Архимед обладал неуемным воображением, которое применял к своим познаниям в математике, физике и даже создании оружия, а также в инженерии. Он улучшил блок, обернув веревку вокруг нескольких колес вместо одного. Если в системе всего один блок, то сила, которую нужно применить для поднятия груза с определенным весом, равняется этому весу. Поэтому для поднятия предмета массой 10 кг требуется сила 10 кг × 9,8 м/с2 (ускорение свободного падения) = 9,8 Н. (Н – ньютоны: единица измерения силы, названная в честь ученого, и еще одно напоминание о том, какую важную роль он сыграл для инженерии – без его закона всемирного тяготения я бы не смогла выполнить эти вычисления.) Количество энергии, которую мы израсходуем, равно силе, умноженной на расстояние. Если у нас всего один блок и мы хотим поднять этот груз на высоту 1 м, то веревку тоже нужно будет тянуть 1 м, так что затраченная энергия будет равна 9,8 Н × 1 м = 9,8 Н·м (ньютон-метров).
Но если использовать два блока, то энергия останется прежней (потому что мы перемещаем тот же вес на то же расстояние), а приложенная сила уже в два раза меньше. Это происходит потому, что вес теперь поддерживает не один, а два участка веревки. Каждый участок веревки нужно сдвинуть на 1 м, чтобы переместить груз на 1 м, значит, всю веревку нужно сдвинуть на 2 м. Поскольку энергия остается прежней, а расстояние в два раза больше, то сила, которую нужно применить, в два раза меньше. Тот же принцип распространяется и на три блока, и на десять.
Архимед смело заявил своему правителю царю Гиерону II, что может передвинуть любой груз с помощью своей системы блоков. Гиерон, что неудивительно, отнесся к заявлению со скептицизмом и потребовал доказательств. Одно из крупнейших грузовых судов из арсенала царя наполнили грузами и людьми. Обычно, чтобы дотащить его до моря, требовалась вся сила нескольких десятков человек, но Гиерон поставил Архимеду задачу выполнить это в одиночку. На глазах у царя и собравшейся толпы Архимед установил систему блоков, продел в них веревку, привязал один ее конец к кораблю, а за второй потянул. Если верить «Жизнеописаниям Плутарха» (сборник биографий, который, как считается, написан в начале II века), «он повел корабль по прямой линии, так же плавно и равномерно, как если бы тот плыл по морю».
Римляне увидели потенциал в системе из нескольких блоков и даже усовершенствовали ее, создав на ее основе подъемный кран. Два деревянных шеста в форме перевернутой буквы «V» составляли каркас крана. Верхние концы шестов соединяли железной скобой, а основание закрепляли на земле. Между двумя шестами вставляли перекладину (получалась буква «А»), которая служила лебедкой: к ней можно было привязать веревку и, проворачивая лебедку, поднимать или опускать груз, прямо как в колодце с воротом. К верхушке крана крепился механизм из двух блоков. Через нее проходила веревка, идущая от лебедки, а затем шла в третий блок, находящийся прямо над грузом. На обоих концах лебедки располагались оси с ручками, с помощью которых ее можно было вращать, и таким образом относительно тяжелые грузы легко поднимали и опускали. Если римлянам нужно было поднять что-нибудь более крупное, они добавляли больше блоков и вращающихся секций, а ручки заменяли большим поворотным колесом.
Древнеримский подъемный кран с системой блоков
С помощью крана с блоками римский рабочий мог поднимать грузы в 60 раз тяжелее, чем поднимали древние египтяне. Хотя сегодняшние краны намного большего размера, они по-прежнему работают по тому же принципу. Длинные квадратные полые стальные детали соединяют так, чтобы получилась высокая башня, и к ней прикрепляют длинную балку, или стрелу. В стреле располагается система многочисленных блоков, а рабочих и ручки древнеримской лебедки заменяет сила бензинового двигателя. Стрела движется вправо и влево и поворачивается на 360°, перемещая тонны стали и стекла, которые надежно крепят к современной версии архимедовского изобретения.
Осознав потенциал подъемных кранов и арок, римляне смогли сооружать более крупные постройки. И их способности совпадали с амбициями: они были готовы и мыслить шире. По мере роста территории империи, а вместе с ней и населения, небольшие поселения стали вырастать в огромные города. Чтобы все поместились, они стали строить инсулы – древний эквивалент многоквартирных домов, высотой аж до десяти этажей. (Пирамиды, конечно, были намного выше, только в них нельзя было жить.)
Инсула занимала целый городской квартал, и со всех сторон ее окружали дороги (отсюда и название, ведь инсула значит «остров»). Вместо внутреннего атриума, откуда в большинство частных домов того времени проникал свет и свежий воздух, у инсулы окна выходили на город: по сути, это был дом наизнанку. Первый этаж состоял из множества колонн, между которыми были относительно неглубокие арки. Поверх арок укладывали слой бетона, который сверху выравнивали и получали пол следующего этажа. Если бы не было арок, то для поддержки поэтажных балок требовалось бы гораздо больше колонн, и получились бы гораздо более маленькие и загроможденные помещения.
Впервые за всю историю римлянам пришлось проектировать фундамент так, чтобы их массивные сооружения не утонули в земле. Они изучали почву под проектируемым зданием, а потом закладывали соответствующий фундамент из камня и бетона.
Самые дорогие и престижные квартиры находились на первом этаже. Чем выше этаж, тем меньше и дешевле становились жилища, – сегодня, конечно, все как раз наоборот: вершиной роскоши (в буквальном смысле) стал пентхаус, который обойдется вам в целое состояние. В инсулах постоянно кипела жизнь: так как лифтов еще не было, жильцам приходилось все время ходить по лестнице. Поскольку воду еще не умели поднимать на верхние этажи с помощью насосов, люди таскали чистую воду наверх на себе, а грязную уносили обратно вниз (хотя многие просто выплескивали ее из окон). На лестнице даже можно было встретить животных: говорят, как-то на третий этаж такого дома забрела корова.
В инсулах было шумно: даже когда изобрели стеклянные окна, которые заменили ставни, шум с улицы все равно никуда не делся. Еще до рассвета вставали пекари, и было слышно лязганье печей. Потом утром учителя кричали свои уроки на площадях. Весь день были слышны постоянный стук чеканщиков золота, звон монет менял, вопли попрошаек и выкрики торгашей, которым нужно было загнать товар. Ночью к этому шуму примешивались еще танцы, пьяные матросы и скрипучие телеги. Но еще хуже шума и антисанитарии был страх, что дом может обрушиться или сгореть, что частенько происходило с постройками плохого качества. Император Август издал указ, который уже тогда регулировал планировку зданий, и ограничил максимальную высоту домов 20 метрами (а Нерон сократил ее до 18 м), но эти требования часто не соблюдались. Несмотря на все неудобства, к 300 году большинство римлян жили в инсулах. Таких зданий было около 45 тысяч, притом что частных домов, где жила одна семья, было меньше 2 тысяч.
Это первый случай в истории, когда стали строиться практичные многоэтажные дома, где могли жить сотни людей. Сама идея была революционной – хотя первым жильцам таких домов, вероятно, было не очень приятно существовать бок о бок с соседями, а посторонним такой непривычный образ жизни и вовсе казался странным. Но это и было будущее.
Сама идея – жилища, расположенные друг над другом, – и легла в основу того, что впоследствии превратится в небоскреб.
Архимед взял блок из месопотамской цивилизации и усовершенствовал его. Римляне, в свою очередь, переняли технологию Архимеда и стали применять ее по-новому, в процессе создав грузоподъемные краны. Но прогресс в инженерии основан не только на применении, доработке и передаче существующих традиций. Иногда приходится нарушать традиции и мечтать о невозможном. Например, я восхищаюсь Леонардо да Винчи (1452–1519), которому удалось нарисовать в воображении первые летательные аппараты, механические средства передвижения и знаменитую концепцию моста (составленную из коротких модулей в виде лестниц, которые можно быстро собирать и разбирать). Еще одним таким мыслителем был Филиппо Брунеллески (1377–1446), который в одиночку – и, как увидим, самоотверженно – создал один из самых знаменитых куполов в архитектуре Возрождения и произвел революцию в строительстве, возведя его без несущего каркаса. Неплохо для человека, которому вслед люди кричали: «Вот идет сумасшедший!»
Еще до Брунеллески работа над собором Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции продолжалась более 100 лет. Указ от 1296 года предписывал построить здание «столько великолепное, что своей высотой и красотой оно превзойдет все подобные постройки греков и римлян», и в том же году началось строительство по проекту Арнольфо ди Камбио (которому принадлежат еще две величайшие достопримечательности Флоренции: базилика Санта-Кроче и Палаццо Веккьо). Несмотря на грандиозный указ, за последующие десятилетия постепенно стал улетучиваться и энтузиазм, и энергия граждан – не говоря уже о деньгах, – так что собор, еще и без купола, доделали только к 1418 году. Во время строительства как-то мало подумали о том, как вообще водрузить купол на огромную 42-метровую дыру.
Дуомо Брунеллески во Флоренции, или собор Санта-Мария дель Фьоре
Брунеллески вырос как раз неподалеку от строительной площадки с незаконченным собором. Строительство шло так долго, что одну из улиц рядом со стройкой так и назвали Lungo di Fondamenti, или «вдоль фундамента». В подмастерьях Брунеллески научился отливать бронзу и золото, ковать железо и придавать металлам форму. Потом он переехал в Рим, где изучал технологии своих предков, древних римлян. Брунеллески всегда интересовался инженерией и еще в молодости сформулировал два важных намерения: возродить архитектуру до величия древнеримских времен и построить собору купол. Шанс осуществить оба этих намерения представился, когда власти, отвечавшие за собор, устроили конкурс, чтобы найти подходящего кандидата для создания купола. У Брунеллески было мало шансов выиграть, так как даже более скромные его проекты из-за его радикальных идей вызывали много неприязни, а дипломатия не была его коньком. (Как-то раз комитет, который рассматривал его проект, силой выгнал его и выбросил на площадь, после чего его стали называть безумцем.)