2.5. Особенности развития техники в Древней Греции и Риме

До VII в. до н.э. главным строительным материалов в Древней Гре­ции было дерево. Но вместе с экономическим ростом и увеличением численности населения леса подверглись усиленной вырубке. В ре­зультате основным материалом для строительства домов и инженер­ных сооружений вместо дерева стал камень. В Греции, 80% террито­рии которой занимают горы, найти месторождения известняка - пре­красного мрамора разных сортов - не было большой проблемой. К IV в. до н.э. греческие строители уже научились перекрывать стропилами и каменными балками большие пролеты и возводить кирпичные здания и каменные храмы с залами для большого числа людей. Крыша здания для арсенала в Пирее (329 г. до н.э.) перекрывала галерею шириной более 18 м (рис. 7). Технология добычи и обработки каменных блоков для строительства, а также руд для выплавки различных металлов не претерпела заметных изменений на протяжении всей античной эпохи. Применявшаяся при этом техника оставалась самой примитивной: кайло, зубило, лом, клинья, кувалда и пилы с зубьями и без зубьев. Пилами без зубьев распиливали особо твердые горные породы, под­сыпая в распил песок. Дополнительным оборудованием при горных работах служили лопаты, корзины, кожаные и плетеные мешки, да еще светильники. Воду из шахт глубиной до 120 м выносили ведрами, иног­да поднимаемыми с помощью ворота. И только позже стали использо­вать простейшие водоотливные механизмы: водоподъемные колеса и «архимедов винт». Камни добывались с помощью железных и деревян­ных клиньев, вбиваемых в трещины и пробитые зубилами отверстия. Технология добычи камня с помощью клиньев была хорошо отработана еще в Древнем Египте: сухие деревянные клинья забивали вдоль тре­щины, а затем поливали водой. Разбухая, они выламывали глыбы кам­ня, иногда достигавшие огромных размеров. Например, порог двери в храме Аполлона в древнегреческом городе Дидиме представляет со­бой каменный блок длиной почти 8 м, шириной больше 2 м и высотой 1,5 м. Вывозились такие блоки на салазках с помощью простых катков.

В IV-V вв. в Древней Греции разрабатывались крупные месторож­дения золота, серебра и свинца. Медные руды добывали на Кипре, в Египте, в Малой Азии. Магнитный железняк для выплавки железа добы­вали во многих местах Древней Греции и Азии. Древние римляне полу­чали металлические руды из рудников в Испании. Добытые руды дро­бились вручную, железными пестами в каменных ступах до размеров горошин. Затем кусочки руды размалывались, как зерно, в каменную муку на мельничных жерновах. Для отделения металла от пустой поро­ды руду несколько раз промывали. И только после этого можно было приступить к выплавке металла в плавильных печах. Понятно, что и в Древнем Египте, и позже в Греции и Риме, горные работы и металлур­гия были самым тяжелым видом ручного труда. Об этом свидетель­ствуют древние рукописи и современные археологические исследова­ния остатков каменоломен и древних рудников в Египте, Греции и Ис­пании. Поэтому на горных работах использовались главным образом рабы - военнопленные и осужденные преступники. Правда, в рудниках и каменоломнях эллинистической Греции работали и вольнонаемные рабочие. До нашего времени дошли сведения о забастовках бригад вольнонаемных горных рабочих, протестовавших против тяжелых усло­вий труда и несоблюдения работодателями условий найма. Но основ­ной рабочей силой были все же рабы. Низкий уровень горной техники и вытекающий из этого тяжелый труд не раз становились причиной вос­станий рабов-рудокопов.

Древние греки умели не только выплавлять из руды железо высо­кого качества, но и производить сталь, шедшую на изготовление плот­ничьих инструментов, пил, ножей, бритв и оружия. Сохранились отры­вочные сведения о том, что в античной металлургии применялся иско­паемый каменный уголь. Готовый металл отливали в слитки, плитки и бруски для последующей переделки.

В античном мире было широко распространено освоенное еще шумерами керамическое производство. Кирпичи, черепица и посуда из глины изготавливались повсеместно и в больших количествах. Древним грекам была известна технология изготовления красок для роспи­си помещений и керамических изделий. Белая краска изготавливалась из мела и гипса. Свинцовые белила делали из свинца и уксуса. Желтая краска - из охры, красные краски - из красного мела, красного мышья­ка и киновари, а также из многих других природных веществ, добывае­мых в рудниках. Зеленая краска изготавливалась из малахита - медной руды. Особенно ценились скифская, кипрская и египетская лазурь - си­няя краска, производившаяся по различным технологиям из лазурита, окиси меди и других естественных веществ. Черные краски приготовля­ли из жженой слоновой кости, выжигали из смолы и смолистых щепок.

Из сочинения «Механические проблемы», написанного примерно в IV в. до н.э. и самого древнего из дошедших до нас научных трудов о технике, известно, что в то время греки считали основными следую­щие технические устройства: журавль с противовесом (тот же шадуф), рычаг, полиспаст (сложный блок), клещи, клин, топор, кривошип, вал, колесо, каток, гончарный круг, центрифугу, руль, а также колеса из бронзы или железа, передававшие вращательное движение. Из других источ­ников и по археологическим находкам мы знаем о применении древ­ними греками водяных и солнечных часов, винтовых прессов и подъем­ных кранов. Водяные колеса они использовали главным образом как водочерпательное техническое устройство. Широкое применение во­дяного колеса как простейшего гидравлического двигателя, преобра­зующего энергию падающей воды в работу в водяной мельнице, отно­сится к более позднему времени.

Греки умели строить морские корабли, уже тогда способные со­вершать дальние переходы к берегам Сицилии, Италии и к побережью Черного моря. Позже было сделано немало изобретений, значительно изменивших технический арсенал античных инженеров. Механик Кте-сибий (около 11-1 вв. до н.э.) изобрел пневматический орган, водяной насос - помпу, необычную конструкцию водяных часов. В числе наибо­лее значительных технических достижений древнегреческих инжене­ров - подземный водовод, пробитый под горой Кастро на острове Са­мос около 530 г. до н. э. В результате археологических раскопок в 1882 г. установлено, что тоннель для водовода сечением 2,5x2,5 м и длиной более километра пробивался с двух сторон. Направление встречных тоннелей было рассчитано с такой точностью, что при их сбойке рас­хождение составило всего несколько метров. Для этого требовались достаточно сложные измерения на местности и технические расчеты.

Более позднее инженерное сооружение - знаменитый Фарос -первый в истории башенный маяк, воздвигнутый в 323-283 гг. до н.э. у входа в гавань Александрии. Его трехъярусное здание высотой около 120 м со сторонами нижней квадратной части по 30,5 м считалось од­ним из семи чудес света. Последние описания маяка очевидцами от­носятся к XIII в., после чего он был разрушен землетрясением.

Древние греки были искусными мореходами. Морские суда были нужны им особенно для торговли с заморскими колониями и другими странами.

Около I в. н.э. в Александрии жил Герои, автор множества научных трудов и технических изобретений. В одном из сочинений он описал 75 автоматических механизмов. Античные автоматы имели хитроум­ное устройство и приводились в действие гирями, струей воды, возду­ха или пара. Например, они подавали смешанное с водой или чистое вино, открывали двери храмов после того, как жрецы разжигали огонь на жертвеннике, и т. д. Об их практическом применении нам ничего не известно. По-видимому, все они так и остались моделями - диковин­ными игрушками. Описанная Героном ветряная мельница в принципе похожа на водяную, только преобразует в работу энергию не воды, а ветра - перемещающейся массы воздуха.

Но никому тогда не пришло в голову построить настоящую мельни­цу, преобразующую энергию ветра. В Европе ветряная мельница появи­лась несколько столетий спустя. Особенно интересна изобретенная Героном реактивная «паровая турбина» - механизм, превращающий в работу энергию сжатого пара. Практического применения этот меха­низм тогда тоже так и не получил. В сочинениях Герона описаны по отдельности паровой котел, клапаны, поршень и цилиндр - практичес­ки все части паровой машины. Но соединить их в одной конструкции удалось только через много веков. Еще одно замечательное изобрете­ние Герона - измерительный прибор диоптр, принцип действия кото­рого напоминает современный нам теодолит. С помощью диоптра мож­но определить относительную высоту различных точек на поверхности земли и измерить расстояние между двумя точками, одна из которых не видна с позиции другой. Есть основания полагать, что диоптры при­менялись при прокладке трассы туннелей и проведении других земле­мерных работ. Описанный Героном годометр представлял собой уст­ройство с червячным зубчатым механизмом, передававшим движение от колеса повозки на указатель проделанного пути. Творчество Герона завершает историю древнегреческой (эллинистической) техники (IV-I вв. до н.э.). Ее продолжением стало развитие техники в Древнем Риме.

Историки отмечают, что общий уровень развития древнеримской техники, и особенно технологии, был выше, чем в Древней Греции. Но он достигался не за счет появления принципиально новых технических изобретений, а, главным образом, благодаря доработке, распространению и широкому практическому применению уже известных ранее технических идей.

В I в. н.э. в Риме жил выдающийся инженер Марк Поллион Вит­рувий, написавший труд «10 книг об архитектуре» - своего рода техни­ческую энциклопедию, или свод знаний о технике того времени. Его трактат много веков служил справочником для инженеров, а сегодня является наиболее полным источником сведений по истории римской техники. В нем он описал практически все применявшиеся его совре­менниками основные технические устройства. Благодаря этому мы те­перь знаем, как были устроены многие применявшиеся 2000 лет назад механизмы. Витрувий считал, что архитектор (так в его время называли инженеров «широкого профиля») должен быть хорошим чертежником и математиком, чтобы уметь рассчитывать инженерные сооружения, подъемные краны и другие технические устройства. Но кроме того, как полагал Витрувий, в дополнение к своим основным техническим зна­ниям, архитектор обязан разбираться в медицине, акустике, астроно­мии, в юрисдикции (праве) и даже в философии. Эти требования инте­ресны тем, что отражают реальную тесную связь инженерного дела и технических знаний с естествознанием и обществоведением и потому сохраняют свое значение до сих пор. ([43], с.67)

В трактате Витрувия содержится первое из дошедших до нас опи­сание применения водяного колеса как простейшего гидравлического двигателя, преобразующего энергию падающей воды в работу в водя­ной мельнице. В мельнице изобретенное задолго до этого водяное колесо не поднимает воду, а, наоборот, приводится в движение падаю­щей водой. Самое главное в водяной мельнице - передаточный меха­низм, с помощью которого вращательное движение горизонтальной оси водяного колеса передается на вертикальную ось с насажанным на нее мельничным камнем для перемалывания зерна. Но водяной двигатель как привод разнообразных рабочих машин получил широкое примене­ние только несколько веков спустя, в эпоху средневековья. Водяная мельница - одно из великих технических изобретений человечества, машина, позволившая преобразовывать природную энергию водяного потока в работу. Она значительно облегчила труд людей. Первоначаль­но мельницы использовались только как привод, вращающий мельнич­ный камень для размалывания зерна, - одной из самых трудоемких работ того времени. Преобразовывать вращательное движение оси в возвратно-поступательное и использовать мельничный двигатель как силовой привод разнообразных рабочих машин, включая молоты, насо­сы, толчейные станы для дробления руды, деревообрабатывающие и металлообрабатывающие станки и т. д., люди научились позже.

Особое место в истории древнегреческой и римской техники за­нимает изобретение и развитие военно-технических устройств - осад­ных орудий и античной артиллерии, которая представляет собой ору­дия (баллисты, катапульты и др.), метавшие камни и стрелы с помощью торсиона - большого пучка жил, волокон или волос, закручиваемого с помощью ворота как пружина. В начале V в. до н.э. был изобретен гастрофет - особо мощный лук с прикладом и направляющей для тяжелой стрелы. На его основе позже был создан еще более мощный катапельт («пронзающий щит»), достигавший двух метров в длину. Его стрелы про­бивали не только металлические щиты, но и стены осадных башен. Во второй половине IV в. до н.э. войска великого полководца Александра Македонского уже применяли при осаде городов движущиеся на коле­сах осадные башни и катапульты - орудия, способные метать не только тяжелые стрелы, но и каменные ядра массой до 80 кг. Катапульты мог­ли вести прицельную стрельбу и поражали противника на расстоянии 100-300 шагов. Во II - I вв. до н.э. Ктесибий построил халкотон - ката­пульту, в которой вместо торсиона применялись упругие бронзовые пластинчатые пружины. Другое, тоже не получившее широкого приме­нения античное метательное орудие, - аэротон - действовало посред­ством сжатого воздуха. Для этого в его конструкции были предусмот­рены бронзовые цилиндры с поршнями. Изобретенный механиком Дио­нисием полибол (многострел) имел механизм для автоматической по­дачи стрел, что значительно увеличило скорострельность стрелометов.

Древние римляне использовали в основном древнегреческую тех­нику. Известно не так много технических изобретений, сделанных впер­вые в Древнем Риме. Только в конце античной эпохи появилось еще одно новое военно-техническое устройство – онагр. Это была механическая праща с большим рычагом, метавшая ядра массой 1,5 кг на расстояние до 350 м. В числе наиболее известных технических изоб­ретений римлян, кроме онагра, - механическое устройство для жатвы и тяжелый плуг. Более значительны их достижения в области строитель­ных технологий и инженерных сооружений. Технология строительства была значительно усовершенствована за счет широкого применения изобретенного римлянами нового строительного материала - смеси водоупорного цемента из вулканического пепла с гравием и камнями.

Римские инженеры довели до совершенства искусство сооруже­ния известных еще шумерам арочных перекрытий из кирпичей. Некото­рые из них дожили до нашего времени. До сих пор вызывают восхище­ние сохранившиеся кое-где участки дорог и акведуки (от лат. agua -вода и duco - веду). Акведуки возводились для снабжения чистой во­дой жителей Рима. В I в. в Риме действовало 7 таких водоводов длиной от 20 до 70 км. По пути от горных источников до города вода проходи­ла сквозь возвышенности по искусственным подземным туннелям, че­рез ущелья и реки - по огромным арочным мостам.

Большое внимание уделялось строительству сети дорог, соединяв­ших столицу империи Рим с отдаленными провинциями. Они имели большое значение не только для развития торговли, но и для переброс­ки военных легионов из одного района государства в другой. Строи­тельству дороги предшествовало проектирование, основанное на тща­тельных измерениях местности. Соблюдались строгие правила дорож­ного строительства. Дорога должна была иметь ширину от 4 до 8 м и мощеное камнем покрытие. По обе стороны сооружались каменные бордюры и прокапывались дренажные канавы. В основание дорожного полотна закладывали мощную «подушку» - фундамент из нескольких слоев песка, камней и гравия, смешанных с глиной или цементом, тол­щиной до 1 м. Покрытие дороги из скрепленного цементом булыжника делалось так тщательно, что кое-где служит до сих пор. Первую такую дорогу, соединившую Рим и город Капую, начали прокладывать в 312 г. до н.э. К III в. н.э. римские дороги стали протяженностью 85 тыс. км.