершенное в 1890 году, было первым, в котором каркас был полностью стальным. 14-этажный отель Great Northern принимал постояльцев с 1891 до 1940 года. А законченный в 1892 году, как раз перед Колумбийской выставкой, 21-этажный Масоник-Холл стал самым высоким сооружением этого периода. Чикагцы искренне считали его самым красивым в мире.

Фундамент с расширенным основанием для распределения нагрузки уходит корнями в далекое прошлое. В ранних чикагских зданиях плитный фундамент постепенно вытеснил традиционный фундамент с расширенным основанием. Такой фундамент часто состоит из нескольких слоев железнодорожных рельсов, скрещенных под прямым углом, для усиления бетонного фундамента. Во многих из этих зданий ожидалось оседание на несколько дюймов, и потому их строили немного выше, чем было необходимо. Деревянные, а позднее бетонные сваи, уходящие в землю на 50–75 футов, постепенно заменили плитный фундамент в Чикаго.

Первой каркасной конструкцией в городе Нью-Йорк стал Тауэр. Он был построен в 1889 году. На табличке в его вестибюле сказано, что это «самый ранний пример каркасной конструкции». Первым небоскребом Нью-Йорка было здание Манхэттенской страховой компании на Бродвее, напротив церкви Святой Троицы. Оно было построено в 1894 году, имело высоту 347 футов. При строительстве фундамента этого здания инженеры впервые использовали сжатый воздух для установки пневматических кессонов. Было использовано пятнадцать кессонов разных форм и размеров, что позволило пройти сквозь 50 футов глинистой массы и песка до коренной породы. После этого кессоны были заполнены бетоном, поверх которого уложены железные балки для поддержки кирпичных столбов. Здание Манхэттенской страховой компании также было первым, в котором использовалась обширная система ветровых связей – дополнительные металлические связи в каркасе, чтобы предохранить высокую конструкцию от разрушения при сильных ветрах.

В 1902 году на Бродвее появилось еще более известное здание – Фуллер-Билдинг. В нем было установлено шесть гидравлических лифтов, которые в 1950-х годах еще эксплуатировались. Среди многих других небоскребов города Нью-Йорк наиболее известны Эквитабл-Билдинг и Вулворт-Бил-динг, построенные в 1913 году. В течение 15 лет 760-футовое здание Вулворт-Билдинг было самым высоким сооружением в мире, за исключением Эйфелевой башни, которая «обогнала» его на 200 футов. В 1950-х годах в Нью-Йорке насчитывалось более 30 зданий, высота которых превышала 500 футов, в Чикаго – 9, в других американских городах – 10. Эти здания в разной степени иллюстрируют определенные инженерные проблемы, которые только начали вырисовываться в конце XIX века. Речь идет о проблемах фундаментов, устойчивости при сильных ветровых нагрузках, лифтов, водоснабжения, канализации, обогрева, вентиляции и распределения электроэнергии. В самых ранних небоскребах почти не было бетона. На пороге нового столетия, когда стал доступным американский портландцемент, американские архитекторы и инженеры начали строить здания из железобетона. Железобетонные небоскребы успешно конкурируют со стальными каркасами в зданиях умеренной высоты.

С 1931 года Эмпайр-Стейт-Билдинг (рис. 14.2) В Нью-Йорке стал самым высоким зданием в мире – 1250 футов. Он превзошел здание компании «Крайслер» в Нью-Йорке более чем на 200 футов. Высота этих двух зданий превысила высоту Эйфелевой башни. Эмпайр-Стейт-Билдинг определенно стал важной вехой в создании небоскребов, кульминацией развития строительной отрасли, которое началось пятью десятилетиями раньше.

Рис. 14.2. Эмпайр-Стейт-Билдинг

Его беспрецедентная высота породила ряд проблем, связанных с устойчивостью здания. Его фундамент опирается на коренную породу на глубине более 50 футов под уровнем земли. Площадь фундамента – более двух акров. Его общий вес – 302 000 тонн – распределен на более чем сотню катаных стальных колонн, самая крупная из которых передает нагрузку 5000 тонн вниз на фундамент. Колонны опираются на широкий и прочный железобетонный фундамент, установленный на коренной породе. Каркас гибкий и имеет достаточные ветровые связи. Вершина здания отклонялась в сторону на 1½ дюйма при ветре, достигающем 100 миль в час. Стальные колонны подвергались постоянному сжимающему напряжению от веса конструкции, поэтому 85-й этаж на 6½ дюйма ниже, чем если бы не было напряжения сжатия.

Система водоснабжения состояла из ряда резервуаров для воды, расположенных на разных уровнях. Если бы она не была разделена таким образом, водопроводный кран на нижнем этаже находился бы под давлением 600 футов на квадратный дюйм, что слишком много даже для современного водопровода. В здании установлены собственные водяные насосы. Вода Кэтскилла, текущая под действием силы тяжести, могла бы обеспечить только первые этажи. Паровые трубы также породили проблемы, поскольку расширялись при нагревании. Радиаторы на верхних этажах, при жестком прикреплении к вертикальным подающим трубам без возможности расширения, поднялись бы больше чем на фут от пола, когда трубы горячие. В здании 69 электрических лифтов, из них 63 предназначены для пассажиров. Их максимальная скорость 1000 футов в минуту. Эмпайр-Стейт-Билдинг был полностью готов к сдаче 1 мая 1931 года, через 14 месяцев после начала строительства – воистину рекордная скорость. В разгар работ в них участвовало 3400 рабочих 50 различных специальностей. Работы велись одновременно на 104 этажах.

Подвесные (висячие) мосты

В большинстве мостов, как и в небоскребах, много конструкционной стали. Первые стальные мосты, описанные в главе 10, появились раньше небоскребов. Как и небоскребы, крупные стальные мосты XX века являются настоящими инженерными достижениями; в их проектировании и строительстве задействован большой инженерный, научный, административный опыт. Бруклинский мост датирован 1883 годом. Его пролет – 1595½ фута был превзойден консольными пролетами Форт-Бридж в Шотландии, но не подвесными мостами. Более длинный подвесной Вильямсбургский мост был построен только в 1903 году через Ист-Ривер. Его пролет всего на несколько футов больше, чем Бруклинского моста. В 1924 году был построен несколько более длинный, но намного более легкий мост Бир-Маунтин-Бридж, который пересек Гудзон в 40 милях к северу от Нью-Йорка.

В течение нескольких следующих лет в Соединенных Штатах было построено еще два подвесных моста с еще более длинными пролетами. Пролет моста Филадельфия-Кэм-ден на 150 футов длиннее, чем Бруклинского, но он вдвое уже и намного тяжелее. Этот подвесной мост первым превзошел пролет консольного моста Форт-Бридж. Мост Амбассадор в Детройте еще длиннее – его пролет 1850 футов. Он был построен в 1929 году и в то время имел самый большой пролет из всех известных. На этом, судя по всему, пролеты подвесных мостов достигли своего экономического предела. Стоимость Бруклинского моста составляла чуть больше 15 миллионов долларов, а мост Филадельфия-Кэм-ден, бывший лишь немного длиннее, обошелся в 36 миллионов. В начале 1920-х годов увеличение количества автотранспорта проверяло на прочность гудзонские паромы. В 1921 году было принято решение об учреждении администрации порта Нью-Йорк, созданной штатами Нью-Йорк и Нью-Джерси, для финансирования, строительства и технического обслуживания тоннелей, мостов и других сооружений региона города Нью-Йорк. Таким образом была решена проблема финансирования строительства – затраченные средства должны были вернуться в виде сборов. Администрация порта вскоре начала разрабатывать проект строительства моста Джорджа Вашингтона на 179-й улице, который должен был протянуться до Палисадов Нью-Джерси. Его пролет должен был составить 3500 футов. Строительство по проекту Отмара Аммана началось в 1927 году, и в 1931 году он был открыт для движения транспорта. Но по нему пошел не весь поток транспорта, на который он рассчитывался. Нижний ярус, предназначенный для прохождения транзитного железнодорожного или автомобильного транспорта, мог быть добавлен позже. Мост стоил по тем временам 55 миллионов долларов, и эта сумма довольно быстро окупалась водителями, его использовавшими.

Рис. 14.3. Мост Золотые Ворота, Сан-Франциско

Идея создания моста Золотые Ворота в Сан-Франциско впервые возникла в самом начале 1920-х годов. Успех проекта моста Джорджа Вашингтона показал, как, создав администрацию, можно организовать общественное финансирование строительства, тем более на чрезвычайно загруженном направлении. Главным инженером проекта стал Джозеф Б. Страусс. Для моста Золотые Ворота (рис. 14.3) было выбрано место в самой узкой части входа в залив Сан-Франциско, где его ширина не превышает 1 мили. Исходя из конфигурации дна пролет должен был составить чуть больше 4000 футов. Основная часть канала имеет глубину больше 300 футов, но на стороне Сан-Франциско глубина увеличивается постепенно и достигает 65–80 футов на расстоянии 1100 футов от берега. Соответственно, южную опору расположили здесь, а северную – на побережье округа Марин, то есть на расстоянии 4200 футов.

Расположение этого моста создало ряд трудностей, с которыми не приходилось встречаться раньше. В этом регионе отнюдь не редки землетрясения. Место строительства – практически в открытом море, где бывают сильные шторма, встречаются донные волны и боковые ветры, а скорость приливных течений достигает 7–8 миль в час. Дно – твердая гладкая скала, с одной стороны базальт, с другой – серпентин. Одна из первых проблем – как заякорить южную опору на такой глубине. Северная опора на суше особых трудностей не представляла. Для южной опоры инженеры построили стальную эстакаду шириной 22 фута и длиной 1100 футов с берега до места расположения опоры. Каждый стальной трубчатый столб входил в твердое каменное основание. Вокруг места расположения быка моста была построена бетонная стена размером 170 на 311 футов. Строительство было начато от коренной породы на глубине 100 футов под уровнем моря. Эта стена изначально предполагалась как защитная ограда, за которой должен был устанавливаться пневматический кессон. Между тем, поскольку неспокойное море сделало использование кессона невозможным, бетонное ограждение толщиной 30 футов в основании было построено, чтобы служить также коффердамом. Бетон в эту стену укладывали с помощью специального бетонопровода для подводного бетонирования. Вода из пространства, огороженного стеной, была выкачана, и опора строилась на открытом воздухе. Бетон для ограждения и опоры изготавливался из недавно разработанного силикатного цемента, невосприимчивого к воздействию морской воды. Испытания показали, что у него высокое сопротивление сжатию – до 4000 фунтов на квадратный дюйм через 28 дней после заливки.

Две башни – пилона – имели высоту 700 футов. Их верхние части возвышались над уровнем моря на 746 футов. Каждая состоит из сдвоенных ячеистых столбов, собранных из клепаных уголков и пластин. Столбы установлены на расстоянии 90 футов (между центрами) друг от друга и связаны поперечными рамами в четырех точках над полом моста. Башни создавались, чтобы противостоять не только напряжениям от собственного веса, временных нагрузок и ветра, но также землетрясениям. Башни весьма примечательны, и не только из-за своих размеров, но также потому, что при проектировании помимо конструктивных учитывались и архитектурные требования. При строительстве башен использовалась кремнистая сталь, имеющая прочность на разрыв 80 000—95 000 фунтов на квадратный дюйм, и углеродистая сталь, значения прочности которой примерно на треть меньше.

Основные несущие тросы имеют диаметр 36^3/8 дюйма (на Бруклинском мосту – 16 дюймов, на мосту Джорджа Вашингтона – 36 дюймов). Каждый трос состоит из 61 пряди, а они, в свою очередь, из 452 проволок. Тросы не скользят и не перекатываются по верхней части башен, наоборот, они жестко прикреплены к ним и потому создают продольную нагрузку при изменениях температуры. Башня может отклоняться от вертикали на 18 дюймов в сторону канала или на 22 дюйма к берегу. Тросы висят, словно гигантские гамаки, между верхушками башен. С интервалами в 50 футов двойные подвески из проволочных канатов поддерживают 25-футовые фермы жесткости, которые, в свою очередь, несут систему пола. Центральная система пола достаточно гибкая, чтобы выдержать боковое отклонение около 28 футов от ветров скоростью до 60 миль в час или отклонение вверх-вниз около 16 футов. Уникальное защитное приспособление спасло жизнь 19 рабочим во время строительства. Речь идет о сетке безопасности из манильской пеньки с 6-дюймовыми ячейками, протянутой под конструкцией с «вылетом» 10 футов с каждой стороны. Мост Золотые Ворота и подходы к нему были построены за 4 года (строительство Бруклинского моста длилось 14 лет, моста Джорджа Вашингтона – 4 года). Стоимость строительства составила чуть больше 27 миллионов долларов, пропускная способность (оценочная) 5000 транспортных средств в час.

Стальные арочные мосты

Мост Идса в Сент-Луисе, как уже говорилось, был построен между 1869 и 1874 годами. В течение следующих 25 лет было построено 11 железных или стальных арок, более длинных, чем его центральный пролет в 520 футов. Три из них были построены в 1898 году: мост Клифтон через Ниагару между Соединенными Штатами и Канадой и два моста через Рейн, один в районе Дюссельдорфа, другой в районе Бонна. Арка Ниагарского моста была в то время самой длинной в мире – 840 футов. Боннский мост имел самую длинную арку в Европе – 721 фут. В конце следующего десятилетия Густав Линденталь (1850–1935) завершал строительство арочного моста Хелл-Гейт через Ист-Ривер в Нью-Йорке (рис. 14.4). Это весьма впечатляющая и изящная конструкция, по которой проходит четыре линии железнодорожных путей. Его пролет – 977½ фута. Линденталь спроектировал его для подвижных нагрузок, превышающих подвижные нагрузки любого стального арочного моста в мире, – 3 тонны на погонный фут на каждой колее. Мост был достроен в 1917 году.

Рис. 14.4. Мост Хелл-Гейт, Нью-Йорк

15 годами позже австралийские и британские инженеры построили арочный мост через Сиднейскую бухту с пролетом 1650 футов (рис. 14.5). Это был мост такого же типа, как Хелл-Гейт. Но помимо четырех электрифицированных железнодорожных линий, по нему проходило 6-полосное шоссе и тротуары. Общая ширина моста составила 160 футов. Это был самый широкий на тот момент мост в мире. Инженеры спроектировали его для нагрузок более 6 тонн на погонный фут.

Рис. 14.5. Мост через Сиднейскую бухту

Арочный пролет моста Байон через пролив Килл-ван-Кулл в Нью-Йорке архитектора Амманна, который был построен в этот же период, был намеренно сделан на 2 фута длиннее, но по нему проходило только шоссе. При постройке фундамента моста через Сиднейскую бухту особых проблем не возникло, поскольку коренная порода располагалась на глубине всего 30 футов. В этом отношении мост Идса, как и мост Хелл-Гейт, явились для инженеров намного более серьезным испытанием. Большая часть конструкционной стали для Сиднейской бухты была изготовлена в Британии, то есть на расстоянии 12 000 миль от места строительства. Лондонские инженеры разработали проект и провели все необходимые расчеты конструкции. Сборочные работы велись в просторных и хорошо оборудованных временных мастерских на северном берегу бухты, напротив Сиднея. Каждая половина арки возводилась как консоль и заякоривалась 128 проволочными канатами диаметром 2¾ дюйма каждый через бетонную опору в изогнутых тоннелях, прорубленных до коренной породы. По мере строительства каждую часть стальной конструкции помещали на баржу и буксировали в море до тех пор, пока она не оказывалась непосредственно под местом установки. После этого монтажный электрический кран – по одному на каждую консоль – грузоподъемностью 120 тонн поднимал деталь на место. На мосту Идса подъем осуществлялся вручную.

Арочные фермы для моста через Сиднейскую бухту изготавливали из кремнистой стали, другие детали – из углеродистой стали. Все связи ферм имеют прямоугольное поперечное сечение и сделаны из склепанных пластин и уголков. Самая тяжелая часть фермы, нижняя хорда, которая в мостах этого типа является главным несущим элементом, разделена внутри на три секции. Верхняя и нижняя хорда моста Идса – 30-дюймовые цилиндры из хромистой стали. Изгиб арки моста через Сиднейскую бухту, то есть нижняя хорда, – парабола. Верхняя хорда меняет свою кривизну при приближении к опорам. Арку, как уже говорилось, строили с каждой опоры, как консоль, заякоренная 128 тросами, до тех пор, пока концы не сблизились до 40 дюймов. После этого гидравлические домкраты ослабили тросы – концы встретились, ключи соединились. В Сиднее предусматривалось колебание температуры – 60 градусов, при строительстве моста Идса – 160. Собственный вес моста в Сиднее – около 28½ тонны на погонный фут, моста Хелл-Гейт – более 26 тонн.

Железобетонные мосты

Каменные мосты достигли совершенства в конце XVIII века благодаря творениям архитектора Перроне. До начала XX века самым длинным каменным арочным мостом был мост Кэбин-Джон (он же Юнион-Арк) через Рок-Крик в составе Вашингтонского акведука, построенного в 1864 году. Его пролет – 220 футов. После этого каменных арок строили немного. Самая длинная каменная арочная конструкция была построена в 1903 году в городе Плауэн, Саксония. Его пролет – 295 футов.

Железобетон в инженерных сооружениях используется немного дольше века. Много лет инженеры относились к нему с осторожностью. В XIX веке пионерами в строительстве из бетона стали французы. В 1833 году Пуарель использовал массивные сборные бетонные блоки. Около 16 000 блоков весом 20 тонн каждый были использованы поколением позже для молов в Порт-Саиде, что на входе в Суэцкий канал. Среди ранних бетонных мостов можно назвать акведук Ванн, доставлявший воду в Париж через лес Фонтенбло в 1870 году. Всего было около 3 миль мостов-акведуков, и некоторые из них имели пролет 125 футов. Трубы акведуков, тоже бетонные, имели диаметр 6½ фута.

Идея армирования бетона железом или сталью принадлежит в основном парижанину Жозефу Монье. Его патент 1867 года описывал сооружение резервуаров и труб из цемента, в который вставлена железная сетка. Монье, являвшийся собственником коммерческого садоводческого предприятия, со временем осознал, что его идея применима к таким конструкциям, как железнодорожные шпалы, а также полам, пешеходным мостам, аркам и трубам. Несколько патентов Монье стали основой его системы сооружений из бетона с уложенными в него железными брусками, скрещивающимися друг с другом под прямыми углами. Через несколько лет Монье построил во Франции резервуар диаметром более 50 футов. Монье не был первопроходцем в этой области. Его предшественниками были другой француз, Жозеф Луи Ламбо, и, как минимум, два британца, Уильям Б. Уилкинсон и Уильям Фэрберн. Однако Монье, не имевший ни технического образования, ни опыта – только острую природную интуицию, первым совместил бетон и железо так, что они стали действовать как единое целое: металл работал на растяжение, а бетон – на сжатие. После Монье были Хеннебике (Франция), Мелан и Эмпергер (Австрия), американцы Рэнсом, Тэчер и Тернер. Все они работали в конце XIX века, и их методы нашли широкое применение в Европе и США. Но теория развивалась медленно, и строительство шло, используя крайне дорогостоящий метод проб и ошибок.

Первые железобетонные сооружения, появившиеся в Соединенных Штатах, – это легкие пешеходные мосты со скромными пролетами в парках. Американские инженеры сначала отнеслись скептически к совмещению железа и стали с таким мало испытанным и непредсказуемым материалом, как бетон. Железобетонный арочный мост с 20-футовым пролетом, построенный в 1889 году в парке Сан-Франциско, по-видимому, был первым подобным сооружением в Соединенных Штатах. В 1894 году в Айове был построен первый железобетонный мост, предназначенный для движения транспорта. Его пролет был 30 футов. Европейские инженеры к этому времени уже построили много железобетонных мостов. В частности, в Швейцарии было построено три моста проекта Монье с пролетом 128 футов. Катаные стальные брусья постепенно заменили проволочные сети.

После 1894 года железобетон наконец завоевал симпатии архитекторов, и инженеры стали более уверенно полагаться на результаты проб и ошибок. К 1911 году Тибр в районе Рима впервые был пересечен мостом Рисорджименто с одной-единственной аркой. Эта железобетонная конструкция имела пролет 328 футов (100 м) и подъем чуть больше 33 футов (10 м). После завершения строительства мост подвергся уникальным испытаниям на прочность и жесткость. По нему прошло в ускоренном марше 11 000 солдат, и три 15-тонных катка бок о бок проехали по нему взад-вперед несколько раз. Вибрация оказалась ничтожной, а самое большое отклонение составило порядка 1/10 дюйма. Мост Рисорджименто был в течение долгих лет самым длинным каменным мостом в мире. За двадцать лет после завершения постройки этого моста инженеры узнали много нового о возможностях железобетона. Инженеры континентальной Европы научились при необходимости производить плотный бетон, прочность которого намного больше, чем считалось возможным раньше. Также играет роль предварительное растяжение стали армирования и предварительное сжатие бетона.

Мост через реку Элорн во Франции – весьма прогрессивная конструкция (рис. 14.6). Главным инженером проекта был Э. Фрейссине. Сооружение состоит из трех 612-футовых арок, пересекающих реку в том месте, где она впадает в гавань Бреста. Мост был построен в 1930 году, и в это время пролеты его арок были самыми длинными, когда-либо построенными из железобетона. В середине XX века только два моста имели более длинные пролеты, один в Испании, другой в Швеции. По мосту Фрейссине проходит одна железнодорожная колея, а по верхнему ярусу – шоссе шириной 26,2 фута. Высота прилива в реке Элорн достигает 26 футов, и течение очень быстрое. Опоры и устои моста опираются на камень. Арки имеют ячеистую конструкцию. Между внутренней и верхней поверхностями арки располагается четыре вертикальные стенки, связывающие вместе поверхности. Самые дальние от центра стенки – фасады арки. Арка построена из бетона с относительно небольшим армированием.

Рис. 14.6. Мост через реку Элорн, Брест, Франция

Опоры строились двумя секциями. Нижние секции особых трудностей не представляли. Верхние секции высотой 22 фута и шириной 52 фута, тяжело армированные, были подготовлены на берегу и доставлены по низкой воде к месту, где их закрепляли к опорам, чтобы стать основой для отдельных арок. Эти верхние секции имели V-образную форму и предназначались для поддержки двух арок с каждой стороны, образуя первые несколько футов каждой арки. Только одно кружало арки – поддерживающая рама для бетона, сделанная почти полностью из дерева (ее концы были связаны вместе канатами, чтобы выдержать горизонтальную нагрузку), использовалось поочередно для всех трех арок. Оно сооружалось близко к берегу и отправлялось на нужное место на двух баржах, по одной с каждой стороны, после чего закреплялось на верхушках опор. Бетон заливали в четыре этапа. Через несколько дней после завершения четвертого этапа кружало отсоединяли и перемещали к следующему пролету. Конструкционные материалы подавали по канатной дороге длиной полмили, протянутой через реку от берега до берега, в 250 футах над уровнем низкой воды.

Есть большая разница между проблемами, с которыми сталкивались инженеры этого моста, и теми, которые стояли перед Идсом 60 годами раньше. Реку Элорн, как и Миссисипи, нельзя полностью перегородить, поскольку гавань Бреста сильно загружена. Кружала изготавливались в Плугастеле. Идс не мог использовать кружала. Он был вынужден строить свои арки с двух опор, как консоли, поднимая отдельные части стрелами с барж и используя только ручной труд. Арки через Элорн были немного длиннее, чем на Миссисипи. Подъем арок через реку Элорн – 110 футов, на Миссисипи – 43 фута. У французских инженеров было много приспособлений и возможностей, которые отсутствовали у Идса, – канатные дороги, дизельные двигатели, электроэнергия, миксеры для бетона, телефон и многое другое. Да и проблемы с фундаментом в Плугастеле были намного проще.

Швейцарец Роберт Мэлларт (1872–1940) первым использовал железобетонные плиты как активные несущие конструкционные элементы. Мэлларт отказался от поддерживающих балок и в 1900 году развил новый строительный принцип. Активные несущие полы из бетонных плит – хорошее решение для зданий с ненесущими стенами. Плиты могут выноситься, как консоли, чтобы поддерживать ненесущие стены – один этаж за другим. Хотя Клод Аллен Портер Тернер использовал подобную конструкцию в 1906 году в Миннеаполисе и есть много примеров ее использования в строительстве крыш, американские инженеры не спешили использовать новый принцип в мостостроении в основном потому, что в Соединенных Штатах стоимость труда выше, а материалов – больше, чем в Европе.

Железнодорожные горные тоннели

Современные тоннели можно подразделить на группы по цели, которой они служат, и по методам прокладки. В этом разделе будут подробно описаны только две группы: тоннели через твердый скальный массив и тоннели через давящие субаквальные породы. В XVII веке Франция завладела инициативой в прокладке каналов и тоннелей, пробурив 500-футовый тоннель сквозь твердый скальный массив на линии Лангедокского канала. Однако большинство тоннелей, проложенных для каналов, датируются второй половиной XVIII века и началом века XIX. Много тоннелей было построено в это время в Англии, где общая длина 45 тоннелей превышает 40 миль. Использование ручных буров и взрывчатых веществ, а также совершенствование инструментов и методов топографической съемки дали строителям этого периода бесспорное преимущество перед древними римлянами, также имевшими немалый опыт строительства тоннелей для воды. Для французского тоннеля, построенного около 1800 года, впервые была разработана систематическая схема поддержки лесами осыпающихся камней и земли для тоннелей шириной более нескольких футов. Один из двух американских канальных тоннелей, построенных в 1828 году по линии Юнион-канала возле Ливана в Пенсильвании, сохраняется как памятник местного значения.

Первый железнодорожный тоннель в США, как и Ливанский канальный тоннель, тоже был построен в Пенсильвании, в 4 милях от Джонстауна. Он был проложен в 1831–1833 годах и заброшен после 1857 года, когда Пенсильванская железнодорожная компания приобрела линию и спрямила ее, сделав тоннель ненужным. Два ранних эпохальных тоннеля – это тоннель Хусак на железной дороге Бостон – Мэн на северо-западе Массачусетса и тоннель через Альпы Мон-Сени между Францией и Италией. Строительство тоннеля Хусак было предложено в 1825 году для канала, чтобы соединить Бостон и долину Гудзона. Оно было начато в 1854 году и продолжалось 22 года (до 1876 года). Тоннель Мон-Сени, вдвое длиннее, был начат тремя годами позже, в 1857 году, а завершен пятью годами ранее, в 1871 году. Оба тоннеля стали своеобразными лабораториями, в которых опробовали различные методы земляных работ. Прокладка тоннеля Хусак началась с использованием ручных буров (рис. 14.7), но их вскоре сменили паровые буры, а еще несколькими годами позже буры, приводимые в действие сжатым воздухом. Вначале для взрывных работ использовался черный порох, позже – нитроглицерин. При прокладке тоннеля Хусак, по-видимому, впервые заряды подрывались электричеством.

Рис. 14.7. Строительство тоннеля Хусак

Шестнадцать – или около того – перевалов и проходов через Альпы, такие как Бреннер, могли использоваться транспортными средствами с прочными колесами еще со времен римлян. Инженеры Августа Цезаря, возможно, построили недолговечную дорогу через перевал Малый СенБернар. Наполеоновские инженеры построили несколько трансальпийских дорог, из которых самой известной является Симплонская. Дорога через Мон-Сени, в 40 милях к востоку от Гренобля и на таком же расстоянии к югу от Монблана, была завершена в 1810 году. Перевал расположен на высоте 6772 фута над уровнем моря на прямой линии, соединяющей Лион и Турин. Таким образом, дорога через Мон-Сени соединила Савойю во Франции и Пьемонт в Италии, которые веком раньше являлись частями королевства Сардиния. Железные дороги через Альпы обязаны своим развитием Бенджамину Генри Латробу, который в 1842–1853 годах проложил железную дорогу Балтимор – Огайо через Аллегейни, из Кумберленда, Мериленд, в Уилинг, Вирджиния. Карл фон Гега (1802–1860), изучивший и описавший железную дорогу Балтимор – Огайо, создал проект первой трансальпийской железной дороги – Земмерингской дороги, прошедшей через живописные Штирийские Альпы и ставшей важным звеном цепи, соединившей Вену и Триест. Тоннель был построен в 1848–1864 годах. На Земмерингском перевале эта 34-мильная дорога проходит на высоте 2892 фута над уровнем моря. Тоннель на вершине имеет длину меньше мили. Есть еще много коротких тоннелей и виадуков. Максимальный уклон – 2½ процента, самый крутой поворот – радиусом 600 футов. Вторая железная дорога через Альпы прошла через Бреннер (4497 футов), обеспечив связь Инсбрука в австрийском Тироле и Вероны и Венеции в Италии. Ее построил Карл фон Эцель (1812–1863). Строительство было завершено в 1867 году. Там нет горных тоннелей, максимальные уклоны такие же, как на Земмерингской дороге, но повороты не столь крутые.

Третья трансальпийская железная дорога называлась Мон-Сени, поскольку она по большей части шла вдоль линии наполеоновской дороги по перевалу Мон-Сени. К 1840 году уже люди понимали, что должна существовать связь между железнодорожными системами Савойи и Пьемонта, чтобы ускорить путешествие из Парижа, Лиона и Лондона на юг через Центральную Италию. К 1863 году итальянцы уступили Савойю французам, и железнодорожная система на французской стороне достигла Сен-Мишеля в долине реки Арк. На итальянской стороне железная дорога дошла до города Суза в долине реки Дора. Между двумя конечными пунктами железных дорог был разрыв длиной 48 миль вдоль старой дороги Мон-Сени. Кроме того, с некоторого времени отмечалось, что река Арк в районе Модана, Савойя, находится всего в 8 милях по прямой через горы от Бардонеккьи, что в долине реки Дора, Пьемонт. Тоннель, проложенный через гору в 14–15 милях к западу от Мон-Сени, ниже Коль-дю-Фрежюс, стал бы идеальной связью между двумя железнодорожными системами.

Смелая, можно сказать, революционная идея прокладки 8-мильного тоннеля без промежуточных шахт через Альпийские горы в 1850-х годах казалась глупой и пугающей для многих разумных людей. Горный тоннель Земмерингской железной дороги в Австрии длиной всего 7/8 мили был построен несколькими годами ранее. При его строительстве было пробурено девять шахт, пять из которых остались открытыми для вентиляции. Никто не знал, достаточно ли воздуха попадет в тоннель Мон-Сени горизонтально, чтобы рабочие не погибли от удушья. Что станет с тоннелем, когда по нему пройдет паровоз, – другой вопрос. Также никто не знал, какова будет температура камня в миле от поверхности. Геологи лишь предполагали, что она будет выше, чем на земле. Они даже не могли гарантировать, что после месяцев взрывных работ залегающий сверху пласт не ослабнет в отдельных местах, в результате чего может произойти обрушение тоннеля, которое повлечет за собой гибель рабочих. Кроме того, существовало опасение, что маленькое озеро на перевале Мон-Сени, имевшее репутацию бездонного, хлынет в тоннель, затопив его вместе с рабочими.

Проект тоннеля Мон-Сени был итальянским. Предварительные исследования под руководством трех молодых энтузиастов – итальянцев Жермена Соммейе (1815–1871) и его коллег, Грандиса и Граттони, велись с 1850 года. 15 августа 1857 года итальянский парламент принял законопроект о прокладке тоннеля между Моданом и Бардонеккьей. Двумя неделями позже король Виктор-Эммануил подорвал первый заряд с итальянской стороны. В 1857 году было сделано немного, поскольку рабочий сезон в высокогорных Альпах длится недолго. Однако весной 1858 года начались серьезные работы на обоих концах тоннеля, хотя топографы только начали измерения. Летом 1858 года топографы «набросили» геодезическую сеть на район Мон-Фрежюса выше места расположения тоннеля. Сеть позволила им с уверенностью установить ось и высчитать ее длину. Для этого они установили 21 геодезическую станцию на соседних возвышенностях и с помощью мощных теодолитов измерили 86 углов – каждый из них не менее 10 раз, некоторые 60 раз, – чтобы добиться максимальной точности. Они продлили ось до каждого конца, давая ориентиры для рабочих. Инженеры также наметили серию уровней, что само по себе было непросто, учитывая труднодоступный рельеф местности. Так они установили уклон тоннеля от одного портала к другому. Все топографические работы были завершены к осени 1858 года. Еще никогда раньше строители не могли быть уверены в точности предварительных исследований.

В первые годы много времени ушло на создание мастерских, жилищных условий для рабочих и установку энергетического оборудования. К концу 1860 года прокладка тоннеля продвинулась на ⅓ мили с северной стороны и на ½ мили с южной стороны. Все работы выполнялись только ручными бурами. К этому времени многие предсказывали, что прокладка тоннеля займет не меньше тридцати лет. В общем, в течение нескольких лет работы шли очень медленно. Энтузиасты не были обескуражены, но в 1863 году с радостью дали разрешение англичанину Джону Барраклафу Феллу построить железную дорогу по краю дороги Мон-Сени от Сен-Мишеля вверх через перевал вниз к Сузе – всего 48 миль. Это было временное разрешение, поскольку все понимали: если тоннель все-таки будет построен, железная дорога Фелла в одночасье станет бесполезной. Фелл начал строительство в 1866 году и завершил его за два года, потратив более 2 миллионов долларов. Она работала всего три года вместо ожидаемых десяти и впоследствии была продана для переустановки в Бразилии. Дорога имела колею 3 фута 7⅝ дюйма, то есть 1,1 м. Она проходила по крутым склонам – уклон временами составлял 8 градусов – и делала крутые повороты с радиусом, не превышающим 132 фута. Вместо реечной передачи колея имела центральный третий рельс, уложенный на 7½ дюйма выше ходовых рельсов. Два колеса локомотива, вращающиеся горизонтально, зажимали этот рельс между собой, чтобы добиться необходимой тяги.

Прокладка тоннеля в 1857 году началась с использования ручных буров. Буры, работавшие на сжатом воздухе, иными словами, буровые машины типа Соммейе, на итальянском конце появились в 1861 году, а на французском – двумя годами позже. Общий прогресс в 1858 году с использованием ручных буров составил 1506 футов, в 1870-м – 5364 фута. Иными словами, буровые машины оказались в три с половиной раза эффективнее. И в том и в другом случае камень – аспидный сланец. На самом деле, если не считать одной кварцевой и одной известняковой жилы, тоннель проходил через два вида сланцев с преобладанием известкового сланца. Буровая машина – тяжелая тележка на колесах, на которой установлено от семи до девяти буров или перфораторов, каждый из которых может производить до 200 мощных ударов по камню в выбранном месте. Шурфы для взрывов бурились так, чтобы развалить максимальное количество камня на куски, с которыми легко работать. Буры приводились в движение сжатым воздухом.

Две гидравлические компрессорные установки, по одной на каждом конце, обеспечивали подачу сжатого воздуха. В Бардонеккье, на итальянской стороне, был прорыт двухмильный канал, чтобы доставить водяную энергию под давлением 85 фунтов к компрессорам. Расход энергии был очень большим. Компрессорная система обеспечивала подачу сжатого воздуха под давлением 6 атмосфер. В Модане изначально была установлена аналогичная система, но с использованием воды реки Арк, которую два водяных колеса – каждое приводило в действие два насоса – поднимали на высоту 85 футов. В Модане, в конце концов, была установлена не столь затратная система. Сжатый воздух по всему тоннелю подавался к буровым машинам по 8-дюймовым трубам, проложенным вдоль одной стены тоннеля. Другая труба подавала воду к точкам бурения. Первый взрыв, произведенный королевской особой в 1857 году, был одним из более чем трех миллионов, выполненных за 14 лет. За это время было извлечено более миллиона кубических ярдов камня. В Мон-Сени в основном использовался черный порох, несмотря на то что открытие нитроглицерина датируется 1847 годом и его уже с 1866 года использовали при строительстве тоннеля Хусак. Более того, Альфред Нобель в 1867 году изобрел динамит, за четыре года до того, как в Мон-Сени прогремел последний взрыв.

Трудности, на которые указывали пессимисты, когда работы начинались, были решены по мере их возникновения изобретательными инженерами. Вентиляция являлась серьезной проблемой на протяжении всего периода работ, хотя отработанный воздух от буров слегка освежал атмосферу. Разделение тоннеля слегка изогнутыми горизонтальными перемычками – временными низкими крышами – помогало усиливать циркуляцию воздуха.

Рис. 14.8. Укладка последнего камня в арку входа в тоннель Мон-Сени в Бардонеккье, 18 августа 1871 г.

Температура камня редко превышала 75 градусов, отчасти благодаря обильному использованию охлаждающей воды. Несколько случаев ослабления каменного слоя оперативно и грамотно ликвидировались. Потолочная арка варьировалась по форме и толщине, чтобы нести различное давление. Проблемы от «бездонного» озера, которых многие опасались, так и не возникли. Озеро осталось в 14 длинных милях от тоннеля.

Тоннели встретились в день Рождества 1870 года. Французская сторона оказалась чуть выше, чем итальянская, – примерно на 2 фута. Ошибка в выравнивании по осевой линии была еще меньше. Тоннель получился на 45 футов длиннее, чем расчитывали. Место встречи было не в центре тоннеля. С итальянского конца было пройдено 4⅔ мили, с французского – 3⅓ мили. Строительство тоннеля завершилось летом 1871 года (рис. 14.8). Франция и Италия разделили расходы, составившие более 15 миллионов долларов.

От Сен-Мишеля во Франции, в долине реки Арк, железная дорога Мон-Сени шла по долине, вблизи старой дороги Мон-Сени, 10 миль до Модана, пройдя через 14 коротких тоннелей. Здесь она поворачивала и поднималась в горы еще 3 мили – к входу в тоннель Фурно, поднявшись от Сен-Мишеля на 1460 футов, затем она поднималась по уклону 2,1 процента по тоннелю, который на протяжении 7½ мили является прямым. В высшей точке рельсы находятся на 4393 фута выше уровня моря. Здесь над крышей тоннеля почти миля твердого камня – до Коль-де-Фрежюс. Оттуда остальная часть тоннеля практически ровная до южного входа в Бардонеккье. На итальянской стороне железная дорога следующие двадцать пять миль спускается по склону более крутому, чем на французской стороне. Она проходит по восьми виадукам и через 26 тоннелей, опустившись до 1600 футов над уровнем моря в Буссолено, что на старой дороге Мон-Сени, чуть ниже Сузы, где она соединяется с веткой Суза— Турин. Тоннель Мон-Сени стал первым из серии других крупных альпийских тоннелей, таких как Сен-Готард, Симплон и др. Строительство Симплонского тоннеля протяженностью 12¼ мили было связано с техническими трудностями, с которыми раньше не приходилось встречаться.

Железная дорога и тоннель Мон-Сени были построены в период с 1857 по 1871 год. В течение почти половины этого периода в Соединенных Штатах шла гражданская война. За десять лет до начала войны была намечена постройка первого в стране важного железнодорожного тоннеля – Хусак. Однако его постройка началась только в 1854 году. В отличие от Мон-Сени тоннель Хусак пронизывал относительно низкую гору, и была возможность пробурить две вертикальные шахты, что упростило работы. Как и в Мон-Сени, сначала использовали только ручные буры. Потом был проведен не слишком успешный эксперимент с паровыми бурами. Эти буры изначально были американским изобретением, датированным 1849 годом, но они оказались плохо приспособленными для прокладки тоннелей. Было трудно транспортировать пар по трубам на большие расстояния и решить проблему выхлопа. В 1860-х годах Чарльз Берли усовершенствовал пневматический бур. В Англии Томас Бартлет запатентовал паровой бур, который использовался в угольных шахтах. Он утверждал, что этот бур может также работать и на сжатом воздухе. Соммейе усовершенствовал машину Бартлета, и она начала использоваться в 1861 году на итальянской стороне тоннеля Мон-Сени.

Подводные тоннели

Тоннель под Темзой (рис. 14.9) в Лондоне обычно считается первым подводным тоннелем. На самом деле у него были предшественники – небольшие тоннели в угольных шахтах Западной и Северо-Восточной Англии. Тоннель под Темзой – памятник смелости, изобретательности и упорству одного человека – британского инженера французского происхождения Марка Изамбарда Брюнеля (1789–1849), отца Изамбарда К. Брюнеля. Строительство его 1200-футового тоннеля началось в 1825 году. Он предназначался для автомобильного транспорта. Его ширина 37 футов, высота 23 фута, и есть две полосы для движения транспорта. Тоннель отделан кирпичом, уложенным на строительный материал, который тогда называли римским цементом.

Для этого тоннеля Брюнель спроектировал то, что впоследствии назвали проходческим щитом. Это была сложная конструкция из чугуна и дерева, весившая 120 тонн, предназначенная для продвижения сквозь давящую глинистую породу под Темзой. Щит соответствовал форме тоннеля и состоял из 36 ячеек размером 3 на 7 футов каждая. Они открывались, позволяя рабочим вынимать некоторое количество синей глины перед щитом. Щит был разбит по вертикали на 12 секций, которые можно было передвигать вперед с помощью винтовых домкратов. Крыша тоннеля в некоторых местах располагалась всего в 13 футах под речным дном. За время строительства река пять раз прорывалась в тоннель. Семь рабочих утонули. После каждого прорыва из тоннеля откачивали воду и укрепляли породу над ним. Один раз работы были приостановлены на семь долгих лет. Тем не менее тоннель в конце концов был достроен. Это произошло в 1843 году. Брюнелю в то время было 74 года, и он страдал от последствий инсульта. Тоннель не имел финансового успеха и позже был приобретен железной дорогой. Теперь он является частью лондонской поземки и выполняет функции, о которых и подумать не мог его создатель.

Самый ранний американский подводный тоннель, о котором упоминалось в главе 13, был проложен под озером Мичиган в 1864–1867 годах для снабжения Чикаго водой. Он прошел через слой синей глины и прокладывался без щита. В обоих концах тоннеля пробурили вертикальные круглые шахты, которые отводили воду и через которые удалялся вынутый грунт. Тоннель – чугунная труба, внутренним диаметром 5 футов, выложенная кирпичом.

Рис. 14.9. Тоннель под Темзой, построенный в 1843 г.

Тоннель Брюнеля под Темзой продемонстрировал преимущества и недостатки его конструкции проходческого щита. Молодому британскому инженеру, южноафриканцу по рождению, Джеймсу Генри Грейтхеду (1844–1896) осталось только усовершенствовать конструкцию, как изначально предлагал Питер Барлоу (1809–1885), и создать прототип проходческого щита, который с тех пор широко используется во всем мире. Грейтхед был учеником и помощником Барлоу и использовал новый щит для прокладки второго тоннеля под Темзой в 1869 году. Этот пешеходный тоннель, расположенный вблизи Тауэра, назвали Тауэрским (рис. 14.10). Он был намного меньше первого тоннеля – его внутренний диаметр составлял 7 футов. Тоннель был обшит чугунными секциями, скрепленными болтами в кольца. Проходческий щит продвигался вперед с помощью винтовых домкратов, упиравшихся в обшивку тоннеля.

Рис. 14.10. Тауэрский тоннель

Тауэрский тоннель длиной 1350 футов располагался ниже, чем тоннель Брюнеля, поэтому проходил через неводоносный слой глины. Он был построен в 1869 году и первоначально оборудован маленькими вагончиками канатной дороги, рассчитанными на 12 пассажиров. Успешная постройка Тауэрского тоннеля дала основания для использования щита Грейтхеда для постройки более крупного тоннеля, соединившего Сити и Южный Лондон. Грейтхед начал работу над тоннелем в 1886 году, спустя поколение после открытия неглубокой лондонской подземки с паровыми локомотивами. Железная дорога началась от Монумента – знаменитой колонны в лондонском Сити, прошла под Темзой и еще на 3 мили дальше – до Стокуэлла в Южном Лондоне. Ее эксплуатация началась в конце 1890 года.

Рис. 14.11. Электрический локомотив и пассажирские вагоны на железной дороге, соединившей Сити и Южный Лондон

Тоннель отличался от лондонского метро. Он был построен скорее по образу и подобию Тауэрского тоннеля и состоял из сдвоенных чугунных труб диаметром более 10 футов каждая. Грейтхед использовал увеличенный вариант щита, который изобрел и использовал в Тауэрском тоннеле двадцатью годами ранее. Щит продвигался вперед с помощью гидравлических домкратов. Если встречались сложные водоносные слои, которые находились не под дном реки, он использовал сжатый воздух, чтобы не допускать воду. Этот метод, запатентованный в 1830 году, использовался при строительстве фундаментов для мостовых опор и при прокладке ряда коротких тоннелей, но лишь с переменным успехом. Таким образом, Грейтхед первым использовал эти две техники вместе и создал прецедент для прокладки тоннелей в будущем – вплоть до наших дней. Максимальное давление воздуха на этом проекте – на 15 фунтов на квадратный дюйм выше атмосферного.

Источником энергии на железной дороге, соединившей Сити и Южный Лондон, с самого начала было электричество, хотя первые планы предусматривали канатную тягу. Это была первая подземная железная дорога, на которой использовалось электричество. Маленькие составы из трех прицепных вагонов тянули электрические локомотивы, изготовленные Siemens Brothers, которые весили всего 13½ тонны. В вагонах с очень маленькими окнами вмещалось 32 пассажира, правда, без особого комфорта. Средняя скорость поезда – 12–13 миль в час. После тридцатилетней службы трубы были перестроены и немного расширены, при этом движение не прекращалось.

В 1879 году было предпринято две эпохальные попытки использовать при строительстве тоннелей сжатый воздух без проходческого щита. Первая – в Антверпене. Там строился короткий тоннель шириной 5 футов и высотой 4 фута с одновременным проведением ряда гидротехнических работ на Шельде. Проект достиг своей цели. Вторая попытка была намного более масштабной. Это прокладка тоннеля под рекой Гудзон в Нью-Йорке. Де Витт Клинтон Хаскин, оптимистичный и очень состоятельный калифорниец, вдохновленный успешным использованием сжатого воздуха Идсом в 1869–1870 годах или Уильямом Суй Смитом при строительстве моста через Миссури, в 1873 году приехал в Нью-Йорк с самыми грандиозными планами. Он намеревался проложить под рекой тоннель, который позволит нескольким железным дорогам, заканчивающимся в Джерси и Хобокене, продлиться через тоннель до грандиозного общего вокзала, который следовало построить на Вашингтон-сквер. Гудзон здесь имеет ширину почти милю, а его глубина местами достигает 60 футов. Грунт под дном реки – почти жидкий ил. Вероятно, Хаскин знал о Тауэрском тоннеле Грейтхеда. Он, по-видимому, был непоколебимо уверен в том, что сжатый воздух сделает проходческий щит ненужным.

Он начал работы с шахты на 15-й улице в Джерси в 1874 году. После многолетней задержки из-за судебных тяжб в 1879 году он приступил непосредственно к прокладке тоннелей. Они имели эллиптическую форму, ширину 16 футов, высоту 18 футов и были выложены 3-футовой кирпичной кладкой внутри оболочки из железа толщиной ¼ дюйма. Летом 1880 года сжатый воздух не смог сдержать ил в одном месте, в непосредственной близости к шахте в Нью-Джерси, и 20 человек утонули. Работы позже возобновились, но снова прекратились в 1882 году, когда закончились средства. Хаскин продвинулся на 1600 футов в северном тоннеле и на 600 футов в южном, все со стороны Нью-Джерси. В 1889 году лондонская фирма «Пирсон и сын», имевшая большой опыт прокладки тоннелей и подземных работ, снова взялась за этот проект и работала над ним больше двух лет. Надо было восстановить уже построенную часть тоннеля и продлить его, используя чугунную обкладку, что к этому времени стало обычной практикой. Эта фирма умела использовать проходческий щит и сжатый воздух совместно. Инженеры столкнулись с беспрецедентной трудностью в виде пластов коренной породы вблизи нью-йоркского берега. Никто не знал, как вести работы в тоннеле, проходящем частично в иле, частично в камне. В 1892 году и у британской компании закончились деньги, и работы остановились. Компания построила 1800 футов тоннеля в обкладке из чугуна.

Примерно в это же время тоннель диаметром 10 футов и длиной 2500 футов в обкладке из чугуна прокладывался под Ист-Ривер на глубине почти 125 футов под водой. Этим занималась газовая компания «Ист-Ривер». Тоннель соединил Манхэттен и Лонг-Айленд. С самого начала предполагалось, что тоннель почти полностью пройдет сквозь камень, поэтому проходческий щит не был подготовлен, и сжатому воздуху особого внимания не придавали. Через несколько месяцев тоннель, продвигаясь с разных сторон, вошел в мягкий водоносный слой, который сжатый воздух при безопасных давлениях не мог держать. После многих бесполезных попыток подрядчик отказался от продолжения строительства, и оно было поручено Чарльзу М. Джейкобсу (1850–1919), британцу по рождению. Тот немедленно собрал проходческие щиты. В мягком водоносном слое работы сразу пошли быстрее. В конце 1894 года тоннель был достроен и полностью готов для установки 39-дюймовой газовой трубы и прокладки узкоколейной железной дороги. Этот тоннель стал своего рода экспериментальной лабораторией для разработки принципов прокладки субаквальных тоннелей в регионе Нью-Йорка. Проблемы со щитами и сжатым воздухом здесь успешно решались в самых разных условиях, в том числе для взрыва каменной породы в тоннеле, части которого располагались в мягком водоносном слое.

После завершения прокладки этого тоннеля Джейкобсу предложили рассмотреть вопрос об осуществимости и возможной цене завершения строительства двух гудзонских речных тоннелей, которые остались «похороненными» в иле с тех пор, как фирма Пирсона прекратила работы в 1892 году. В 1902 году за дело взялась американская фирма, президентом которой был Уильям Г. Макаду, а инженером – Джейкобс. Изначальный план был существенно изменен, и результатом в 1904–1905 годах стал тоннель Макаду как часть железной дороги Гудзон – Манхэттен.

До того как двойной речной тоннель был построен, возникли две необычные ситуации. Было установлено, что в илистом слое общая нагрузка в 2500 тонн, которую оказывали 11 гидравлических домкратов на щит, часто была достаточна, чтобы продвинуть его вперед без необходимости использования других приспособлений. После этого «слепая проходка» – так ее назвали – стала общепринятой процедурой. При использовании этого метода в одном из тоннелей было пройдено за день 72 фута. Однажды возле нью-йоркского берега проходчики наткнулись на каменную жилу, и имело место несколько воздушных выбросов. Речь идет о выбросе сжатого воздуха в тоннель, после чего образовался гигантский пузырь, пробившийся через мягкий ил и, вероятно, вынесший на поверхность людей и оборудование. С барж стали сбрасывать глину, чтобы укрепить речное дно над тоннелем. Глина, опускавшаяся вниз, становилась почти жидкой и задачу не выполнила. Слой глины затвердел, когда внутри тоннеля разожгли горелки, и дал возможность продолжать работу. Джейкобс впоследствии говорил, что никогда раньше в истории люди не изготавливали кирпичи под дном реки. Первая пара тоннелей (северная) была закончена в 1904 году, спустя 30 лет после начала проекта Хаскином.

Когда строительство тоннелей Макаду – Гудзонского и Манхэттенского – близилось к завершению, начал оформляться план прокладки тоннеля под Гудзоном в районе 32-й улицы. Пенсильванские тоннели располагаются примерно в 1½ мили к северу от северной части тоннелей Макаду. Они имеют немного больший диаметр, и чугунная обкладка усилена слоем бетона толщиной по крайней мере 2 фута. Дно Гудзона здесь, по сути, не отличается от того, что южнее. Это глубокий слой илистых отложений, и коренная порода под ним на разных, но весьма значительных глубинах. В одном месте каменная порода была в 300 футах ниже уровня воды. Не приходилось сомневаться, что тоннели в мягком иле не выдержат нагрузки от тяжелых локомотивов и вагонов, хотя существенного оседания в Гудзонском и Манхэттенском тоннелях не было. Правда, там ходили только легкие поезда. Сначала было предложено решить проблему с помощью забивки свай до более твердого грунта. В конце концов, после долгих исследований их сочли ненужными. Вместо этого укрепили крышу и обратный свод стальными стержнями, а бетонную облицовку сделали толще. В результате вес тоннеля, фут за футом, включая максимальную нагрузку от поезда, сравнялся с весом вытесненного ила. Тоннель, в сущности, превратился в плавучий цилиндр, подвешенный на концах.

В районе Таппа-Зи, в 22 милях к северу от Пенсильванских тоннелей, дно Гудзона все еще представляло собой слой ила – местами до глубины 300 футов. Здесь в 1952–1955 годах был построен мост длиной около 3 миль, главный пролет которого – консольный – имел длину 2400 футов. Опоры этого пролета поддерживались восемью огромными полуплавучими закрытыми кессонами, или коробами армированного бетона, опирающимися на стальные сваи, уходящие вглубь до коренной породы.

Мы намеренно ограничили наш рассказ о подводных тоннелях только двумя городами, Лондоном и Нью-Йорком, и не упоминали о современных крупных проектах. Хотя довольно интересными представляются длинные железнодорожные тоннели под рекам Северн и Мерси в Англии, тоннель под рекой Сен-Клэр между Мичиганом и Канадой и многие другие. В целом можно сказать, что подводные тоннели – относительно современное творение, начало которому было положено в XIX веке, в то время как горные тоннели уходят корнями в далекую Античность, и их развитие отлично иллюстрирует эволюцию инженерной мысли.

Глава 15

Размышления

Хотя эта глава является последней в настоящей книге, посвященной инженерному искусству в истории, но это вовсе не означает, что в развитии инженерии поставлена точка. На самом деле, учитывая ускоренное развитие инженерии в последние столетия, представляется, что в середине XX века общество находится только на начальных этапах прогресса инженерии, который кардинально меняет человеческую жизнь. Новые источники механической энергии, новые первичные двигатели и автоматический контроль в ближайшее время приведут к трансформации деятельности человека.

Как показано в предыдущих главах, в истории технического прогресса существует упорядоченная последовательность. Ее блестяще проанализировал Эббот Пейсон Ашер. Между тем скорость инженерного прогресса не всегда была одинаковой. Развитие инженерного искусства пошло намного быстрее после сближения инженерии и науки, которое имело место в середине XIX века. Нет и не может быть никаких сомнений в том, что развитие источников энергии, помимо мускульной силы человека, имело всеобъемлющее влияние на западную цивилизацию и ускорило прогресс инженерии.

Замена мускульных усилий человека механическими приспособлениями началось в Средние века с изобретения водяных колес, ветряных мельниц, хомута и парусного вооружения судов. С тех пор механическая энергия позволила увеличить благосостояние людей, избавив их от тяжелого ручного труда. Они больше не должны были грести, тянуть плуг, сани или телегу, поднимать воду. С изобретением парового двигателя в XVIII веке, а также турбин, двигателей внутреннего сгорания, электрических генераторов и моторов в XIX веке применение энергии для выполнения тяжелых работ еще более ускорилось. Средняя энергия, которую человек может затратить при ручном труде за день, по оценкам экспертов, составляет 35 ватт (1/20 лошадиной силы). Если он будет работать по 8 часов в сутки 240 дней в году, это составит 67 киловатт-часов в год. Согласно данным Edison Electric Institute, рабочий в Соединенных Штатах, занятый в промышленности, в 1954 году использовал 17 314 киловатт-часов электроэнергии (рис. 15.1). Электричество обеспечивает примерно 95 процентов энергии для промышленности. Иными словами, каждый работник, занятый в процессе производства, контролирует количество энергии, эквивалентное мускульным усилиям 244 человек. Среднестатистическая семья в Соединенных Штатах в 1954 году использовала 2549 киловатт-часов электроэнергии (рис. 15.2). Иными словами, каждая семья использует количество энергии, эквивалентное мускульным усилиям 33 человек, для помощи в домашнем хозяйстве. Каждый водитель автомобиля мощностью 100 лошадиных сил имеет под контролем механические усилия более 2000 рабов, чтобы проехать по дороге.

Машинист локомотива и пилот самолета контролируют впечатляющее количество энергии. Под контролем машиниста локомотива, как правило, двигатель мощностью 5000 лошадиных сил. При экономичной скорости пилот пассажирского турбореактивного самолета имеет в своем распоряжении 35 000 или больше лошадиных сил – эквивалент мускульных усилий 700 000 человек. Оператор крупной электростанции движением пальцев управляет грандиозными мощностями – более 1 миллиона лошадиных сил. Это больше, чем мускульные усилия всего населения штата Коннектикут.

Рис. 15.1. Киловатт-часы на одного промышленного рабочего в год в США

Самый крупный источник энергии, доступный большинству американцев, – автомобильный двигатель мощностью 100 лошадиных сил. Домашняя хозяйка в США управляет в своем доме самыми разными электроприборами, каждый из которых производит работу, эквивалентную усилиям нескольких человеческих существ. Хотя многие авторы утверждают, что все эти многочисленные электроприборы решили проблему домашнего труда, мы считаем, что проблема еще не решена. Тем не менее, как заявляет Филипп Ле Корбейлер, «…механическая энергия изменила статус женщины в обществе. Электроприбор действует благодаря нажатию кнопки или повороту выключателя, и выполняет это действие хрупкая женщина без физической силы и опыта. Причем она может пользоваться этим прибором более квалифицированно, чем здоровяк с горой мускулов, но нехваткой мозгов. Это означает экономическую независимость, возможность отделиться от семейной ячейки, если женщина хочет. Мы уже говорили, что быстрая транспортировка породила социальную текучесть. Женщина может переехать в другой город и начать строить там новую жизнь, которую она по тем или иным причинам не сумела построить на старом месте. У нее меняется психология, повышается самооценка. Об этом можно говорить бесконечно».

Рис. 15.2. Киловатт-часы на одну семью в год в США

Трудно переоценить социальную значимость замены мускульных усилий человека механической энергией. Понятно, что 700 000 человек не могут напрямую производить энергию для полета самолета с 50 пассажирами со скоростью 500 миль в час. Западные сообщества, адаптировавшись к механической энергии, используют ее для множества целей, а не только как замену человеческим мускульным усилиям. Расширение использования энергии сделало XX век золотым веком энергии.

Развитие автоматического регулирования в XX веке имело не меньшее влияние на человеческое благосостояние, чем механическая энергия. Автоматический контроль – это система, выполняющая автоматическое саморегулирование, обеспечивая при необходимости перенастройку процесса и контроль выхода. Пожалуй, самым знакомым прибором автоматического регулирования является домашний термостат. Он отключает обогрев, когда температура в доме повышается выше установленного значения, и вновь запускает его, когда температура становится слишком низкой. Информация термометра о температуре в комнате подается на обогреватель, который, в свою очередь, контролирует температуру. Основа автоматического регулирования – принцип обратной связи. В нем один или больше системных сигналов, сформированных в управляющий сигнал, оказывают регулирующее воздействие на объект.

Хотя автоматическое регулирование не являлось важным фактором в социальной истории до XX века, оно появилось в XVIII веке. Один из первых приборов автоматического регулирования был на первом паровом двигателе Ньюкомена в 1712 году. Поскольку полный цилиндр пара вызывает временное понижение давления в маленьком бойлере, Ньюкомен соорудил устройство автоматического контроля, которое регулировало операцию таким образом, чтобы двигатель совершал один полный цикл, только когда в бойлере было достаточно для этого пара. После того как цилиндр наполнялся паром, истощая бойлер, двигатель останавливался. Когда бойлер производил достаточно пара, чтобы вновь наполнить цилиндр, поплавковое устройство открывало впускной клапан, допуская воду в цилиндр, чтобы конденсировался пар. Атмосферное давление двигало поршень вниз, и шток, закрепленный на балансире, сначала закрывал впускной клапан, а потом, когда поршень опускался, открывал паровой клапан, нарушая вакуум и позволяя поршню вновь подняться к верху цилиндра.

Рис. 15.3. Приспособление для удержания главных парусов по ветру

В середине XVIII века некоторые изобретатели добавили автоматическое управление к ветряным мельницам. В 1750 году Эндрю Мейкл (1719–1811) изобрел «веерообразный хвост» – он же муха. Прибор Мейкла – это небольшая вертушка, установленная под прямым углом к главным парусам на диаметрально противоположном им конце поворотной башни (рис. 15.3). Если главные паруса установлены неправильно, ветер будет вращать вертушку, поворачивающую башню, пока главные паруса не установятся по ветру. Еще до 1787 года, когда Томас Мид получил соответствующий патент, для регулировки жерновов мельниц использовались центробежные регуляторы. После этого стали производиться разные модификации жалюзийных крыльев, и Уильям Кьюбитт запатентовал крыло, автоматически управляющее скоростью мельницы. Когда сила ветра возрастала, жалюзи приоткрывались, пропуская часть его, и скорость вращения крыльев оставалась постоянной.

Это автоматическое регулирование, включая адаптацию Уаттом центробежных регуляторов для дроссельного клапана, чтобы стабилизировать скорости двигателей, имело тенденцию к осцилляции. В XIX веке инженеры придумали демпферы – устройства для гашения колебаний в регуляторе. В тот же период математики и физики разработали теорию регулирования и вывели дифференциальные уравнения, описывающие осцилляцию и демпфирование. Но только в 1920-х годах инженеры начали активно использовать эту теорию для создания надежных и быстродействующих сервомеханизмов. Инновации минимизировали тенденцию к колебаниям и повысили возможности использования автоматического регулирования. Результат – быстрый рост использования инструментов, приборов и аппаратуры в промышленности Соединенных Штатов. Например, промышленность в 1951 году приобрела вдвое больше приборов и аппаратуры для точного регулирования, чем в 1946 году.

Социальная значимость внедрения приборов автоматического управления и регулирования аналогична значению энергетической революции в Средние века. Если развитие механической энергии освободило людей от роли главного источника энергии для осуществления тех или иных процессов, то применение приборов автоматического регулирования избавило людей от контроля за этими процессами. Однако нет оснований полагать, что человек со временем окажется полностью устранен из системы производства. Как и в случае с механической энергией, автоматическое управление стало не просто устройствами, а способом сэкономить трудозатраты. Многие современные процессы могут функционировать только под автоматическим управлением.

Управление ими человеком сделало бы их замедленными и дорогостоящими.

Если 50 000 контрольных приборов на нефтеперерабатывающих заводах США перестанут работать, произойдет национальная катастрофа. Заводы станут безжизненными грудами металла. Если же мы решим заменить их старыми, управляемыми вручную заводами, их придется построить в четыре или даже пять раз больше, чтобы удовлетворить наши современные потребности в топливе. Некоторые современные химические процессы придется прекратить, выход моторного топлива из сырой нефти снизится на три четверти, стоимость взлетит до небес, а качество упадет. Надо будет переделать автомобильные двигатели, чтобы они могли работать на топливе низкого качества. Из-за низкого выхода топлива придется добывать быстрее и больше сырой нефти.

Управление процессом сгорания в котле современной электрической установки – другой пример развития автоматического управления. Сигнал о производительности генераторов поступает по обратной связи на котельную установку, и любой рост расхода энергии приводит в действие автоматический механизм, управляющий насосами питательной воды, вытяжными вентиляторами и подачей топлива, так что в котельной не нужен персонал – надо только следить за записями и быть наготове на случай непредвиденной ситуации.

История автоматического управления содержит социальные аспекты, к которым одни относятся с тревогой, другие – с безразличием. Автоматическое управление, как и механизация, могут нести определенную угрозу обществу, поскольку следствием их внедрения является технологическая безработица. Эта проблема существовала с первых этапов промышленной революции. Широкое распространение паровых двигателей привело в начале XIX века к бунтам рабочих, опасавшихся, что паровые машины лишат их работы. На самом деле появление новых механизмов и машин создало новые отрасли деятельности с новыми рабочими местами, требовавшими больше опыта и образования. В середине века одним из тезисов, на котором Карл Маркс основал свою теорию эксплуатации труда капиталом, была неизбежность технологической безработицы. История показала, что, хотя такое явление возможно, оно вовсе не является неизбежным. Более того, недолгая история автоматического управления доказала, что она не вызовет ничего, кроме временной технологической безработицы, по крайней мере в развитом промышленном обществе. Дело в том, что капиталовложения на каждую произведенную единицу продукции, как и затраты труда на нее, уменьшаются. Автоматическое управление и дальше будет способствовать уменьшению капиталовложений на единицу продукции благодаря увеличению общего выпуска.

Некоторые люди считают, что механизация промышленности и автоматическое управление приведет к остановке в развитии человеческого разума – люди разучатся думать. На самом деле история показала, что важные прорывы в технологии и науке часто сопровождаются прогрессом в литературе и искусстве, поскольку у людей появляются материальный достаток и свободное время, чтобы заниматься чем-то, помимо производства. Автоматический контроль не только способствует сокращению рабочих часов, но и, как и механизация, ликвидирует тяжелый монотонный труд. Рабочие повышают квалификацию, чтобы справляться с новыми машинами, а повышение статуса рабочего способствует росту всеобщего благосостояния.

Влияние инженерии на общество

В настоящей книге мы постарались доказать, что прогресс инженерии жизненно важен, как одна из независимых переменных, от которых зависит эволюционный исторический процесс. Нам осталось только раскрыть природу влияния инженерии на человеческую деятельность и человеческие ценности.

Понятно, что инженерия внесла большой вклад в материальное благосостояние людей. Мало кто согласился бы сейчас вернуться к физическим трудностям раннего Средневековья или даже середины XIX века с эпидемиями, недоступной большинству людей энергией, 70-часовой рабочей неделей и низкими доходами. С тех пор всеобщее благосостояние и здравоохранение существенно улучшились. Рабочая неделя сократилась, появилось два выходных дня каждую неделю. Как правило, рабочим предоставляется оплачиваемый двух- или трехнедельный отпуск. Существенно повысился уровень жизни. Снизилась смертность от инфекционных заболеваний – в основном благодаря очистке питьевой воды.

Совершенствование здравоохранения – дело не одной только инженерии, которая неразрывно связана с другими областями знаний. Два очень важных фактора, один моральный, другой научный, были необходимы для того, чтобы санитарная инженерия стала эффективной. Первый – общий подъем стремления к улучшению благосостояния населения, который начался во второй половине XVIII века. Нет стимула предотвращать смерти, если не ценить человеческую жизнь. И в 1740–1800 годах во многих странах наблюдалось резкое снижение детской смертности. В 1740 году только один ребенок из четырех родившихся достигал возраста пяти лет. На детей не обращали внимания. К 1800 году уровень детской смертности снизился наполовину благодаря возросшему интересу к детям духовенства и медиков. Причем не появилось никаких новых и эффективных лекарств. Всего лишь улучшился уход. Жизнь стала цениться выше, что стимулировало прогресс санитарной инженерии.

Второй фактор – пастеровская теория бактериального происхождения инфекционных заболеваний, о которой уже шла речь. Без знаний, даваемых этой теорией, они могли быть – исключительно по воле случая – или здоровыми, или зараженными бактериями. Длинные акведуки римских времен, по которым вода текла под действием силы тяжести из далеких источников, несли в города воду относительно чистую. Появление водяных колес, а впоследствии паровых насосов дало возможность городу получать воду из ближайшей реки. Установка насосов сократила расходы на постройку акведуков, но одновременно стала нести смерть в города из-за загрязненности речной воды. В этом случае на помощь пришла инженерия. Но только самой по себе инженерии недостаточно, Она должна взаимодействовать с другими областями знаний и руководствоваться этическими принципами. При этом самые обширные знания в сочетании с высочайшими человеческими ценностями не смогут принести весомую пользу обществу без прогресса инженерии.

Религия с глубокой древности играла большую роль в жизни людей. И если инженерия не играла прямой роли в формировании религиозных догм, технология существенно облегчила передачу религиозных учений миллионам людей. Производство папируса, бумаги и чернил было важным для распространения религии, так же как и общее образование. Строительство храмов обогатило религиозную жизнь, которую теперь трудно представить без них. Освобождение людей от постоянной тяжелой физической работы сделало возможным – но, конечно, не стимулировало – появление великих религиозных вождей и дало больше возможностей широким народным массам следовать за этими вождями по пути веры и надежды. Было бы нелепо утверждать, что религия напрямую зависит от инженерии, тем не менее в какой-то степени – едва ли кто-то скажет точно, в какой именно, – она расширила религиозный опыт.

Также инженерия внесла свой вклад в развитие искусства, прогресс знаний и прогресс социальной справедливости. Благодаря инженерам появилось много прекрасных зданий, мостов и других сооружений, хотя прогресс в строительстве не обязательно гарантирует эстетику архитектурных форм. Хотя. Создание, скажем, стрельчатых арок, арочных контрфорсов и ряда других элементов придало потрясающую красоту готическим соборам. Без этих инноваций было бы невозможно выразить эстетические принципы готической архитектуры. Необходимо, чтобы инженерия испытывала уважение к красоте, что, к сожалению, бывает далеко не всегда. Тем не менее есть много примеров сочетания инженерного прогресса с высочайшими эстетическими ценностями. Мост Роберта Майара Швандбах, к примеру, не только выполняет свое функциональное назначение, но также очень красив (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Мост Швандбах Роберта Майара, Швейцария, 1933 г.

Прогресс в транспортной и коммуникационной инженерии расширил возможности наслаждения красотой и вполне мог способствовать распространившемуся в последнее время почитанию красоты. А.Н. Уайтхед писал: «Как раз когда урбанизация западного мира вошла в стадию быстрого развития и когда стали необходимыми самые тонкие, трепетные рассуждения об эстетических качествах нового материального окружения, доктрина ненужности таких идей (естественной и художественной красоты) набрала силу. В развитых промышленных странах искусство стало считаться легкомыслием. Яркий пример таких настроений в середине XIX века можно видеть в Лондоне, где сказочную красоту эстуария Темзы варварски изуродовали железнодорожным мостом железной дороги Чаринг-Кросс, построенным без учета эстетических ценностей». Уродство многих промышленных городов XIX века слишком хорошо знакомо, чтобы оспаривать этот тезис Уайтхеда. Достаточно сказать, что инженерия, изолированная от эстетических ценностей, может породить только уродство.

Современные средства транспорта позволили миллионам людей увидеть величайшие произведения искусства, природные красоты. Современные люди, в отличие от их средневековых предшественников, имеют возможность путешествовать по всему миру. Средства массовой информации, несмотря на обилие низкосортных программ, обеспечивают всех желающих возможностью слушать великие музыкальные произведения. Инженерия сыграла жизненно важную роль в распространении знаний, облегчила проникновение учености в широкие массы. Она дала ученым инструменты для научных исследований, одновременно поставив перед ними проблемы, решение которых стало важным научным прогрессом.

Инженерные достижения внесли немалый вклад в распространение веры, красоты и исторической правды, а также социальной справедливости. Мы уже неоднократно говорили о механической энергии, способствовавшей избавлению человека от тяжелого ручного труда, в результате чего у него появилось свободное время и возможности для развития. Это было также мощной силой, способствовавшей росту западных демократий. Равенство людей дало им больше желания добровольно быть хорошими. Одновременно были развеяны самые разные предрассудки и суеверия, а также тьма невежества. Многие инженерные приборы облегчили обнаружение жестоких и несправедливых людей, преступников. Бич XVIII века – пиратство – было практически ликвидировано, в основном благодаря улучшению коммуникаций, облегчивших международное сотрудничество. После убийства в городе Слау телеграф, а потом также телефон и радио дали возможность органам правопорядка опережать преступников. Уличное освещение и мобильные силы полиции стали предотвращать преступления. К сожалению, преступники тоже научились пользоваться достижениями технического прогресса.

Некоторые принципы социальной справедливости усовершенствовались в сравнении с теми, что существовали в XVIII веке, но была и регрессия. Некоторые правительства аморально использовали телеграф, телефон и радио, не говоря уже о таких инженерных достижениях, как порох, динамит и т. д. Они стремились только к централизации политического контроля, напрочь отметая личные свободы и ценности населения.

Нельзя забывать о том, что так называемые цивилизованные страны прискорбно злоупотребили имевшейся в их распоряжении механической энергией и машинами, использовав их для разрушения в двух мировых войнах XX столетия. И пока мировое сообщество делится на антагонистические нации, возможность еще одного морального краха и начала новой разрушительной войны продолжает существовать. Учитывая уроки войн и создание новых видов оружия, многие люди требуют запретить любые инженерные исследования, результаты которых могут быть использованы во зло. Подобный мораторий был бы нелепым, даже если бы его можно было осуществить. Проблема заключается в том, что некоторые виды знаний, особенно социальные науки, следует развивать опережающими темпами, тем самым укрепляя силы добра.

В обществах всегда существовали те или иные проблемы с властью – даже еще до появления механической энергии. Рассмотрим, скажем, угнетение фараоном израильтян, описанное в Исходе. Кульминацией тиранических актов фараона стал его приказ не поставлять израильским производителям кирпичей солому, как раньше. Тем не менее израильтяне должны были выпускать прежнее количество кирпичей. Вынужденные сначала собирать солому, а уж потом заниматься кирпичами, израильтяне не могли изготавливать их прежнее количество, за что были сурово наказаны. Нацистский режим в 1930-х годах преследовал ту же цель, но по другим причинам и используя другие средства. Профессор Уайтхед писал: «В настоящее время развернулась яростная дискуссия о будущем цивилизации в новых условиях стремительного развития науки и технологии. Делались различные прогнозы по поводу грядущих бедствий, таких как утрата религиозной веры, злонамеренное использование материальной мощи, деградация, обусловленная высокой рождаемостью в среде недостаточно цивилизованной части населения, подавление эстетического творчества. Все эти действия, несомненно, опасны и угрожающи. Но они не новы. С начала истории люди утрачивали религиозную веру, всегда страдали от злоупотребления властью, от бесплодия лучших интеллектуальных представителей, всегда были свидетелями периодических упадков в искусстве. В царствование египетского фараона Тутанхамона развернулась жестокая религиозная борьба между модернистами и фундаменталистами; древние наскальные рисунки показывают, как фазы высоких эстетических достижений сменялись периодами относительного вульгаризма, религиозные лидеры, крупнейшие мыслители, великие поэты и писатели, церковные круги средних веков были в подавляющем большинстве бесплодны. Наконец, если мы обратим внимание на то, что действительно происходило в прошлом, и не будем придавать особого значения романтическим взглядам демократов, аристократов, королей, генералов, военнослужащих и купцов, то мы увидим, что материальная сила обычно действовала слепо, упрямо и эгоистично, часто с жестокой злобой. Но человечество прогрессировало».

Content

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

Глава 1 Истоки

Глава 2 Городское сообщество

Строительство в месопотамии

Гидравлическая и санитарная инженерия

Дороги, мосты и суда

Египетская инженерия

Пирамиды и храмы

Ирригация

Глава 3 Греческая инженерия

Минойская инженерия

Микенский вклад

Греки

Греческая инженерия

Эллинистический мир

Глава 4 Имперская цивилизация

Инженеры

Строительство

Водоснабжение

Мосты

Дороги

Озера, реки и гавани

Измерения

Машины

Добыча полезных ископаемых и металлургия

Византийская инженерия

Глава 5 Революция в энергетике

Энергия

Строители и постройки

Дороги и мосты

Каналы и тоннели

Дамбы, гавани, пристани

Глава 6 Фундамент для промышленности

Инженерные инструменты

Здания и мосты

Каналы и гавани

Городское строительство

Вода и огонь

Глава 7 Промышленная революция

Паровые двигатели

Энергия воды

Формулы

Железо

Цемент

Глава 8 Дороги, каналы, мосты

Каналы

Каменные мосты

Мосты с фермами

Ранние подвесные мосты

Трубчатые мосты

Глава 9 Пароходы и локомотивы

Пароходы

Паровые двигатели на судах

Локомотивы

Локомотивы на рельсах

Глава 10 Железо и сталь

Промышленность

Стальные мосты

Высотные строения

Глава 11 Электротехника

История электричества

Телекоммуникация

Электрическая энергия: генерирование и использование

Электростанции

Глава 12 Современный транспорт

Железные дороги

Городские железные дороги. трамвайные пути

Судоходство

Дорожное сообщение

Авиация

Трубопроводы

Глава 13 Гидравлическая и санитарная инженерия

Санитарная инженерия

Водоснабжение города нью-йорк

Сброс сточных вод

Реки и каналы

Ирригация и мелиорация

Глава 14 Строительство

Небоскребы

Подвесные (висячие) мосты

Стальные арочные мосты

Железобетонные мосты

Железнодорожные горные тоннели

Подводные тоннели

Глава 15 Размышления

Влияние инженерии на общество