  
| |||
 | |||
История ТехникиАнтичная сила воды.
Первую часть статьи читайте по ссылке: https://22century.ru/popular-science-publications/ancient-water-power-i. Около 370 года н.э. римский поэт Авсоний писал в стихотворении «Мозелла»: Быстрый Цельбис к тебе и мрамором славный Эрубрис Рады льстиво прильнуть своею пособною влагой: Первый тем знаменит, что в нём наилучшая рыба, Тем отличен второй, что ворочает мощным напором Жерновы мельниц и в мрамор врезает свистящие пилы, С двух берегов оглашая русло несмолкающим шумом. Эрубрис — это правый приток реки Мозель в Германии. Но что за свистящие пилы он «врезает в мрамор»? Уже много лет назад строки из «Мозеллы» заставили специалистов по древним технологиям задуматься. Не имел ли античный автор в виду какие-то устройства по распилке камня, приводимые в движение водой? Использование в Древнем Риме водяных мельниц хорошо задокументировано, но в существовании античных механических пил с гидроприводом многие исследователи сомневались. Кто-то полагал, что упоминание «свистящих пил» — всего лишь поэтическая аллегория, или даже что эти строки добавлены в стихотворение Авсония существенно позднее. Однако нашлись и историки, пытавшиеся представить, каким могло быть древнее пилящее устройство. Тем более, что на существование таких пил косвенно указывали и некоторые другие источники. Например, христианский богослов Григорий Нисский, живший в IV веке, писал о камне, который «делится железом на тонкие слои», восклицая: «Сколько о сем стараний! сколько чертежей! сколько ухищрений у распиливающих вещества водою и железом!» (Григорий Нисский. Точное истолкование Екклезиаста Соломонова// Творения святого Григория Нисского. Часть 2. — М.: Типография В. Готье, 1861. С. 245-246.) Проблема в том, что в античности, как считали специалисты, ещё не придумали способ преобразования вращательного движения в поступательное. Чтобы водяное колесо приспособить к пиле, требовалось что-то вроде кривошипно-шатунного механизма, а его, полагали историки, изобрели только в средневековье. Древнейшая механическая пила из известных до недавних пор описана архитектором из Пикардии Вилларом де Оннекуром в 1235 году: в его альбоме чертежей есть изображение пилы по дереву, движимой водяным колесом, к которому крепился кулачковый вал.
Может быть, римляне придумали циркулярную пилу? Однако возможно ли при существовавших технологиях обработки металла изготовить тонкий металлический диск диаметром не менее 2 м, идеально круглый и достаточно прочный? А какой механизм обеспечит подачу мраморного блока по мере его распиливания? Предлагались и более экзотические конструкции, типа маятниковых или гибких ленточных (!) пил, но они тоже вызывали много технических вопросов. Для чего-то большего требовалась археологическая база — факты, а их не хватало. До поры до времени… Да, в античном мире широко практиковалось распиливание камня. Если совсем мягкие породы, вроде туфа, пилились обычной зубчатой пилой, то для более твёрдых мастера использовали беззубое полотно в сочетании с песком и водой. Здесь пиление осуществлялось частицами абразива, а сама пила изготовлялась из мягкого металла. Вода доставляла зерна песка в рабочую область, а также охлаждала пилу, нагревавшуюся трением. Такую технику пиления описал в I веке Плиний Старший, который отмечал, что особенно хорош песок из Эфиопии и Индии; годится абразив с Наксоса и Коптоса, однако мошенники в последнее время используют какой попало песок! На рельефе I века, найденном в Остии, изображены двое рабочих в мастерской по мрамору. Один из них держит в руках пилу; перед ним лежит ёмкость, вероятно, с песком, и специальная длинная ложечка для подачи абразива.
Существовали пилы больших размеров. В Хассамбали около города Ларисса, Греция, найден фрагмент пилы длиной 124 см, а судя по следам в карьере у древнего фригийского города Докимион, там применялись пилы в несколько метров, которые, вероятно, подвешивались к стенам или деревянным лесам. Но речь в данном случае шла только о ручных инструментах. Гераса В 1926 году в Герасе (Джараш, Иордания) проводились работы по расчистке развалин храма Артемиды, который хотели превратить в музей. Небольшую комнату в одной из частей храма стали использовать в качестве склада для каменных блоков с надписями. На остатки некой конструкции, находившейся в помещении, тогда не обратили особого внимания.
В 2000 году этим местом вновь заинтересовались археологи. Что за устройство располагалось когда-то в помещении? На высоте четырёх метров здесь находилась цистерна, питаемая, по-видимому, главным городским акведуком, а из цистерны вода должна была попадать на водяное колесо. От самого колеса ничего не осталось, однако на опорах сохранились квадратные отверстия от колёсного вала. Кроме того, на одной из опор есть круговые следы, оставленные неким вращающимся объектом. Судя по этим следам, крутившееся устройство в процессе работы перемещали на 14 см в вертикальной плоскости. По-видимому, с каждой стороны от водяного колеса на валу находились некие диски (вероятно, деревянные, скреплённые гвоздями) диаметром не менее 1 м — они и оставили следы на опорах. Сохранился желоб, подававший воду на колесо, а также канал на полу, отводивший воду из помещения. Судя по косвенным признакам, само колесо было около полуметра в ширину и 4,5—5 м в диаметре. Что же здесь находилось? Водяная мельница? Но никаких частей каменного жернова найти не удалось. Кроме того, остатки конструкции не походили на известные мельничные устройства.
Подсказка нашлась в двух известняковых барабанах от колонн, найденных тут же, каждый из которых весил более 2 тонн. Дело в том, что на этих барабанах можно увидеть следы от частичного распиливания, и любопытен характер следов: это серии из четырёх параллельных надпилов, идущих на одинаковом расстоянии и на одинаковую глубину. На одном барабане одна такая серия, а на другом — две. Куски колонн вынули из портика храма Артемиды, к тому моменту уже заброшенного, и распиливали на плиты с помощью какого-то приспособления, состоящего из четырёх параллельных пил. Археологи предположили, что в помещении находилась пилорама, движимая водяным колесом, и прикинули возможную конструкцию. Металлические пилы должны быть длиной не менее 2,2 м (учитывая размеры барабанов), располагаться в деревянной раме, причём таких рам с четырьмя полотнами было две — каждая из них двигалась с помощью деревянных дисков, сидящих на валу по сторонам водяного колеса. На каждом из них располагался со смещением от центра штифт, к которому крепился длинный рычаг-шатун, а тот в свою очередь шел к пильной раме — вот вам и простейший кривошипно-шатунный механизм. Устройство позволяло распиливать два барабана колонн одновременно. Деревянная конструкция с пилами весила, по некоторым оценкам, порядка 300 кг, и ведь её нужно было еще как-то опускать и поднимать, а полотна пил — как следует натягивать независимо друг от друга.
Когда же всё это функционировало? По-видимому, после V века, когда пустующий храм Артемиды стали разбирать на стройматериалы, но до 749 года, в котором случилось разрушительное землетрясение, заставившие жителей покинуть Герасу. Скорее всего, водяная пила работала в эпоху византийского императора Юстиниана (527—565 гг.) и его наследников, когда в городе велось активное строительство церквей, часовен и бань, требовавшее множества каменных плит для полов и стен. Если так, то открытая в Герасе пилорама древнее известных средневековых аналогов как минимум на 600 лет!
Эфес
Аналогичное сооружение обнаружили в древнем Эфесе (сегодня территория Турции) в 80-х годах прошлого века. В полуразрушенном античном «элитном жилом комплексе» (т.н. Хангхаус, «Дом на склоне холма») в византийскую эпоху, в VI—VII веках, разместили множество ремесленных мастерских — гончарные, кузни, а также водяные мельницы, образующие комплекс из восьми колёс. Однако одно из колёс, судя по всему, использовалось не для получения муки, а для распилки мраморных блоков. Два таких блока располагались симметрично, справа и слева от канала в полу помещения. Видно, что с блоков уже «сняли» несколько плит, и оба имеют по два параллельных надпила небольшой глубины: работа по каким-то причинам была брошена. Сохранился канал, проходивший сверху и подававший воду, а также два квадратных отверстия в задней стене и каменное возвышение в центре помещения — вероятно, для балок, поддерживавших водяное колесо. Конструкция получается похожей на устройство из Герасы: водяное колесо приводило в движение две горизонтальные рамы, в каждой из которых крепилось по две пилы. Рамы удерживались на нужной высоте с помощью противовесов на верёвках, перекинутых через блоки. В помещении найден каменный груз с металлическим кольцом, который мог использоваться как противовес.
Исследователи предположили также, что вода, а может и абразив подавались в рабочую зону не вручную, а с помощью специальных приспособлений. Вода, например, могла поступать по деревянным желобам, которые поддерживались небольшими колоннами, сохранившимися до сих пор. Кстати, найдена в Эфесе и гранитная колонна (длиной 2,6 м) с двумя параллельными надпилами на всю её длину. В связи со всем этим, интересен указ проконсула Азии Луция Антония Альбуса, копия которого найдена в Эфесе. Этот документ, относящийся к середине II века, запрещал заниматься обработкой камня на портовой набережной, поскольку огромное количество отработанного абразива и каменной пыли, образовывавшиеся в результате пиления, приводили к заиливанию гавани.
Конструкции в Герасе и Эфесе во многом сходны. Каждая пилорама расположена в мастерской, одна стена которой оснащалась водяным каналом на высоте 3—4 м, отводящий канал находился на полу. Оба механизма приводились в движение вертикальным водяным колесом. Одновременно работали два набора полотен, заключенные в рамы, которые двигались с помощью кривошипно-шатунного механизма, причём кривошипные диски крепились прямо на оси колеса.
Ясос Ясос — древнеримский город на территории современной Турции, где в 70-е годы прошлого века проводились раскопки большого мавзолея. Это здание II века н.э. было заброшено лет двести спустя. Во внутреннем дворе археологи нашли более сотни мраморных блоков, причём почти половина со следами распиливания, а сами блоки лежали на слое песка в 50—70 см. Вероятно, в V—VI веке помещение стали использовать как мастерскую для изготовления мраморных плит. Местная порода мрамора cipollino rosso очень ценилась из-за красивой расцветки и узора. Плиты экспортировались для украшения новых зданий в Константинополе, Равенне и других городах. Самое интересное для нас — то, что на четырёх блоках обнаружились множественные параллельные надпилы на одинаковом расстоянии друг от друга. А рядом с мавзолеем находился большой акведук, построенный в I веке.
Исследователи сложили все факты вместе. Зачем кому-то затаскивать тяжёлые блоки внутрь здания через довольно узкий проход? Откуда возник слой песка? Вероятно, в помещении находилась «распильная машина», приводимая в действие водой, поступавшей от акведука. Водяное колесо размещалось, по-видимому, у внутренней стены с западной стороны, хотя никаких следов от него, к сожалению, не сохранилось. Песок — отработанный абразив, перемешанный с мраморной пылью, который в большом количестве накапливался в мастерской. Отложения подобного песка найдены и в разных частях древнего городского рынка. Исследователи предположили, что отходы пиления нужно было куда-то девать и их использовали для выравнивания улиц. Известны и другие подобные находки — например, каменный блок с семью параллельными надпилами в Лименосе на греческом острове Тасос. Иераполис Наконец, к множеству косвенных свидетельств добавилось изображение подобного механизма. Нашли его в Иераполисе (античный город на территории современной Турции, сейчас там находятся известные достопримечательности Памуккале). В 80-е годы XX века в северном некрополе Иераполиса археологи обнаружили половину крышки известнякового саркофага, а на ней — надпись и любопытный рельеф, которым специалисты заинтересовались только двадцать лет спустя. Текст гласил: «Марк Аврелий Аммиан, житель Иераполиса, искусный, как Дедал, в изготовлении колёс, сделал (изображённый механизм) с мастерством Дедала, и теперь я останусь здесь…» Напомню, что Дедал — легендарный инженер, которому, в числе прочего, приписывали изобретение пилы. Саркофаг, судя по его стилистике и размерам, датировался первой половиной III века (после 212 г.).
А что изображает рельеф? Мы видим большое колесо со спицами, от которого влево идёт длинный вал, а справа изображено что-то вроде наклонного желоба, по которому, вероятно, подавалась вода. Вал соединён с зубчатым колесом меньшего диаметра, а ниже в сцепке с ним находится ещё одно колесо, от которого к двум прямоугольным конструкциям идут рычаги. Собственно, эти конструкции очень похожи на рамки с пилами, полотна которых проходят через блоки, видимо, каменные (исходя из их пропорций, на брёвна не похоже).
Конечно, ряд деталей механизма остаётся неизвестным. Как добивались устойчивости пил, чтобы они не болтались, не ходили из стороны в сторону? Чем компенсировалось избыточное давление пил на камень? Точно сказать нельзя. Специалистам известны лишь гораздо более современные аналоги — например, водяная пила XVIII века, с помощью которой пилили камень при строительстве Шверинского замка (Германия). Устройство её удивительно похоже на изображение из Иераполиса.
Как именно вращение преобразовывалось в поступательное движение пил в механизме Аммиана? Вероятно, для этого использовался простейший кривошипно-шатунный механизм, изобретение которого в таком случае смещается на 1000 лет в прошлое — с XIII века на III. Но был ли Аммиан изобретателем устройства, или оно появилось задолго до него? Во всяком случае, как я уже писал, к этому моменту в Иераполисе существовала ассоциация «мастеров водяных колёс» (наряду с другими «профсоюзами» — бакалейщиков, пекарей, кузнецов и т.д.). О влиятельности ассоциации говорит надпись на другом погребении того же некрополя, где обозначен штраф за самовольное захоронение на семейном участке некого Марка Аврелия Аполлодота Калликлиана — 500 динариев в казну империи и 300 динариев в пользу ассоциации «водных дел мастеров». Наличие профессионального сообщества говорит о том, что устройства с водяным приводом давно и широко использовались. Увы, что это были за устройства, уточнить невозможно, но, как вы знаете, водяные колеса в античности использовались не только для мельничных нужд. Возможно, и водяные «пилорамы» входили в этот список. А вот и древнейший коленчатый вал, который мог быть частью конструкции водяной пилорамы. Нашли его при раскопках древнеримского города Аугуста Раурика в Швейцарии, в 20 км от Базеля.
Находка сделана еще в 1962 году, но только в начале XXI века исследователи опознали в этом странном артефакте II века н.э. часть устройства, преобразующего вращение в поступательное движение (см. статью 2009 г). Ось коленвала железная, а рукоятки-кривошипы с двух сторон были бронзовыми (сохранилась только одна). Столь прочная, сложная и дорогая по тем временам конструкция явно предназначалась для работы на высоких оборотах. Автор исследования Торкильд Шилер (Thorkild Schiøler) предложил, исходя из этой находки, свою реконструкцию древней пилорамы, с небольшим восьмилопаточным водяным колесом, которое должно было крутиться с высокой скоростью. Ось колеса соединялась с коленчатым валом по образцу швейцарской находки, а с двух сторон к ручкам коленвала крепились длинные стержни, двигавшие рамы с пилами. Правда, есть и другая интерпретация находки в Аугуста Раурика — как рукоятки для подъёма, например, люстры.
Пишут, что археологам известно больше находок античных водяных мельниц, чем находилось на тех же территориях в средневековье. В Европе можно проследить существование водяных мельниц из античности, сохранившихся в раннем средневековье — технология производства муки слишком укоренилась на этих территориях к концу римской эпохи. Другое дело — такие устройства, как механическая пила. Их использование тесно зависело от крупномасштабного строительства. Когда строительная промышленность поздней Римской империи рухнула, водяные пилы исчезли вместе с ней. Реконструкции Но рассуждать о древних механизмах мало — требуется реконструкция. Найдутся ли сумасшедшие, которые попытаются воссоздать древнюю пилораму? Да, нашлись такие! В 2006 году французский археолог Жак Сенье вознамерился воспроизвести механизм из Герасы в натуральную величину, и не где-нибудь, а на его историческом месте. Коллектив опытных кузнецов и плотников много месяцев работал над деталями, в начале 2007 года началась сборка сооружения. 22 марта 2007 года собранную «пилораму» торжественно открыл Его Королевское Высочество принц Иордании Хамза ибн Хусейн (حمزة بن الحسين). Как пишет Сенье, целью было создать максимально точную реконструкцию, поэтому планировалось использовать только материалы и технологии, доступные в VI веке н.э. Однако изготовители столкнулись с рядом проблем: крайне трудно было раздобыть материал с нужными характеристиками, а также найти мастеров, умеющих работать по старинке. Быстро возникли и финансовые трудности. В итоге реконструкторы, как часто, увы, бывает, пошли на компромисс: использовали современное плотницкое оборудование и имеющееся в продаже сырье — в частности, промышленную древесину, но выбирали породы, близкие тем, что росли в районе Герасы — дуб и сосну. Сам археолог заверяет, что всё то же самое можно было целиком сделать вручную, но «с задержками и более высокими производственными затратами». Как это мне знакомо!
Особенные трудности обнаружились при поиске мягкого железа подходящей марки, а также кузнецов, большинство которых привыкли делать перила, скамейки или какие-нибудь произведения искусства, а не четырёхметровые пилы толщиной 3—4 мм. Реконструкторы лишний раз убедились, что сооружение такого механизма в античности требовало значительных денежных затрат. Хочется процитировать классическое «Было гладко на бумаге, да забыли про овраги». В анимированной 3D-модели устройства пилы «естественным образом» правильно натянуты. Однако в реальной конструкции правильное натяжение четырёх пил в общей раме оказалось одной из критически важных задач. Иначе вся установка попросту не функционировала: пилы заклинивало. В итоге, полученная реконструкция, по заявлению автора, не смогла удовлетворить заявленным целям, а из-за финансовых проблем доработка установки и количественные испытания были отложены «до лучших времен». Тем не менее, исследователь считает создание реконструкции крайне полезным: эта работа позволила осознать изъяны теоретической модели, увидеть её ограничения и построить более правдоподобную, приближенную к реальности — которая, впрочем, ещё ждёт проверки реальностью. Сенье, кстати, считает, что и оригинальный станок в Герасе, «слишком амбициозный», был с конструкционными недоработками. Об этом говорят, по его мнению, следы на распиливаемом барабане колонны, свидетельствующие о возможном разрыве одной из пил. В 2009 году немецкий археолог-экспериментатор Фриц Мангарц взялся реконструировать механическую пилу из Эфеса. Копия устройства в натуральную величину была сооружена в Вулкан-парке в Майене, Германия. Правда, аутентичность соблюдена не целиком: вместо водяного колеса использовался электропривод, так что публике такую реконструкцию демонстрировать я бы не стал (хотя с точки зрения эксперимента, какая разница, каков принцип двигателя, если он выдаёт необходимые 30—40 оборотов в минуту?). Как в оригинальной эфесской пилораме, механизм включал две деревянные рамы, по две беззубые пилы в каждой, которые подвешивались на тросах с противовесами, перекинутых через блоки. Смесь воды и кварцевого песка подавалась вручную. У Мангарца получилась вполне работоспособная конструкция. В рамках серии экспериментов археологи провели параллельное пиление двух блоков — мраморного (длиной 1 м) и известнякового (длиной 2,8 м). В блоках удалось получить надпилы в несколько сантиметров глубиной, при этом наилучшая скорость пиления известнякового блока составила 6,75 мм в глубину в час, что в пересчёте на площадь поверхности дало 18 900 мм²/ч (все подробности экспериментов — здесь). При такой скорости блок высотой 80 см будет распилен менее чем за 10 дней (при двенадцатичасовом рабочем дне), причём нужно учесть, что одновременно работают сразу четыре пилы. Исследователь посчитал, что рабочий, управляющий таким устройством, будет иметь в двенадцать раз более высокую производительность, чем при работе с ручной пилой. Впрочем, и тут возник ряд технических вопросов. Как сделать, чтобы пила автоматически опускалась по мере углубления надпила? Чем обеспечить прямолинейное, без вихляний движение пил, стабильное во всех плоскостях? Ради приближения к истине нужны новые безумные эксперименты.
Благодарю за консультации Николая Григорьева и Олега Круглякова. Источники Grewe, K. et H. P. M. Kessener (2007) : “A stone relief of a water-powered stone saw at Hierapolis, Phrygia. A first consideration and reconstruction attempt”, Actes du Colloque International Énergie hydraulique et machines élévatrices d’eau durant l’Antiquité, Pont du Gard, 20-22 septembre 2006, Naples, 227-234. Kessener, Paul (2010), «Stone Sawing Machines of Roman and Early Byzantine Times in the Anatolian Mediterranean», Adalya, 13, pp. 283—303. Thierry Morin, Jacques Seigne. Restitution et reconstitution d’une scierie hydraulique du IVe siècle de notre ère à Gerasa/Jerash (Jordanie). Virtual Retrospect 2007, Robert Vergnieux, Nov 2007, Pessac, France. pp.261-268. hal-01774908. Jacques Seigne. Scierie Hydraulique de Gerasa/Jarash: Restitution Théorique et Restitution Matérielle d’une Machine Hydraulique du VIe Siècle de Notre ère // Studies in the History and Archaeology of Jordan 10, 2009, pp. 433-442. Jacques Seigne. A Sixth Century Water-Powered Sawmill at Jarash // Annual of the Department of Antiquities of Jordan 46, 2002, pp. 205-214. Klaus Grewe. La máquina romana de serrar piedrasla representación en bajorrelieve de una sierra de piedras de la antigüedad, en Hierápolis de Frigia y su relevancia para la historia técnica // n: Las técnicas y las construcciones en la ingeniería romana, 2010, ISBN 978-84-614-3758-0, págs. 381-402. M. Bruno. Quarry blocks in marmor Iassense from the Balik Pazari at Iasos (Turkey) // Interdisciplinary Studies on Ancient Stone Proceedings of the IX ASMOSIA Conference (Tarragona 2009). Tarragona, 2012, pp. 706-714. Stefanie Wefers / Fritz Mangartz, Die byzantinischen Werkstätten von Ephesos // F. Daim / J. Drauschke (Hrsg.), Byzanz. Das Römerreich im Mittelalter 2, 2. Schauplätze (Mainz 2010) 713-729., 2010. Thorkild Schiöler. Die Kurbelwelle von Augst und die römische Steinsägemühle // Helvetia archaeologica, Jg. 40, H. 159/160 (2009), S. 113-124. Авсоний. Стихотворения. Москва, «Наука», 1993, с. 102. https://www3.rgzm.de/ephesos/ — Сайт о реконструкции механизма в Эфесе, включая видео экспериментов.
|
