Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Одно из наиболее замечательных каменных сооружений древности — храм Юпитера в городе Гелиополисе (Малая Азия). Таких храмов не было даже в самом Риме. При площади застройки 7000 м2 (равной футбольному полю) по периметру были установлены 62 колонны высотой до 20 м. Фундаментом служил огромный искусственный массив из камня, выполненный в незапамятные времена анонимным автором (знаменитая Баалбекская терраса). В северо-западном углу фундамента уложены три каменных блока по 850 т. Это самые тяжелые каменные блоки, применявшиеся когда-либо в истории человечества.
РАЗВИТИЕ «ЯСНОВИДЕНИЯ» В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Древние строители были лишены одного очень важного оружия — научных знаний. Если бы они владели хотя бы самыми основами строительной механики, им было бы достаточно четырех действий арифметики, чтобы точно знать, выдержат ли балки приложенную нагрузку, выдержат ли стены тяжесть свода, а свод — свою собственную тяжесть. Но древние строители были далеки от самых простых истин механики. Это оплачивалось дорогой, очень дорогой ценой.
История не сохранила свидетельств о неудачах — о катастрофах дворцов, обрушивании башен, разрушении мостов. Но мы можем быть уверены, что такие события не были редкостью. Катастрофы практически оказывались единственной возможностью проверить границы несущей способности и устойчивости сооружения.
Но, разумеется, от острого ума древних народов не укрылись некоторые закономерности природы; присутствовало и стремление к широким обобщениям на базе скромного и одностороннего опыта. Человеческое сознание уже было способно оперировать такими абстрактными понятиями, как «длина», «сила», «отношение». Постепенно в разных местах и в разное время начали возникать научные центры, пытавшиеся интерпретировать накопленный до этого момента опыт в виде теорий создававшихся чисто умозрительно. Одной их наиболее известных научных школ древности была Афинская школа Аристотеля, а также ее прямой наследник — Александрийская. Именно там создавался прообраз инженерной науки — науки, которая ставит своей целью практическую пользу, решение жизненно важных задач.
Это яркое и нетипичное для своего времени явление связано с деятельностью великого ученого древности Архимеда. Разумеется, это преувеличение; до него было много людей с богатым техническим опытом и тонкой интуицией, построивших много замечательных сооружений. Однако Архимед был первым ученым, применившим результаты своих научных исследований на практике.
Значителен его вклад в механику, который почти полностью относится к строительному делу: основы статики и гидростатики, теория центра тяжести; Архимед точно определил понятие «момент силы», ввел понятие «относительный вес». Условие равновесия рычага, в отличие от расплывчатой формулировки Аристотеля, было дано им в точном и ясном математическом виде.
Следующий яркий всплеск человеческого технического гения произошел многими веками позже — после падения Римской империи и нашествия варваров, где-то на закате мрачного средневековья, речь идет об универсальном гении Леонардо да Винчи.
Едва ли какая-либо другая крупная фигура того времени так полно и концентрированно воплощала в себе дух эпохи Возрождения. Леонардо — это великий художник, крупный скульптор, замечательный архитектор, мудрый философ, прозорливый ученый, изобретательный техник; в нем удивительным образом сочетались математический ум и пространственное воображение, дальновидность и сила воли. В многочисленных его трудах можно найти прототипы самолета с машущими крыльями, вертолета, парашюта, велосипеда, различных машин и даже военной техники.
Леонардо — ученый с современными представлениями. «В науке не может быть никакой достоверности, — писал он, — если отсутствует почва для приложения математики. Всякая практика должна опираться на теорию. Наука — полководец, а практика — воин». И далее: «Мудрость — дочка опыта. Опыт непогрешим; грешат наши суждения, которые ожидают от опыта то, что находится вне его власти».
Многие из нынешних инженерных наук уходят своими корнями в труды Леонардо. Мы могли бы назвать его и первым инженером-строителем. Многое свидетельствует о том, что он размышлял над вопросом: почему одни сооружения прочны, надежны и стоят веками, а другие при тех же условиях очень быстро разрушаются? Ответы, которые он себе давал, тоже были современными: во-первых, необходимо целесообразное и хорошо продуманное конструктивное решение и, во-вторых, необходимо знать, какие силы действуют в самой конструкции и какова несущая способность ее элементов. Но как это узнать? До этого момента никто и никогда не ставил вопроса так правильно и так необычно для того времени. И соответственно, не было никакой основы, на которую можно было бы опереться, кроме основ статики, сформулированных еще Александрийской школой. Леонардо да Винчи был первым человеком. который использовал скромные достижения тогдашней статики для определения усилий, возникающих в отдельных элементах конструкции. Более того, он был первым человеком, который провел натурные испытания конструктивных элементов с целью определения их несущей способности.
Известны его опыты с металлическими нитями, исписывавшимися на растяжение. Хотя он и был далек от выводов Роберта Гука, но с помощью своей достаточно сложной опытной установки смог определить несущие возможности тел разного сечения и длины, а также место и характер их разрушения. Позднее он провел серию опытов с деревянными балками, подвергавшимися нагрузке на изгиб при разных типах опирания (свободно лежащими на двух опорах и с жесткой заделкой с одной стороны). А вот вывод, который мы находим в его рукописях: «Если балка длиной в два локтя выдерживает сто фунтов, то балка длиной в один локоть — двести фунтов. Насколько короче балка, настолько большую нагрузку она может выдержать».
Леонардо путем опытов смог дойти до истины, что несущая способность балок обратно пропорциональна их длине и прямо пропорциональна ширине сечения. От его внимания ускользнула зависимость между высотой сечения и несущей способностью элемента, которая была открыта несколько веков спустя.
Великий художник исследовал и несущую способность колонн. Он, установил, что она прямо пропорциональна сечению колонны (что совершенно верно) и обратно пропорциональна длине (достаточно приблизительно). Так или иначе, он руководил строительством с истинно научных позиций, и можно себе представить, какое сильное впечатление производило на невежественных современников его строительное «ясновидение».
К сожалению, после его смерти многие его труды и открытия долгое время оставались неизвестными, а некоторые были безвозвратно потеряны. «Инженеры» следующих веков определяли размеры элементов, как это делали древние римляне, — по интуиции, «на глазок», так что аварии и катастрофы продолжали оставаться неизменным спутником строительной практики. Люди учились на своем горьком опыте, даже не подозревая, какую большую помощь им может оказать наука.
Первым исследователем, чьи труды не были утеряны, уничтожены или забыты, а наоборот, стали общепризнанными, многократно повторяемыми, проверяемыми и уточняемыми, является Гилилео Галилей.
После перипетий со святой инквизицией и «добровольного» отречения от своей космогонической теории он был вынужден уединиться в деревеньке Арчетри близ Флоренции. Там он посвятил свой деятельный дух давно задуманному (и далеко не безопасному) фундаментальному труду по физике, математике и механике. По важности идей и ценности выводов эта книга имеет не меньшее значение, чем его астрономический труд.
Галилей был глубоко убежден, что «книга природы еще будет написана… на языке математики; её буквами будут треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без которых человек не поймет языка этой книги, а будет блуждать в темном лабиринте природы». Кроме того, Галилей очень правильно понимал и роль эксперимента, считая, что он должен быть хорошо продуманным и спланированным, явление должно изучаться в чистом виде, без нарушающих факторов, и может интерпретироваться математически. Следуя по этому пути, великий итальянец дошел до некоторых основных истин механики, неизвестных в то время. Современники называли его всевидящим, что можно рассматривать как неофициальное признание его прозорливости.
Он начал с опытов на осевое растяжение, сначала на металлических нитях, а затем на деревянных балках. Введя понятие «абсолютное сопротивление» (по нынешней терминологии — несущая способность при осевом растяжении), Галилей доказал, что оно зависит не от длины элемента, а от площади его сечения, притом прямо пропорционально. Следующие опыты были на изгиб балок. Опытными телами были призматические деревянные балки, опирающиеся на массивную стену. И тут его острый глаз заметил то, что ускользнуло от внимания Леонардо. «Всякая пластинка или призма, — писал Галилей, — ширина которой больше толщины, оказывает наибольшее сопротивление изгибу тогда, когда она поставлена на ребро, а не когда лежит плоско. При этом сопротивление будет настолько больше, насколько ширина больше толщины».
