6.1.2. «Архитектура» Витрувия

Начавшееся в I веке н.э. огромное строительство (как гражданское, так и военное), разработка военной техники и появление первой энергомашины – водяной мельницы, – настоятельно требовали использования принципов механики, в первую очередь статики и кинематики. Первым осознал эту потребность знаменитый римский архитектор и военный инженер времен Ю. Цезаря и императора Августа Марк Витрувий Поллион (I в до н.э. – I в н.э.). Биографические данные о нем крайне скудны – предположительно он родился как свободный римский гражданин в Кампани. Получив архитектурное образование, он в качестве военного инженера участвовал в походах Юлия Цезаря, разрабатывая и эксплуатируя военную технику в его армии. Позднее, в “веке Августа”, он занялся гражданским строительством, где стал известен как автор базилики Фанума и конструкции римского акведука.

На основе своего богатого практического опыта Марк Витрувий написал энциклопедическое сочинение “10 книг об архитектуре” (13 г. до н.э.). Это сочинение, дошедшее до наших дней (имеется русское издание 1936 г.), подытоживает опыт римского и греческого строительства, а также опыт проектирования и эксплуатации самых разнообразных машин, механизмов и сооружений, известных к тому времени. При этом автор подчеркивает, что почти все идеи и принципы функционирования этой техники заимствованы у греков. Уже в 1-й книге он говорит ”Архитектура охватывает три части: строительство зданий, производство часов и постройку машин”. При этом уточняет, что “Машина есть прочное соединение деревянных частей, предназначенное для передвижения тяжелых грузов и приводимое в движение искусственным образом по кругу”. Стоит заметить, что в те времена железо шло по преимуществу на подковы и гвозди.

Переходя к описанию конкретных машин, автор сводит принцип их действия к обычному рычагу, но при этом всячески избегает теории рычага, созданной Архимедом, ограничиваясь рассуждениями в духе аристотелевых “Механических проблем”. Тем не менее само описание машин и их элементов представляет большой интерес. В основном эти описания приводятся в последней 10-й книге, где Витрувий обсуждает конструкцию и излагает принципы действия водяной мельницы с зубчатыми передачами между перпендикулярными валами, работу архимедова винта, поршневого насоса Ктесибия и др. Также он дает зарисовки кранов и полиспастов, метательных машин типа “скорпион” и катапульта, кузнечных мехов, различных экипажей и повозок, дорожно–строительных машин, водочерпальных колес и т.д. Наибольший интерес для римской практики представляли тогда водяные мельницы, пришедшие из Греции и оказавшиеся весьма востребованными. В 9-й книге Витрувий детально описывает 30 конструкций солнечных часов, строившихся в разное время в Греции, Египте и Риме, причем упоминает имена их изготовителей. В заключительной части излагается состояние прикладной механики того времени и дается описание различных типов машин – военных, подъемных, строительных и пр. При этом автор справедливо утверждает, что геометрическое подобие машин разного размера вовсе не соответствует подобию их механических и прочностных свойств. Особенно явно это прослеживается в конструкциях строительных машин и подъемных механизмов. В книгах трактата освещаются также вопросы гидравлики и пневматики. Везде Витрувий провозглашает девиз: “Польза, прочность, красота”.

Будучи, как и большинство римских архитекторов, квалифицированным военным инженером, Витрувий дает конкретные рекомендации по построению баллист, катапульт и осадных орудий, подчеркивая зависимость габаритов конструкции и натяжение ее канатов от калибра снаряда. Обсуждая планировку городских улиц, автор указывает на важность учета направления ветра, ориентации домов и улиц относительно меридиана и т.д. Большое внимание он уделяет пропорциям колонн: высота дорической колонны должна в 6 раз превосходить толщину ее основания, ионической – в 8 раз. Для ионических колонн он предложил свой метод построения волюты – спирали ионического ордера: она должна состоять из последовательности круговых дуг длиной по 90⁰ каждая, причем радиусы их должны убывать по определенному закону.

Исходя из общих соображений симметрии и гармонической пропорциональности целого и его частей, Витрувий установил эстетические пропорции человеческого тела: высота лица от подбородка до верхней границы лба должна составлять 1/10 от роста, ширина груди – ¼ роста. Эти пропорции впоследствии были воспроизведены Леонардо да Винчи на его известном рисунке “Витрувианский человек”. Подчеркивая энциклопедический характер своего сочинения Ветрувий включил в него перечень требований к квалификации римского архитектора. Он должен:

- уметь излагать свои мысли

- искусно чертить и рисовать

- знать геометрию

- быть сведущим в истории

- слушать и понимать философов

- разбираться в музыке

- иметь познания в медицине и астрономии

- понимать юристов и знать законы.

Составляя этот список, автор, по-видимому, ориентировался на собственный уровень и диапазон познаний, что говорит о его высочайшей профессиональной квалификации.

Трактат Витрувия подвел итог техническим достижениям Античности и на 1.5 тыс. лет стал настольным руководством для европейских инженеров и ученых - механиков, указывая им путь соединения абстрактной греческой науки с прикладными запросами строительства и машинной техники. И на протяжении всего этого времени, установленные Витрувием принципы градостроения и отвечающие им практические рекомендации воспринимались архитекторами Европы как непреложные истины, не требующие доказательств! Следствием этого стало то, что с начала книгопечатания и до наших дней вышло в свет около 300 изданий его трактата на разных языках (первое печатное издание вышло в 1486 – 1492 гг. в Венеции). Однако всеобщую популярность и признание трактат получил только в эпоху Возрождения и Нового времени. Современники же его практически не знали и не использовали, поскольку он по своему уровню и стилю изложения материала намного опередил свое время.

Стоит упомянуть еще об одном техническом устройстве, описанном Витрувием – одометре (путемере), предназначенном для счета стадий, пройденных повозочным колесом. В этом одометре (термин Витрувия) через каждую стадию в специальную коробку со стуком падал камень. Число камней в коробке и определяло пройденное повозкой расстояние. Главная шестерня одометра имела 400 зубцов, и ее проворачивал один зубец, закрепленный на колесе повозки. Поэтому 400 оборотов колеса соответствовали одному обороту главной шестерни. Как выяснилось впоследствии, этот одометр по описаниям Витрувия пытался изготовить еще Леонардо да Винчи, однако сделать работающую модель удалось только в 1984 г. инженеру Андре Слисвику, который пришел к выводу, что скорее всего идея прибора и его конструкция восходят к самому Архимеду. Только он мог в те времена предложить и изготовить высокоточное и остроумное зубчатое зацепление с крайне большим передаточным отношением.

В завершение стоит отметить, что как строители храмов и пирамид, так и судостроители Античного мира не зная механики и сопротивления материалов, ухитрялись весьма точно выполнять условия прочности и устойчивости конструкций. Так цилиндрические колонны строились с условием H≤ 9D, где H – их высота, а D – диаметр. Коэффициент устойчивости обелисков на ветровую нагрузку составлял 2 – 2.5, что соответствует и нынешним нормам. Особенно ясно этот стихийный рационализм проявился при строительстве античных кораблей, в которых надежно обеспечиваются требования к прочности и жесткости корпуса судна при различных видах его нагружения.