Взламывая технологии

Парфенон

Храм Парфенон, стоящий на афинском Акрополе, был построен между 447 и 432 гг. до н. э. и до сих пор возвышается над городом. Площадь холма Акрополя около 3 га, он вздымается над городом на высоту 150 м.

Парфенон был воздвигнут во время реконструкции Акрополя после нападения персов в 480 г. до н. э. Согласно сохранившимся частям счетов на строительство Парфенона ушло, по разным оценкам, от 340 до 800 серебряных талантов – это огромная сумма, учитывая, что жалованье экипажа триремы за месяц могло составлять один талант. При строительстве Парфенона были использованы сложные архитектурные приемы, в том числе легкий наклон колонн внутрь, чтобы издалека они казались идеально прямыми. Архитектор знал, что прямые линии при взгляде с определенного расстояния выглядят слегка наклоненными внутрь.

Парфенон – одно из самых известных древних зданий в мире. Он был спроектирован греческим художником Фидием

Золотое сечение

Соотношение высоты и ширины переднего фасада Парфено-на составляет 1: 1,618 и известно как золотое сечение. (Число 1,618 было названо «фи» по имени Фидия, идейного вдохновителя создания Парфенона.) Прямоугольник с таким соотношением сторон обладает удивительными свойствами: например, если его разбить на квадрат и меньший прямоугольник, то стороны получившегося прямоугольника также образуют золотое сечение.

Водяное колесо

Водяное колесо, вращаемое речным потоком и предназначенное для подъема воды, впервые использовалось в Египте в IV в. до н. э. Спустя два века греческие и римские инженеры усовершенствовали водяное колесо, чтобы извлекать энергию для других машин.

Вращение водяного колеса сообщается оси, которая также вращается. Это движение можно передавать простым механизмам, в древности это чаще всего были мельницы, а позже – насосы и прядильные машины.

Существуют две основные конструкции водяного колеса: горизонтальная и вертикальная. Горизонтальное водяное колесо состоит из вертикальной оси и лопастей, прикрепленных к ее нижней части. Сверху надевался жернов. Это не очень эффективный механизм – всего около 15–30 % кинетической энергии водного потока преобразовывается в полезную энергию. Для работы такого колеса не нужен большой объем воды, но необходима большая скорость потока. Горизонтальные водяные колеса подходят для тех мест, где есть крутые склоны с быстрой проточной водой, например горные потоки.

Жернова

Начиная примерно с 4000 г. до н. э. люди использовали плоские камни для размалывания зерен в муку. Около 500–400 гг. до н. э. люди стали запрягать быков и ослов для вращения жерновов. Следующим шагом стало использование водяного колеса для вращения жернова – при этом сила течения стала выполнять работу, которую раньше делали люди и животные.

Ступальное колесо

Римляне придумали много нового, однако они оказались не столь изобретательными, какими могли бы быть. Одной из причин этого было использование труда рабов как источника энергии. Римляне придумали кран, который мог поднимать грузы весом более 3 т и приводился в движение рабами, карабкавшимися внутри круглой беговой дорожки, похожей на гигантское беличье колесо. Водяные колеса, основанные на труде рабов, использовались также для удаления воды из шахт. В эпоху рабства в Америке обычным источником энергии были ступальные колеса, которые вращали рабы, а в Европе в них посменно работали узники тюрем.

Сверху и снизу

Среди вертикальных водных колес выделяют два основных типа: подливное (нижнебойное) и наливное (верхнебойное). В подливном колесе нижняя его часть погружена в поток, который бьет прямо по перекладинам. Это несколько более эффективный способ вращения, чем горизонтальное колесо, потому что в воду погружена только часть колеса, что уменьшает силу сопротивления, замедляющую вращение.

В наливном колесе делается желоб, который направляет воду так, чтобы она падала на лопасти в верхней части колеса, тем самым приводя его в движение. Этот вид водяного колеса намного эффективнее нижнебойного, его эффективность достигает 60 %.

Подъем воды

Нория – черпаковый подъемник, который используется для полива, а не как двигатель для механической работы. Лопасти колеса используют энергию воды, чтобы поворачивать его, а отдельные черпаки наполняются водой при каждом повороте. В верхней точке колеса вода выливается из черпаков в канал или акведук, откуда течет в нужном направлении. Во II в. до н. э. использовались колеса с деревянными черпаками, но в III в. н. э. римляне ввели керамические черпаки. Нории до сих пор используются в Сирии.

Неиспользуемое деревянное наливное колесо с деревянным желобом над ним, по которому вода лилась на лопасти колеса

Пон-дю-Гар

Пон-дю-Гар – один из наиболее ярких примеров римской инженерной мысли. Этот трехъярусный акведук был построен в 19 г. до н. э., по нему вода протекала над рекой Гар на юге Франции и попадала в город Ним.

Пон-дю-Гар – это самый высокий римский акведук (49 м), сохранившийся до наших дней. Еще удивительнее, что он был построен без использования цемента. Вот уже 1600 лет по нему не течет вода, но он используется как мост через реку. Первым римским водопроводом был 16-километровый акведук Аква Аппия, построенный в 312 г. до н. э., по нему вода доставлялась в Рим. С ростом империи было построено множество акведуков, особенно в первые века нашей эры. Одна из инноваций – дюкер – позволяла перегонять воду через овраги. Это были глиняные или свинцовые трубы, в которых сила тяжести создавала дополнительное давление на участке спуска, обеспечивая силу, достаточную для того, чтобы загнать воду на противоположную сторону.

Высота акведука – 49 м от поверхности реки. Его нижний ярус состоит из шести арок шириной от 15 до 24 м, причем самая широкая арка перекинута через реку. Второй ярус акведука составлен из одиннадцати арок одинакового размера, а третий ярус, по которому текла вода, поделен на 35 небольших арок шириной по 4,5 м

Простые механизмы

Простые механизмы позволяют облегчить выполнение той или иной задачи. Каждый такой механизм, независимо от сложности, можно рассматривать как совокупность более простых устройств, использовавшихся людьми еще на заре цивилизации. Простой механизм перенаправляет силу из одного места в другое: сила, прикладываемая к одной части машины, – усилие, заставляет двигаться другую ее часть, которая преодолевает силы сопротивления, или нагрузку. Направление силы может быть изменено, ее значение можно увеличить или уменьшить. Герон Александрийский, греческий инженер, живший в I в. н. э., описал шесть простых машин. Это рычаг, винт, наклонная плоскость, клин, ворот (колесо с осью) и блок.

Рычаг – это увеличитель силы. В самом простом его варианте при приложении малой силы к длинному концу рычага, который поворачивается вокруг зафиксированной точки (точки опоры), можно произвести большее усилие на более коротком его конце. В повседневной жизни можно найти огромное число примеров рычага, например рычагами являются тачка, гвоздодер, ножницы.

Благодаря наклонной плоскости (уклону, пандусу) проще поднять тяжелый предмет: он проходит большее расстояние, чем при вертикальном подъеме, но затрачивается меньшая сила.

Древнегреческий гениальный инженер Архимед известен своим описанием рычага: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Но он также создал винт Архимеда – машину, которая поднимает воду при вращении

Клин переносит силу, прикладываемую к широкому его концу, на узкий (острый) конец. Этой перемещенной силы достаточно, чтобы расколоть материал

Блок – это веревка, обвитая вокруг одного или нескольких колес. Простейший блок перенаправляет силу, приложенную к веревке, но дополнительные колеса увеличивают силу, что облегчает подъем грузов

Рычаг (наверху) – это жесткая перекладина, которая вращается вокруг точки опоры. На рисунке массы компенсируются, так что перекладина находится в равновесии

Наклонная плоскость используется для подъема тяжестей, заменяя короткое вертикальное движение длинным перемещением по наклонной плоскости

Ворот преобразует прямолинейно прикладываемую силу во вращательное движение, и наоборот. Поворачивающаяся ось накручивает веревку и поднимает ведро наверх

Винт – это наклонная плоскость, обернутая вокруг оси. Усилие прикладывается к оси, поворачивая ее, и плоскость перемещает груз вверх

 

Клин – это еще одна форма наклонной плоскости. Тонкий конец клина давит на предмет с большей силой, чем требуется для приведения клина в движение. В результате клин рассекает предмет. Все ножи и топоры действуют как клинья.

Винт – это тоже наклонная плоскость, но закрученная вокруг центральной оси. При прокручивании винта наклонная плоскость – нарезка винта – двигается вперед и назад. Чтобы вкрутить винт, требуется меньше усилий, чем при вталкивании его без завинчивания (как клин).

Ворот (колесо и ось) работает как вращающийся рычаг. Диаметр колеса больше диаметра оси, поэтому небольшое усилие, приложенное к колесу, поворачивает его на большое расстояние, и в результате большая нагрузка, приложенная к оси, перемещается на небольшое расстояние. Так работает лебедка. Усилие, используемое для вращения оси, позволяет колесу покрыть довольно большое расстояние – принцип, который используется в автомобилях.

Блок – это веревка, обернутая вокруг колеса. Неподвижный одноколесный блок лишь перенаправляет силу. В составном блоке нагрузка делится между двумя или более колесами, поэтому небольшое усилие позволяет поднять довольно большой груз, но чтобы переместить груз на небольшое расстояние, придется вытянуть длинный кусок веревки.

Римский подъемный кран

Римский подъемный кран – это система блоков, использующая для подъема тяжестей силу рабов. Самый большой такой кран, называвшийся полиспаст, имел впечатляющую грузоподъемность. С его помощью 53-тонные блоки, из которых собрана колонна Траяна в Риме, были подняты на высоту 34 м. Движущей силой, протаскивавшей веревку через блоки, были ступальные колеса, внутри которых двигались рабы.

Пантеон

Римский Пантеон был самым крупным купольным сооружением в мире на протяжении более 1300 лет. В наши дни у него крупнейший неармированный монолитный бетонный купол.

Здание, которое стоит сегодня, было построено около 125 г. по приказу императора Адриана. Бетон, использовавшийся при строительстве Пантеона, состоял из пуццолана (смесь вулканического пепла, туфа и пемзы), извести и небольшого количества воды. Бетон – римское изобретение. Греки, скорее всего, использовали известковые растворы, но именно римлянам принадлежит идея соединить раствор с наполнителем – кусками пород. Пока эта смесь влажная, ей можно придать любую форму, но после высыхания она становится прочной, как камень.

Инженеры уменьшили вес купола Пантеона, используя по мере приближения к центру купола все более легкие наполнители. Бетон у основания купола включает тяжелый базальт, а в верхней части – легкую пемзу. В верхнюю часть купола были встроены пустые глиняные кувшины, чтобы еще больше облегчить конструкцию. Купол состоит из круговых ступеней, которые сужаются кверху. Нижние ступени более толстые, по мере приближения к окулюсу (отверстию в центре купола) они становятся тоньше.

Пантеон – одно из самых впечатляющих и хорошо сохранившихся зданий Древнего Рима. Ротонда – массивное здание с куполом – имеет 43,3 м в диаметре и 43,3 м в высоту (причем половина высоты приходится на вертикальные стены). Купол представляет собой идеальную полусферу с окулюсом (круглым отверстием в центре крыши) диаметром 8,8 м. Через «глаз» Пантеона видно небо над головой

Бетон

Придуманный римлянами бетон – универсальный строительный материал. Его изготовляют из наполнителя (песка или камней), скрепленного жидким цементом. Цемент делается из силикатных минералов, которые реагируют с водой и воздухом, затвердевая при высыхании и скрепляя частицы наполнителя.

Бумага

В документах за 105 г. сказано, что Цай Лунь, чиновник Императорского двора, сообщил китайскому императору об изобретении бумаги.

Фактически изобретение, скорее всего, произошло на 200 лет раньше. Фрагменты бумаги, найденные в развалинах Дуньхуан северо-западной китайской провинции Ганьсу, датируются временем правления императора У-ди, т. е. между 140 и 86 гг. до н. э. Вероятно, поначалу бумагу изготавливали, размачивая отходы конопли в воде. Их промывали, снова замачивали и разбивали деревянной колотушкой в кашицу. Получившуюся смесь наливали на сито из грубо сплетенной ткани, натянутой на бамбуковый каркас. На сите образовывался тонкий слой этой кашицы, которую затем оставляли высыхать. В результате получался лист бумаги. Цай Лунь сообщал, что он сделал бумагу, используя кору тутового дерева, отходы конопли, старые тряпки и рыболовные сети.

Это китайское издание буддийской Алмазной сутры, датируемое 886 г., – самая ранняя книга, напечатанная на бумаге. Слова и картинки были вырезаны на бруске, который затем покрывался краской и прижимался к бумаге

Порох

Китайские алхимики, открывшие порох, на самом деле искали способ продлить жизнь. На протяжении веков нитрат калия, или селитра, был частым ингредиентом эликсиров, предназначенных для увеличения продолжительности жизни.

Около 850 г. неизвестный ученый-любитель решил добавить в свою смесь серу и уголь и получил в буквальном смысле взрывное сочетание. По словам современника, «пошел дым и полыхнуло пламя, так что руки и лица были сожжены, и даже весь дом, где они работали, сгорел».

Впервые порох применили в военном деле в зажигательных стрелах, к которым привязывали порох, завернутый в бумагу или бамбук, и поджигали фитиль. Позже были разработаны огневые копья – примитивные огнеметы, а также первые ракеты, напоминающие современные фейерверки. Китай сохранил свою монополию на порох вплоть до XIII в., но в конце концов секрет распространился по арабскому миру, а оттуда попал в Европу, где был с энтузиазмом подхвачен. К 1350 г. английская и французская армии стояли друг против друга, уже вооруженные пушками.

Долгое время открытие пороха ошибочно приписывалось Бертольду Шварцу – легендарному немецкому алхимику XIV в. «Шварц» по-немецки означает «черный», и на протяжении многих веков порох был известен как «черный порошок»

Компас

Компас впервые появился в Китае примерно в IV в. до н. э., но в то время он не использовался как навигационный прибор. Китайцы называли компасы «указателем юга» и использовали для гаданий и чтобы ориентировать свои дома для благоприятного течения жизни.

В этих ранних компасах стрелка делалась из минерала магнетита – природного магнита, названного в честь региона Магнесия в Греции, который был важным центром производства железа. Самое древнее упоминание свойств магнетита относится к 600 г. до н. э., когда греческий философ Фалес заметил, что он притягивает железо.

В китайских рукописях 1040 г. есть упоминания о плавающей по воде «железной рыбе», которая указывает на юг. Также китайцы обнаружили, что железная игла намагничивается, если потереть ее о магнит, и после этого способна указывать на юг.

Китайский гадательный компас использовался для того, чтобы определить наиболее благоприятное место для постройки зданий в соответствии с традиционными верованиями. Его ложкообразный магнит может свободно вращаться по полированной пластине

Указатель пути

Первое упоминание о магнитном компасе в Европе было сделано в Амальфи, Италия, в начале XIV в. Но до сих пор остается открытым вопрос, попал ли компас в Европу по торговым путям из Китая или был открыт европейцами самостоятельно. Как бы то ни было, вскоре он стал невероятно важным прибором для растущих морских держав – Португалии, Англии и Испании. Также компас способствовал росту итальянских городов-государств в XIV в. До этого моряки, как правило, плавали вдоль берегов, оставаясь в пределах видимости земли, и неохотно рисковали выходить в открытое море. Теперь, когда корабли были оснащены приборами, позволяющими в любое время определить свое положение, стала быстро развиваться средиземноморская, а затем и мировая торговля.

Уильям Гильберт

Книга Уильяма Гильберта «De Magnete» («О магнитах», 1600 г.) содержала отчет о его исследованиях магнетизма и вскоре стала основным трудом по этому вопросу. Он первым начал использовать термины «электрическое притяжение», «электрическая сила», «магнитный полюс». На основании опытов Гильберт пришел к выводу, что компас указывает направление на север и юг, потому что сама Земля является магнитом.