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 1012 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 2045 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 457474 годы.
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 457474 годы.