Наука и техника античного мира

(VII-VIII в. до н. э. по IV-V вв. н. э.)

Античным (от латинского «древний») - принято называть особый период развития древней Греции, а также тех земель и народов, которые находились под её культурным влиянием. Хронологические рамки этого периода, как и любого другого культурно-исторического явления, не могут быть точно определены, однако они в значительной мере совпадают со временем существования самого античного государства.

В античный период всемирной истории преобладал рабовладельческий общественный строй.

Поэтому колоссальные работы по сооружению акведуков, дорог, терм, крепостей и других общественных зданий производились за счет принудительного труда и наличия большого количества рабов и строительных рабочих.

Из чего же строили свои великолепные здания и сооружения римляне? В первую очередь из того, что лежало у них под ногами – т.е. местные материалы: естественные камни, древесина, сырой, а позже обожженный керамический кирпич, песок и галька, применявшиеся в растворе и бетоне.

Большое распространение в качестве строительного материала, получили естественные камни. Они добывались и обрабатывались из самых разнообразных горных пород, начиная от легких, вулканических, таких как туф, пемза, лава, и заканчивая плотными и прочными известняками и порфирами. Эти камни шли на сооружение фундаментов и колонн, из них изготавливали блоки самых разнообразных форм и конфигураций для возведения стен. При этом большие каменные блоки тщательно обтесывались, чтобы при укладке не требовалось сложной их подгонки в местах стыка. В ответственных сооружениях для более надежного соединения крепления блоков между собой на их поверхности выдалбливались специальные отверстия для металлических дюбелей – штырей, хотя помимо металлических, применялись деревянные и каменные «скрепы», особенно в виде так называемого ласточкина хвоста. Отверстия эти в последствии заливались расплавленным свинцом по специальным каналам. Для производства подстилающего покрытия для дорог, бетона и других целей требовалось большое количество дробленного камня. Поэтому целые армии рабов занимались его переработкой.

Строительство крупных сооружений, например гигантских пирамид древних египтян, потребовало решить задачу подъема тяжестей на значительную высоту и их транспортировку. Прежде всего, использовали рычаг, который был известен еще в первобытном обществе. Первое письменное объяснение использованию рычага дал в III веке до н. э. древнегреческий математик, физик и инженер Архимед, связав понятия силы, груза и плеча.

Рычаг - простейшее механическое устройство, представляющее собой перекладину, вращающееся вокруг точки опоры. Стороны перекладины по бокам от точки опоры называются плечами рычага.

Рис.1. Рычаг

Закон равновесия, сформулированный Архимедом, используется до сих пор и звучит как: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы — это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки — это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры».

По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»., правда это сделать при своей жизни он бы не смог. Ведь для того чтобы поднять землю хотя бы на один сантиметр, неимоверно длинный рычаг пришлось бы двигать десятки миллионов лет (хотя бы со скоростью 1 сантиметр в минуту).

В Древнем Египте принцип рычага был взят за основу при создании колодезного журавля — шадуфа. (рис. 2)

Затем был изобретен блок в форме колеса с желобом (ручьем) по окружности, через который перекидывали канат или другую гибкую тягу, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке.

Рис. 2. Шадуф

Применение блока позволило изменять направление тяги и получать быстрый выигрыш в силе и скорости. Грузоподъемные устройства обычно используют не один, а несколько блоков. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспаст.

Изобретение блока (рис.3, а) и полиспаста (рис.3, б) привело к созданию первых подъемных механизмов (рис. 3, в).

В современном мире принцип действия рычага используется повсеместно. Практически любой механизм, преобразующий механическое движение, в том или ином виде использует рычаги: гаечный ключ, плоскогубцы, ножницы подъёмные краны, а также тысячи других механизмов и инструментов используют рычаги в своей конструкции.

Еще одним выдающимся изобретением Архимеда является подъемный винт, который до сих пор так и называют «винтом Архимеда». Водоподъемный винт Архимеда, или «улитку» (рис. 4), египтяне использовали для полива садов, орошения полей в период полноводья Нила, а позже для откачки воды из рудников. Изготовление «улитки» требовало меньших затрат дерева, чем водочерпального колеса (рис.5), что было важно при дефиците древесины в восточных странах.

Сегодня архимедов винт используется в обыкновенной мясорубке. На основе бесконечного винта были изобретены в то время такие важные, а ныне общеизвестные детали, как болт, сконструированный наподобие винта, и гайка.

а) б)

в)

Рис.3. Первые подъемные механизмы

а - блок; б – полиспаст; в – подъемные механизмы.

Рис. 4. Винт Архимеда

Рис. 5. Водочерпальное колесо

Так же к изобретениям Архимеда относятся: перископ, метательная машина, позволяющая бросать грузы массой около 250 кг, архимедова сфера и т.д.

Величайшим инженером античного периода был Герон Александрийский, который жил в I в н.э. Он первым изобрёл автоматические двери, автоматический театр кукол, автомат для продажи воды, скорострельный самозаряжающийся арбалет, прибор для измерения протяжённости дорог и др. Он описывает прибор с зубчатыми колесами, при помощи которого небольшой силой можно поднять большой груз. Описывая этот прибор, Герон рассматривает зубчатые колеса, сцепленные между собой зубцами, которые движутся в двух противоположных направлениях — одни вправо, а другие влево. Когда колесо делает пол-оборота точки, находящиеся на его окружности, начинают двигаться в противоположных направлениях. В настоящее время этот принцип используется в зубчатых передачах.

Водяные автоматы с двигающимися и поющими фигурками птиц были излюбленным предметом изобретений Герона Александрийского. Вращение колесика приводило фигурку в движение, при этом одновременно поднимался пустотелый колпак в небольшом сосуде с водой. При опускании колпака под действием собственной тяжести воздух из него проходил через свисток. (рис. 6)

Рис.6. Водяной автомат Герона Александрийского

Потребность в строительных материалах способствовала увеличению объема добычи руд, развитию горного дела и созданию новых методов разработки полезных ископаемых (огневой метод). При огневом методе добычи руд породу в подземной выработке разогревали, а затем обливали холодной водой. В результате порода трескалась. Трещины расширяли деревянными клиньями, затем породу вырубали бронзовыми клиньями, а позднее — железными кирками, и кайлами.

Изготовление орудий труда вручную было трудоемким процессом. Поэтому наряду с ручными операциями предусматривалась механическая обработка с помощью станка, который позволял снимать с тел вращения стружку при точении. Древнеегипетский станок лучкового типа был похож на современный деревообрабатывающий токарный станок (рис. 7, а). Заготовку помещали между держателями, которые укрепляли на верхней доске, уложенной на нескольких плоских опорах — основаниях. Тетиву лука обвивали вокруг заготовки, при движении лука, заготовка вращалась. С помощью резца снимали стружку, придавая нужную форму изделию.

В дальнейшем, более 2500 лет назад, в Древней Греции был изобретен станок с ножным приводом (рис. 7, б).

В период рабовладельческого общества строили много дорог, а также различные мосты через пропасти и реки, по которым передвигались пешком, верхом и на повозках.

Рис.7. Токарные станки: а - древнеегипетский; б -древнегреческий

Во II в. в Риме существовало не менее 100 тыс. км государственных дорог, преимущественно с твердым покрытием. Они были хорошо обустроены и содержались в отличном состоянии. Общая ширина дорог составляла 7…10 м.

Основание таких дорог дренировалось с помощью специальных водостоков, а их поверхность была приподнята над уровнем земли и имела небольшой уклон к периферии. Общая толщина римских дорог составляла 0,8…1,3 м, а в некоторых участках достигала 2,4 м (рис. 8). Дороги многослойные, из 4…5 слоев, со средними слоями из бетона. Нижний слой многих дорог - основание из каменных плит толщиной 200…300 мм, которые укладывались на хорошо уплотненное земляное полотно через растворную стяжку, с последующим выравниванием их песком. Второй слой толщиной 200…250 мм из бетона, где крупным заполнителем были крупные камни булыжника и гравия. Помимо них также использовали черепицу и каменные обломки разрушенных зданий. Третий слой выполнялся из мелкогравийного бетона. Оба бетонных слоя тщательно утрамбовывались тяжелыми деревянными трамбовками, обитыми металлом в течении нескольких дней. Эту работу в основном выполняли рабы и иногда воинские подразделения. Последний, верхний слой дороги покрывался большими каменными блоками площадью 0,6…0,9 м² и толщиной до 150 мм.

Крупнейшим достижением IV тысячелетия до н. э. явилось создание колесной повозки. Открытие вращательного движения и связанных с ним преимуществ сопровождалось постепенным, у различных народов в разное время, изобретением многочисленных технических приспособлений, но лишь с появлением колеса способы передвижения по суше изменились коренным образом.

II)

Рис. 8. Схемы устройства дорожного покрытия: I - профиль римской дороги с гравийным (а) и каменными (б) покрытиями: 1 – подстилающий слой; 2 – каменные плиты; 3, 4 – бетон; 5 – каменные плиты; 6 – крупный гравий или щебень; II) Лондонская бетонная дорога с черепичным покрытием

Колеса древнейших повозок были сплошными, обычно изготовленными из трех пластин дерева. С III тысячелетия до н. э. колеса стали снабжать деревянным ободом, а иногда и медным обручем.

Колеса повозок имели диаметр от 0,5 м (III тысячелетие до н. э.) до 1,15 м (середина II тысячелетия до н. э.). В повозку впрягали обычно двух тяговых животных, это были ослы, быки, позднее — лошади.

Под влиянием военных нужд, связанных с необходимостью создания легких повозок, способных двигаться с большой скоростью, на рубеже III и II тысячелетий до н. э. на смену сплошному колесу пришло колесо со спицами, что видно на примере древнеегипетских колесниц.

К концу античной эпохи формируются элементы таких областей науки, как астрономия, механика и физика, благодаря работам Пифагора, Архимеда, Птолемея и др.

Главным техническим достижением римлян в создании новых строительных материалов было появление «бетона». В Древнем Риме слова «бетон» не существовало. Оно появилось позже в ХVIII веке во Франции. Материал подобный бетону римляне, называли по разному. Литую кладку с каменным заполнителей они именовали греческим словом «эмплектон» (emplekton). Витрувий при описании полов использовал слово «рудус» (rudus) которые переводят как бетон. Однако, при обозначении таких слов как раствор, возведение стен, сводов, фундаментов, и подобных конструкций в римском лексиконе использовалось словосочетание «опус цементум» (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон.

Материал того времени принято называть псевдо- или квази (как будто) бетоном.

В качестве вяжущего в псевдобетоне используется воздушная известь(получают при обжиге без спекания известняка), а заполнителями служит песок и крупный камень с большим количеством грунта. Камни крупного заполнителя достигали размеров 400…600 мм.

Для изготовления кладочных растворов обожженную и измельченную в небольшие куски воздушную известь гасили водой. Чем тоньше частички гашеной извести, тем пластичнее получаемое из нее тесто и тем более ценными строительными свойствами оно обладает.

Образовавшееся тесто тщательно секли острыми металлическими секирами и перемешивали до равномерной и «липкой» консистенции. Качество извести проверялось при помощи небольшой лопатки, которую погружали в известковое тесто. Если после выдергивания лопатки на ней оставались отдельные комки, считалось, что известь еще не созрела для производства работ. Если же лопатка выходила сухой и чистой, то это указывало на то, известь утратила свои вяжущие свойства. И только когда при вытаскивании лопатки к ней прилипал ровный слой известкового теста, известь считалась пригодной к употреблению.

Прочность такого бетона составляла 5…10 МПа и более.

Римляне научились использовать опалубку и строить бетонные сооружения. Во II в. н. э. в Риме был построен Пантеон, «Храм всех богов» с литым бетонным куполом диаметром 45 метров и высотой 42 м. Основной особенностью Пантеона является отверстие по центру купола диаметром 9 метров, называемое «Око Пантеона». Когда идёт дождь, в окулюс попадает вода, поэтому в Пантеоне предусмотрена специальная дренажная система. Через него внутрь храма попадает воздух и свет. Было подсчитано, что вес купола составляет 5 тысяч тонн. Пантеон – одно из немногих строений Древнего Рима, сохранившееся до наших дней без изменений. Римляне использовали цемент и бетон при строительстве дорог и мостов; римские дороги вызывали восхищение у историков последующих эпох.