Александр Акопов

Валентин Зацаринный

Этот прочный непрочный мир
(Статья первая)

ы живем в прекрасном мире: нас окружает живая и неживая природа. Предметы материального мира существуют как по законам природы, так и по своим собственным, присущим только данным предметам, закономерностям. Но в этом богатстве жизни живого и неживого мира есть одно свойство, общее для всех существ и объектов. Это - прочность.
          Под прочностью материала принято понимать его способность сохраняться длительное время, не поддаваясь разрушению. В русском языке это слово происходит от "прок" - с оттенком надежности; В. Даль толкует это слово как "годное напредки". Это качество, которое всякая вещь должна иметь как бы "про запас".
          В житейском смысле прочность - понятие весьма широкое. Мы говорим о прочной семье, прочной обуви, прочном материале, часто понимая под этим надежность, устойчивость вещей и отношений. Но если иметь в виду техническую терминологию, то здесь надежность и прочность понимаются отнюдь не одинаково. Надежность подразумевает способность вещи более или менее долго служить, не меняя своих заданных функций; прочность - это способность сопротивляться различным механическим силам. Эти силы могут проявляться по-разному. Они могут быть следствием воздействия температуры, электрических полей, влажности, химических веществ, солнечной радиации и многого другого. Однако любое подобное воздействие в конечном итоге приводит к механическим процессам в материале. Сопротивление этим процессам и является предметом нашего разговора.
          О прочности материала можно говорить на всех уровнях. Различают прочность атомных связей, прочность молекулы, кристалла, элемента, конструкции, сооружения, небесного тела. Прочностью обладают вода и стекло, металлическая балка и человеческая кость, железобетонная труба и кровеносный сосуд, стебель растения и кирпичная колонна, пчелиная сота и каменное здание, конский волос и стальной канат, ядро атома и наша планета.
          Прочность - необходимое и единое для всего живого и неживого условие существования.
          Трудно сказать, когда человеку впервые пришла мысль о прочности окружающих его вещей; но нет сомнения, что произошло это в доисторические времена. Первобытный человек сталкивался с разрушением своих жилищ, орудий труда, предметов обихода, оружия, и вся его борьба с живой и неживой природой всегда была связана с представлениями о прочности.
          Со временем для жилищ и орудий труда он стал выбирать более прочные материалы, а затем их совершенствовал.
          Познание человеком прочности начиналось с окружающих его предметов в двух направлениях - в микромир и макромир. Человек держал в руке копье, палку или камень и задумывался о тайне материала, о том, что находится внутри него и что делает камень крепче дерева, а железо крепче камня. Соединение же отдельных элементов между собой давало ему возможность строить сначала простые конструкции, а затем все более и более сложные сооружения.
          Веками продолжалось познание человеком тайн прочности в обоих направлениях. И если в микромир человек углубился до мельчайших частиц атома - электронов и нуклонов, то по пути в макромир он уже задумывается о прочности планет, галактик, Вселенной в целом.
          Конечно, познание - процесс диалектический. Вначале был опыт, затем теория, затем все более совершенствующийся опыт и усложняющаяся теория. И пределов познанию нет.
          На первых порах поиск человеком прочности был интуитивным. Вначале люди учились у природы, создавая свои конструкции по аналогии с ее творениями. Может быть, пораженное бурей дерево, случайно упавшее поперек канавы, "подсказало" первобытному человеку конструкцию простейшего балочного моста. Со временем знания накапливались - люди учились на опыте прошлых поколений и на своем собственном. Учитывались удачи, ошибки, просчеты - это было время накопления эмпирического знания. И только два последних столетия составляют экспериментальный период в познании прочности. Лишь с появлением техники стала развиваться теория материалов и сооружений.
          Напомним читателю: эпоха техники занимает ничтожную долю в истории человеческого общества. Ученые рассчитали, что если весь период, начиная с появления жизни на Земле (примерно 100 млн. лет) до наших дней, принять за сутки, то история человечества займет лишь 2 мин, в том числе цивилизация (6000 лет) - 5 с. Вся же история техники составит лишь 1/30 долю секунды. Щелчок фотоаппарата - вот время существования бурной истории техники от первой паровой повозки до космических кораблей - в сутках жизни на Земле! Но в это мгновение,- в эти два века,- уместились высшие достижения человеческого гения, величайшие открытия законов природы, создание и развитие многих наук, в том числе механики, из которой со временем выделились отрасли, занимающиеся исследованием прочности: сопротивление материалов, теория упругости и пластичности, строительная механика, теория сооружений и др.
          Однако в начале XX в. стало ясно, что одна наука - механика со всеми ее ответвлениями не в состоянии исследовать до конца такое сложное явление, как прочность. Только с помощью объединенных усилий физиков, химиков, технологов и математиков удалось объяснить и описать сложнейшие процессы, происходящие в материале. Именно комплексный подход позволил углубить и развить теорию прочности в наше время.
          Благодаря познанию тайн прочности человек не только стал строить надежнее, с неизмеримо меньшим количеством аварий в машинах, механизмах, зданиях и сооружениях, но и сумел проникнуть в структуру материала и найти в нем новые резервы. Достаточно сказать, что за прошедшие 50 лет прочность стали, например, возросла более чем в 10 раз!
          В серии статей, которые предлагаются читателю, сделана попытка популярно рассказать об основных этапах познания человеком законов прочности.
          Законы прочности, как и всякие другие научные законы, на практике не встречаются в "чистом" виде. Они предстают перед нами в различных формах, так или иначе проявляются в различных объектах и конструкциях. Так один и тот же актер меняет свой облик в несхожих театральных действах.
          "Многоликость" законов прочности порождает специфические для каждой отрасли подходы, терминологию и приемы решения задач, связанных с сопротивлением разрушению. Иногда все это приводит к тому, что специалистам смежных отраслей, решающим сходные задачи, отнюдь нелегко понять друг друга.
          Это же многообразие не позволяет в ограниченном объеме цикла статей дать сколько-нибудь полное описание явлений сопротивления разрушению. Мы ограничили поэтому свою цель тем, чтобы на некоторых, наиболее ярких и практически важных примерах показать и познание человеком общих законов прочности, и "перевоплощение" их в более конкретные правила создания прочных материалов, машин, строений.

Древние архитекторы в поисках совершенства: легенды и реальность

          С тех пор, как появился на Земле homo sapiens - человек разумный, начались его сложные взаимоотношения с природой. Сначала человек просто присваивал готовые продукты, полученные путем собирания, рыболовства, охоты. Затем он стал делать попытки увеличить ее продукт, и тогда появились земледелие и животноводство. И наконец, воздействие на природу привело к производству материальных благ, не существовавших в природе: одежды, новых продуктов питания, построек.
          Человек пытался объяснить, почему и за счет чего окружающий его мир существует таким, каков он есть. Откуда возникла прочность мира, которая обеспечивает его целостность? Короче, на чем мир держится? Буквально у каждого народа на земном шаре есть легенды, предания, мифы, сказки, в которых делается попытка объяснить происхождение Земли, планет, возникновение жизни. Читатель, бесспорно, с детства знаком с произведениями такого рода.
          Один из излюбленных героев древнегреческой мифологии - Атлант, или Атлас, державший на своих плечах небесный свод. К этой работе Атлант был приговорен Зевсом навечно в наказание за участие в борьбе титанов против богов. Стоял Атлант по представлениям греков где-то на крайнем Западе (отсюда название океана - Атлантический). С именем Атланта связан последний, двенадцатый, самый трудный подвиг легендарного героя, сына Зевса и Алкмены - Геракла. Он должен был добыть из садов Атланта три золотых яблока, растущих на золотом дереве. За садами наблюдали дочери Атланта - Геспериды, а вход охранял дракон, не смыкавший глаз. Геракл преодолел все препятствия по пути к Атланту: победил морского бога Нерея, сына бога морей Посейдона - великана Антея, другого сына Посейдона - царя Египта Бусириса и т. п. Увидев Атланта, Геракл поразился его силе и попросил у него три золотых яблока. Титан согласился их принести при условии, что Геракл в это время за него подержит небосвод. Как ни силен был Геракл, но не смог бы удержать он страшную тяжесть, свалившуюся ему на плечи, если бы не помощь богини Афины. "Его мускулы вздулись как горы,- говорится в мифе,- пот покрыл все его тело от напряжения. Нечеловеческие силы и помощь богини Афины дали ему возможность держать небесный свод".
          Но не мог же Атлант, в самом деле, вечно держать это небо. С ним что-то надо было делать, и греки, чтобы покончить с Атлантом, придумали такой миф.
          Персей, сын Зевса и Данаи, совершив ряд подвигов, самым главным из которых была победа над медузой Горгоной, пришел к Атланту с просьбой дать ему отдохнуть в его роскошных садах. Атлант его выгнал, за что Персей обрек великана на страшную кару. Он достал голову медузы и, отвернувшись, показал ее Атланту. "Тотчас же обратился в гору великан. Его борода и волосы обратились в густолиственные леса, плечи - в высокие скалы, голова - в вершину горы, ушедшую в самое небо. С тех пор поддерживает гора Атлас весь небесный свод со всеми его созвездиями".
          Древнегреческий историк Геродот описал гору Атлас. "Гора Атлас - узкая и круглая и, говорят, так высока, что вершины ее не видно,- пишет Геродот.- Зимой и летом она постоянно покрыта облаками. Местные жители называют ее столпом неба, и от имени этой-то горы они и получили свое название. И действительно, их зовут атлантами". С названием этой горы связано и знакомое нам всем слово "атлас".
          Слово "атлант" также стало нарицательным. В архитектуре этим словом стали называть каменные фигуры мужчин, поддерживающие балкон, портик или перекрытие. В течение многих веков, вплоть до XX в., атланты - довольно распространенный элемент зданий. Со временем применение этих фигур потеряло свой первоначальный смысл: из несущих опорных конструкций они превратились в архитектурные украшения. Но и эстетический элемент возник из того же легендарного представления об Атланте как символе прочности, силы, могущества.

          История цивилизации - это история проникновения человека в тайны природы. Век за веком, тысячелетие за тысячелетием люди постигали одну загадку за другой. Долог был этот путь. Несчетное количество поколений сменилось, пока человек научился добывать огонь, строить жилища, ткать одежду. С первобытного времени до нас дошли устройства для подъема и перемещения тяжестей, высверливания отверстий, добывания огня, изготовления глиняной посуды, помола злаков. При помощи огня человек стал выплавлять железо, а из железа делать орудия труда, чтобы они были прочнее, надежнее, долговечнее деревянных и каменных. И при изготовлении каждого устройства, каждой вещи неизбежно возникали проблемы прочности. Однако наиболее остро они вставали в строительном деле.
          В Египте на Ниле была возведена Асуанская ирригационная система с плотинами, водохранилищами, каналами. В Китае в VI в. до н.э. реки Хуанхэ и Янцзы были соединены Великим каналом протяженностью свыше 1000 км. На территории современной Армении в IX-VIII вв. до н.э. существовало древнее рабовладельческое государство Урарту, о чем свидетельствуют интереснейшие раскопки. 3000 лет назад человек строил крепости, дворцы, дороги, храмы, цирки, театры, стадионы.
          В Индии сохранились остатки водопровода, построенного в Мохенджо-Даро в III-II тыс. до н.э. В Китае в г. Ханчжоу и сейчас существует береговая каменная дамба, которой свыше 1000 лет.
          Искусство античных зодчих Древнего Востока - Индии, Китая, Урарту, Хорезма достигло совершенства. Как венец творения человеческих рук возвысились над древним миром семь чудес света: статуя Зевса в Олимпии, висячие сады Вавилона, мавзолей в Галикарнасе, колосс Родосский, маяк в Александрии, храм Артемиды в Эфесе и египетские пирамиды.
          Тяжелое величие египетских пирамид было призвано символизировать вечность, неизменность верховной власти и подчеркивать ничтожество простого смертного. О том же гласила величественная надпись на фронтоне главного сооружения: "Все на земле боится времени, а время боится пирамид". Человек, стоящий у подножья пирамиды (а современникам не разрешалось даже приближаться к этим священным сооружениям), должен был чувствовать себя ничтожным, беспомощным перед могуществом неограниченной власти.

          Египетские пирамиды-самое древнее и единственное сохранившееся до нашего времени из семи чудес света. 5000 лет назад фараон Джосер, чтобы увековечить память о себе, решил построить вместо обычной усыпальницы в виде каменного параллелепипеда шести ступенчатую пирамиду высотой 60 м. Строительством пирамиды руководил визирь фараона, видный ученый и архитектор Имхотеп, чье имя высечено на пьедестале одной из многочисленных статуй фараона.
          Двумя столетиями позже, в XXVIII в. до н. э., была воздвигнута пирамида фараона Хуфу, имевшая высоту около 147 м и в основании квадрат со стороной 233 м. 4700 лет, вплоть до возведения Эйфелевой башни в Париже в 1889 г., пирамида Хуфу (греки называли ее пирамидой Хеопса) была самым высоким сооружением на Земле.
          Пирамида Хафра - вторая по величине (высота 139 м). Возле нее громадная, длиной 60 и высотой около 20 м, высеченная в скале фигура лежащего льва с человеческой головой. Вокруг пирамид и внутри них - множество всяких сооружений.
          Сегодня невозможно себе представить, что эти каменные горы воздвигнуты человеческими руками при полном отсутствии подъемных и транспортных средств.
          Люди вручную выбивали из скал глыбы известняка и при помощи канатов, сплетенных из папируса, волоком тащили их к пирамиде по наклонной насыпи из грунта и сырцового кирпича. По мере возведения пирамиды насыпь росла, поднимать глыбы становилось все труднее. Каждая такая глыба весила от 2 до 30 т. В пирамиде Хуфу, например, их уложено 2 300 000 штук! На строительстве пирамиды одновременно работало до 100000 рабов, основная часть которых менялась каждые три месяца. Строительство пирамиды Хуфу длилось 20 лет.
          Каменные глыбы отесывались мастерами-каменотесами и плотно притирались друг к другу. Туристу обязательно скажут: "Так плотно, что между глыбами нельзя просунуть лезвие ножа".
          С пирамидами было связано множество легенд и преданий. Тысячи исследователей - историки, астрономы, математики, физики, философы - изучали это чудо света, находя многочисленные (подчас оказывавшиеся мифическими) закономерности в пропорциях и размерах пирамид.

          Висячие сады Вавилона - второе чудо света. В первом тысячелетии до новой эры Вавилон был одним из красивейших городов Древнего Востока. Он поражал роскошью построек, идеальной прямоугольной планировкой, великолепием священных храмов. В VII в. до н. э. ассирийский царь Ассархадон, владевший Вавилонией, воздвиг знаменитую "вавилонскую башню до небес", как сказано в Библии. Башня достигала в высоту 90 м и состояла из 7 разноцветных этажей. Над верхним этажом располагался лазурный храм с золотой статуей верховного бога Мардука. Однако в течение столетия Вавилон дважды уничтожался дотла, и царю Навуходоносору, покорившему к тому времени Сирию, Финикию и Иерусалим, пришлось выстраивать город заново.
          Пятьдесят три храма и множество прекрасных зданий было возведено по его приказанию в Вавилоне. Среди них выделялся царский дворец, украшенный многочисленными барельефами, золотыми статуями, бирюзовыми изразцами. Но прекрасней всего были висячие сады, по преданию, созданные Навуходоносором для его любимой жены. Сады возводились уступами, в несколько ярусов и соединялись между собой полированными белыми и розовыми ступенями. Экзотические растения каждого сада росли в толстом слое земли, которая покоилась на каменном массивном перекрытии, лежащем на мощных кирпичных сводах. Своды поддерживались высокими каменными колоннами. В качестве утеплителя на перекрытии был уложен слой камыша, покрытый сверху асфальтом и двумя рядами кирпичной кладки на гипсе. Чтобы вода не проникала сквозь перекрытие, кирпичная кладка покрывалась свинцовыми пластинами, на которые уже затем сыпали грунт.
          Красота, аромат и свежесть растений, оригинальность архитектурного решения, позволившего поднять сады на высоту до 100 м, были по достоинству оценены и современниками, и последующими поколениями. Висячими садами спустя два столетия после их создания восхищался Александр Македонский, покоривший без сражения Вавилон. Но через 1000 лет все величественные сооружения Вавилона, в том числе висячие сады, перестали существовать: сырцовый кирпич, из которого делались стены и своды дворцов, разрушился от времени и размок от наводнений. Развитие экономики, новые торговые пути вызывали потребность в строительстве новых городов. На месте же Вавилона не осталось ничего...

          Храм богини плодородия Артемиды в греческом городе Эфесе строился под руководством архитектора Херсифрона, после смерти которого работу продолжал его сын Метаген, также не доживший до окончания строительства. 120 лет с участием ряда государств Малой Азии, поставивших отдельные барельефы, статуи, украшения и предоставивших материальные средства, возводилось знаменитое сооружение. Однако, простояв менее века, храм Артемиды в 356 г. до н.э. был сожжен жителем Эфеса Геростратом, оставившим о себе этим печальную память в истории. Правда, позже сооружение было восстановлено. Храм занимал площадь 110 на 55 м. и состоял из 127 величественных мраморных колонн высотой 18 м. В огромном главном зале, облицованном мраморными плитами, возвышалась 15-метровая статуя богини Артемиды. Кровля дворца была выполнена из мраморной черепицы. Множество прекрасных скульптур и картин - создания лучших античных мастеров - украшали это сооружение. Храм Артемиды был священным местом поклонения и одновременно хранилищем богатств. Во II в. до н. э., уже под властью Римской империи, город Эфес продолжал расцветать, и храм Артемиды оставался его главной достопримечательностью.
          Сооружение простояло еще полтысячелетия и было разрушено готами в III в. н. э. Существовала, однако, и техническая причина разрушения: оседание колонн и стен. Когда-то в начале строительства первый архитектор храма, желая предотвратить разрушения от землетрясений, решил создать пружинистое основание из смеси древесного угля с шерстью. Этой смесью был заполнен котлован под фундаментом. Но со временем болотистая почва, на которой строился храм, стала очень вязкой, и пружинистое основание дало сильную осадку. Когда храм в конце концов разрушился, почва поглотила и его остатки.

          Статуя Зевса в Олимпии была создана одним из величайших скульпторов Древней Греции Фидием, прославившимся к тому времени многими шедеврами. До этого самой знаменитой из его работ считалась 12-метровая статуя Афины в Парфеноне, сделанная из золота и слоновой кости. В священном месте Греции, Олимпии, было решено построить храм Зевса. Именно здесь, согласно мифам, Зевс одержал победу над своим жестоким отцом Кроном и стал властелином.
          Храм Зевса представлял собой величественное сооружение на высоком основании, окаймленное 34 строгими мраморными колоннами. Все помещение - и пол, и потолок, и стены, и черепичная крыша - было сделано также из белого мрамора, что производило впечатление торжественной монументальности. Изнутри и снаружи храм украшали мраморные барельефы, статуи, скульптуры, изображавшие богов и разные мифологические сюжеты. Но самым значительным сооружением, признанным одним из чудес света, была огромная (в 17 м высотой) статуя Зевса, занимавшая значительную часть храма. Зевс, сидя на троне, на ладони правой руки держал фигурку богини победы Нике, а левой сжимал скипетр - символ верховной власти. Голову украшал лавровый венок, к ногам ниспадала небрежно переброшенная через плечо мантия.
          Общее представление об этом произведении может дать хранящаяся в Ленинградском Эрмитаже статуя Юпитера конца I в. н.э., найденная в развалинах виллы императора Доминиана,- одно из многих подражаний великому творению. Разумеется, речь может идти лишь о сюжете, так как ни материал, ни размеры, ни композиция статуи в храме, изваянной рукой великого мастера, неповторимы.
          Фигура Зевса была выполнена из золота и слоновой кости, что создало определенные трудности как при ее создании, так и в дальнейшем: эти два материала вели себя по-разному. Статуя простояла около 1000 лет; в V в. н.э. по приказу византийского императора Феодосия II она была перевезена в Константинополь, где погибла во время пожара.

          Колосс Родосский, изваянный в III в. н. э. скульптором Харесом, также относится к мировым шедеврам. Но и его - пусть нас простят искусствоведы - мы позволим себе рассмотреть с точки зрения строительной механики. Статуя, изображавшая бога Солнца Гелиоса, имела 35 м в высоту. Созданная из камня и железа, статуя была покрыта тонкими листами бронзы. Приближаясь к острову Родосу, мореплаватели видели ослепительно сияющего Гелиоса, который как бы приветствовал их. Однако, простояв всего 56 лет, статуя разрушилась от сильного землетрясения в 220 г. до н. э. Более тысячи лет обломки гигантской статуи пролежали на земле, после чего они были захвачены арабами, вторгнувшимися на остров Родос. Далее следы колосса теряются.

          Галикарнасский мавзолей начал строиться в IV в. до н. э. в греческом городе Галикарнасе при царе Мавсоле, как фамильная усыпальница. От имени царя и произошло слово "мавзолей", которое впоследствии стало нарицательным. Монументальное сооружение не успели закончить при жизни ни самого Мавсола, ни пережившей его жены, ни их сына. Лишь при внуке честолюбивого правителя строительство было закончено. Части Галикарнасского мавзолея сохранились и находятся в Британском музее.
          Громадное здание имело размеры 66 X 77 м. и высоту 46 м. Нижняя часть - высокое мраморное основание, на котором стоит сужающаяся кверху пирамида, окаймленная многими рядами ленточных фризовых ступеней. Внутри открытой прямоугольной колоннады из 36 колонн размещены громадные мраморные фигуры Мавсола и его жены Артемиссии (высотой 3 и 2,5 м). Колоннада заканчивалась красочным карнизом и высокой ступенчатой пирамидальной кровлей, на самом верху которой стояла мраморная колесница, запряженная четырьмя конями. Все конструкции мавзолея - стены, ступени, колонны, фризы, постамент, а также барельефы и многочисленные статуи, украшавшие постамент, - были выполнены из мрамора различных оттенков. Это чудо света простояло почти 18 веков, значительно пережив город Галикарнас. Галикарнасский мавзолей постепенно разрушался от землетрясений, а затем был разграблен и разобран крестоносцами. На его месте впоследствии возникла турецкая крепость, при раскопках которой и были найдены многочисленные части и детали великого сооружения.

          Александрийский маяк-седьмое чудо света-был создан в 280 г. до н. э. на острове Фаросе, на подходе к знаменитой столице античного Египта - Александрии. Маяк представлял собой башню высотой 120 м. и состоял из трех, конструктивно отличающихся друг от друга частей. Нижняя часть имела в основании квадрат со стороной 30 м. и была сложена из известняка. Средняя часть - восьмигранная, облицована мраморными плитами. Верхняя часть - круглая с куполом, увенчанным семиметровой бронзовой статуей бога морей Посейдона. Создатель маяка архитектор Сострат высек свое имя на мраморной стене под штукатуркой, на поверхности которой было начертано имя царя. Со временем штукатурка отпала, и имя создателя седьмого чуда света стало достоянием истории. Александрийский маяк при помощи системы металлических зеркал усиливал и распространял на далекие расстояния свет. Одновременно он служил крепостью. Название острова Фарос стало нарицательным для маяков (отсюда современное "фары"). Маяк простоял 1600 лет, вплоть до XIV в., разрушаясь постепенно сверху.
          Семь описанных сооружений были выделены в разряд чудес еще древними. Но в разное время существовало немало и других творений зодчества, поражавших совершенством форм и техники. Это, например, алтарь Зевса в Пергаме (Малая Азия), знаменитая Александрийская библиотека, римский амфитеатр Колизей, открытый для проведения гладиаторских боев императором Титом. К более поздним временам относятся индийские скальные храмы в Эллоре, гробница Тадж-Махал в Агре, дворец-крепость Альгамбру, созданный мавританскими зодчими.
          Античная строительная техника достигла больших высот. В IV в. до н.э. уже применялся известковый раствор. В III в. до н.э.- пуццолановый раствор из измельченной породы вулканического происхождения. На основе этого раствора вскоре появился бетон. Для облицовки зданий использовались известняк, туф, керамические плиты, штукатурка из извести и гипса. С IV в. до н. э. в Риме начали строиться каменные сооружения - акведуки и водопроводные линии, число которых ко II в. до н.э. достигло 11. Они давали 1,5 млн. кубометров воды в день. В то же время римляне ввели в действие 90 тыс. м. шоссейных дорог (не считая грунтовых и щебневых), 23 дороги подходили только к Риму.
          В Китае с IV в. до н. э. начала строиться Великая китайская стена протяженностью 4 000 км и шириной 10 м, по верху которой передвигались колонны войск с повозками.
          Создания зодчих Древнего Востока поражают не только размерами и гармонией, но сочетанием архитектурного решения сооружения с его функциональным назначением. Расцвет архитектурного искусства в Древней Греции, а затем в Риме привел к зарождению теории архитектуры и строительного искусства.

Интуиция, расчеты и неудачи древних строителей

          Одним из первых теоретиков строительства принято считать римского архитектора и инженера второй половины I в. до н.э. Марка Витрувия. Его фундаментальный труд "Десять книг об архитектуре" представляет собой подлинную энциклопедию строительного дела. Витрувий описывает технологию производства всех видов работ начиная с выбора места для строительства с учетом климатических условий, рельефа местности, расположения сырья и материалов. Как копать землю, строить фундаменты и стены, делать полы и возводить колонны - обо всем можно узнать из "технических условий" Марка Витрувия.
          Несмотря на то, что этот труд отделяют от нас века и века, очень многие из рекомендаций Витрувия звучат весьма современно…
          Особое место римский архитектор уделяет единству функционального назначения постройки и художественного решения, но при этом постоянно настаивает на сочетании принципов "прочности, пользы и красоты". Витрувий много рассуждает по поводу эстетических компонентов архитектурных форм, но при этом призывает к экономии, рациональному использованию местных материалов. Применение недорогих материалов, нетрудоемких методов работ - одна из задач архитектуры, считает Витрувий. Это не помешало ему, правда, предложить для облицовки каменного пола смесь из мраморного порошка с клеем, состоящим из взбитого яичного белка и извести с добавлением льняного масла. Витрувий уделяет серьезное внимание прочности конструкций и сооружений. Одна из глав так и называется: "О прочности и о фундаменте зданий".
          И все же, хотя проблема прочности существовала всегда, хотя человечество имело уже тысячелетний опыт строительства, теории строительной механики не существовало. Поиск прочности происходил пока еще интуитивно. Методом многочисленных проб и ошибок шел человек к познанию тайн материала. Это познание начиналось с анализа причин разрушения.
          Восхищаясь сооружениями античных мастеров, нам стоит помнить вот о чем. Сроки строительства всегда были неимоверно велики. Возведение одного храма или дворца длилось десятки, а иногда и сотни лет. При этом строительство обходилось очень дорого, с затратой огромного количества ценнейших материалов, при неограниченной эксплуатации рабского труда. Наконец, и это менее известно, сооружения часто разрушались, и строители учились на уроках аварий.
          Известный римский историк Корнелий Тацит в своих "Анналах" описывает одну из таких аварий - разрушение амфитеатра в Фидене в 27 г. н. э. "В консульство Марка Лициния и Луция Кальпурния,- пишет Тацит,- неожиданное бедствие унесло не меньше жертв, чем их уносит кровопролитнейшая война... Некто Атилий, вольноотпущенник, взявшись за постройку в Фидене амфитеатра, чтобы давать в нем гладиаторские бои, заложил фундамент его в ненадежном грунте и возвел на нем недостаточно прочное деревянное сооружение... Туда стеклись жадные до таких зрелищ мужчины и женщины, в правление Тиберия почти лишенные развлечений этого рода, люди всякого возраста, которых скопилось тем больше, что Фидена недалеко от Рима. Это усугубило тяжесть разразившейся катастрофы, так как набитое несметной толпой огромное здание, перекосившись, стало рушиться внутрь и валиться наружу, увлекая вместе с собой и погребая под своими обломками несчетное множество людей,- как увлеченных зрелищем, так и стоявших вокруг амфитеатра".
          Тацит сообщает, что во время этой аварии погибло и было искалечено 50 000 человек. Римский сенат рассмотрел причины аварии. Было установлено, что инициатор этого предприятия, не имея достаточно средств, пошел на некоторые отступления от законов строительства. В связи с этим сенат принял постановление, "воспрещавшее устраивать гладиаторские бои тем, чье состояние оценивалось менее четырехсот тысяч сестерциев, равно как и возводить амфитеатр без предварительного обследования надежности грунта".
          Римский император Нерон, чтобы удовлетворить свое неуемное честолюбие, усиленно занимался строительством уникальных сооружений. До нас дошло описание великолепного золотого дворца Нерона, построенного архитекторами Севером и Целером, обладавшими, по выражению Геродота, "талантом и смелостью издеваться над императорской казной и добиваться искусством того, в чем отказала природа". В вестибюле дворца умещалась гигантская статуя императора высотой и 100 футов (!), созданная архитектором Зенодором. Внутри дворца была помещена модель окружающего мира с городами, пашнями, садами. Над главным зданием дворца был сооружен вращающийся сферический потолок с нарисованными на нем звездами, а над обеденным залом - передвигающиеся плиты с отверстиями для распространения аромата от разбросанных по их верху роз.
          Увлечение Нерона строительством привело к оригинальному поиску антипрочности. Потерпев неудачу в попытке отравить свою властолюбивую мать Агриппину, тиран тайно приказывает адмиралу Аникету построить саморазваливающийся корабль. Затем Нерон приглашает мать в местечко Байя на роскошный праздник, организованный в честь богини Минервы, покровительницы наук, ремесел и искусств. Глубокой ночью ласковый сын трогательно прощается с матерью и сажает ее на корабль Аникета. Когда корабль, освещаемый факелами, торжественно отплыл от берега на приличное расстояние, днище его стало вдруг проваливаться, затрещала палуба, свинцовая кровля каюты Агриппины обрушилась. Корабль стал быстро крениться на борт. Агриппина и ее служанка Ацерония вывалились за борт. Служанка стала кричать, звать на помощь, называя себя матерью императора, но слуги потопили ее, забив веслами. Хитроумная Агриппина в темноте молча отплыла от страшного корабля и на подвернувшейся рыбацкой лодке благополучно добралась до берега. Не смыкавший глаз в ожидании известий Нерон весьма огорчился очередной неудачей. Однако создателей корабля трудно было обвинить в отсутствии изобретательности...
          Даже в самых совершенных сооружениях древних можно найти грубые ошибки, свидетельствующие о незнании ими основ сопротивления материалов, строительной механики и теории сооружений. Сказочные дворцы Вавилона вместе с висячими садами, другие великолепные и более скромные здания, из которых состояли города античного мира, разрушались от времени и от наводнений, в частности, и потому, что при строительстве в них использовался сырцовый кирпич. Обжиг кирпича в античные времена был известен, и иногда применялся обожженный кирпич. Однако процессы, происходящие в глине при обжиге, механические, химические, минералогические свойства этого материала представляли загадку для древних строителей. Они считали, что при длительном пребывании на солнце кирпич набирает необходимую прочность. Лишь много позднее выяснилось, что только при температуре 900-1000° С в глине происходят те превращения, которые делают кирпич долговечным.
          Другая серьезная причина разрушений - землетрясения. И храм Артемиды, и Галикарнасский мавзолей, и Родосский колосс простояли бы гораздо дольше, если бы строители наряду с гибким основанием обеспечили пространственную жесткость конструкций. Сооружения нужно было рассчитывать на ветровую нагрузку и устойчивость, в связи с чем фундаменты и основания выполнять с учетом работы их на опрокидывание в сочетании с сейсмическими условиями. Незнание великим Фидием природы материалов также явилось причиной того, что жизнь его знаменитой статуи Зевса оказалась столь краткой. Конечно, это было божественно красиво, но если бы скульптор знал о большой разнице коэффициентов температурного расширения золота и слоновой кости, он бы попытался сделать соединения между ними менее жесткими.
          Нужно отметить, что недостаток знаний о прочности в строительстве часто ограничивал зодчих в области архитектурных форм. Повальное увлечение античных архитекторов колоннадами возникло отнюдь не только из эстетических соображений, а еще и потому, что не было материалов, работающих на изгиб для перекрытия больших пролетов. Достаточно сказать, что самая длинная балка, перекрывающая вход в Акрополь, была длиной менее 4 м, а самая длинная плита - над усыпальницей в пирамиде Хуфу - немногим более 5 м. Поэтому приходилось ставить колонны близко друг к другу. И лишь позже уже римляне изобрели конструкции - арки и своды, в которых камень работает на сжатие, что позволило увеличить пролеты, а также изменить облик сооружений.
          Суеверный страх перед непознанной тайной материала заставлял строителей и механиков прибегать к помощи потусторонних сил. В ходу были всякого рода молитвы, заговоры, жертвоприношения. Людей заживо погребали в основании зданий и мостов; мечи закаливали вонзанием в живое тело; совершали и много других, менее жестоких, но не менее безрассудных поступков в отчаянном стремлении повысить надежность вещей, предметов и сооружений.
          Но аварии продолжались... Во Франции, в Бове, в XIII в. рухнул готический собор, строившийся с 1225 по 1272 г. Перед архитектором была поставлена задача - превзойти по высоте знаменитый, причисляемый к одному из четырех чудес готики Амьенский собор в Париже. Однако, соблюдая классические архитектурные формы, строители не знали (и не могли еще знать) принципов расчета несущих конструкций. В частности, им не было известно, что при той же эксплуатационной нагрузке пролеты растут не пропорционально увеличению сечения. Когда собор в Бове восстанавливали, для гарантии просто удвоили число арок, уменьшив, таким образом, вдвое пролеты между ними.
          Особенно часто разрушались мосты. Избежать этого пытались разными способами. Едва ли не самый распространенный состоял в том, что при переходе через мост рекомендовалось произносить молитву или заклинание. Согласно преданию, Людовик Святой, перед тем как перейти мост, говорил: "Воскрес из гроба господь, который за нас распят на кресте". После такой молитвы король уверенно пускался в путь со словами: "Если мост каменный, я не боюсь, потому что гроб, в котором погребли Спасителя, был каменный, а если деревянный - тоже не боюсь, потому что крест, на котором распяли Господа нашего, был деревянный".
          Впрочем, зачем обращаться к легендам? Вот пример не такой уж давний. В 1830 г. знаменитый русский архитектор Карл Иванович Росси, приступив к строительству Александрийского театра в Петербурге, готовился к сооружению арочных стропильных ферм из металла. Несколько крупных специалистов засомневались в прочности этих конструкций и добились остановки строительства. Оскорбленный Росси немедленно написал министру двора: "В случае, когда бы в упомянутом здании от устройства металлической крыши произошло какое-либо несчастье, то в пример для других пусть тотчас же повесят меня на одной из стропил". Это был единственный аргумент, так как теории расчета подобных ферм еще не существовало. Пришлось поверить интуиции великого архитектора.
          Аварии происходили не только в древние и средние века, они продолжались (конечно, в меньшем количестве) вплоть до нашего времени.
          [Разумеется, говоря об авариях, мы не имеем в виду насильственные действия варваров - от древних до современных. Мы говорим о разрушении конструкций и ошибках их создателей, а не об энергии зла в душах людей. Это уже совсем другая, духовная сфера, и к сопротивлению материалов не относится.]

Интуиция, расчеты и неудачи древних строителей

          Каждая авария возбуждала у специалистов потребность в новом поиске, ставила новые задачи, прибавляла новые знания. Когда же знаний не хватало, в инженерные расчеты вводили (и вводят сейчас) так называемый коэффициент запаса. Поначалу расчет производили весьма приближенно. Определяли нагрузку, которую должен выдержать элемент при эксплуатации, и подбирали такие его размеры, которые позволили бы выдержать нагрузку, большую эксплуатационной, скажем, в 100 раз. Это значит, что у создаваемого элемента коэффициент запаса был равен 100. Поскольку никто не знал, какие непредвиденные, непознанные явления учитывает этот коэффициент и должен ли он быть именно таким, а не меньшим, например, в 10 раз, его назвали коэффициентом незнания. По мере развития науки коэффициент незнания уменьшается, все больше уступая место точным численным величинам, характеризующим то или иное открытое явление, тот или иной процесс в материале, элементе, конструкции, сооружении.
          Потребность уменьшить коэффициент запаса диктовалась многими факторами. С отмиранием рабовладельческого и феодального укладов исчезла подневольная рабочая сила, которую можно было эксплуатировать безгранично и безнаказанно. Возникла необходимость экономить материальные средства и ресурсы. Для того чтобы строить дешевле, с меньшими трудовыми и материальными затратами, потребовались поиски резервов в материале, в формах конструкций и технологии их возведения. К тому же, на тысячи лет уже строить не хотели. Люди стали понимать: придет новое время, и старые архитектурные формы отомрут. Будущие поколения захотят зафиксировать свою историю иначе, чем это делалось до них. В связи с этим запас прочности тоже мог быть меньшим.
          По сути дела, вся история науки о прочности была историей борьбы за уменьшение коэффициента незнания. Сейчас этот коэффициент стал весьма небольшой величиной. Но для этого потребовались века.

(Продолжение следует)