Ричард Шелтон 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.