Наука о материалах уже давно мучает людей, и еще с древних времен мы пытались изучить, из чего все состоит. Греческий философ Фалес (ок. 600 г. до н. э.) утверждал, что вода является изначальной составляющей всех вещей. Гераклит Эфесский (ок. 535 г. до н. э.) пришел к выводу, что первичной материей является огонь. Демокрит (ок. 460 г. до н. э.) и его последователь Эпикур предположили, что все состоит из невидимых частиц, которые сейчас мы называем атомами. В индуизме материю составляли четыре элемента: земля, огонь, вода и воздух, а пятый – акаша – охватывал то, что находится за пределами материального мира. Римский инженер Витрувий в труде «Об архитектуре» соглашается с тем, что материю составляют те же четыре элемента, и добавляет, что поведение и характер материала зависят от пропорций, в которых в нем содержатся эти элементы.
Сама эта идея – о том, что существует ограниченное количество основных ингредиентов, которые в разных пропорциях могут образовать любой цвет, текстуру, прочность и другие свойства материала, – тогда была революционной. Древние римляне предположили, что в мягких материалах содержится больше воздуха, а в твердых – больше земли. Большое содержание воды придает материалу водостойкость, а хрупкими материалами правит огонь.
Римляне, известные своим любопытством и изобретательностью, манипулировали этими материалами для улучшения их свойств, и так они изобрели бетон. Возможно, у них не было периодической таблицы (пройдет еще какое-то время, пока Дмитрий Иванович Менделеев опубликует ее оригинальную версию в 1869 году), зато они уже знали, что свойства материала зависят от того, в каких пропорциях в нем содержатся элементы, и эти пропорции можно изменить, если воздействовать на материал другими элементами.
Однако люди долгое время использовали в строительстве природные материалы, не меняя их основных свойств. Наши древние предки строили свои жилища из всего, что находили вокруг себя, то есть из доступных материалов, которым можно было легко придавать различную форму. С помощью нескольких простых инструментов они рубили деревья и строили из бревен стены, а шкуры животных связывали и сооружали таким образом палатки.
Если поблизости не было деревьев, люди строили дома из глины. Когда мы усовершенствовали инструменты и стали смелее и изобретательнее, то продвинулись на шаг вперед: мы стали строить деревянные опалубки, чтобы придать глине форму параллелепипедов. Мы обнаружили это, когда дали глине высохнуть на солнце (согласно древнеримской философии, таким образом мы выпускаем воду и с помощью огня отдаем главенство земле), и так стали получаться более прочные блоки. Люди придумали кирпичи.
Около 9000 года до н. э. кирпичи уже использовались в пустынях на Ближнем Востоке. В глубокой долине реки Иордан в сотнях метров над уровнем моря человек эпохи неолита создал город Иерихон. Жители этого древнего города обжигали вручную слепленные плоские кирпичи из глины на солнце и строили из них дома в форме ульев. Уже около 2900 года до н. э. в Индской цивилизации строились здания из кирпичей, обожженных в печах. Этот процесс требовал мастерства и точности: если кирпич обжигать недостаточно долго, то глина не просохнет должным образом. Если нагревать его слишком сильно и слишком быстро, то он треснет. Но если обжигать его в течение определенного времени и при правильной температуре, то глина становится прочной и водонепроницаемой.
Руины Индской цивилизации археологи нашли в Мохенджо-Даро и Хараппе на территории современного Пакистана. Каждый кирпич в их постройках независимо от размера изготовлен в идеальных пропорциях 4:2:1 (длина:ширина:высота) – и этими пропорциями до сих пор (в той или иной мере) пользуются инженеры, потому что благодаря им кирпичи равномерно просыхают, с ними удобно работать, а площадь поверхности у них подходит для того, чтобы легко соединять их между собой любым клеем или раствором. Примерно в то же время, что и в Индской цивилизации, в Древнем Китае тоже в больших масштабах изготавливали кирпичи. Но пока скромный кирпич стал одним из самых используемых материалов Западной цивилизации, нам пришлось подождать расцвета одной из ее величайших империй.
Для меня энергетика и изобретательность древнеримской инженерии служат постоянным источником вдохновения, и к тому же они не перестают меня изумлять. Поэтому я так волновалась, когда ехала на поезде из Неаполя в южном направлении к месту одной из самых известных археологических раскопок в мире. Мы с мужем, надев одинаковые сандалии и подходящие шляпы для сафари, чтобы защититься от палящего летнего солнца, отправились к месту назначения. В ожидании чего-то великого мы зашагали в сторону руин древнего города Помпеи.
Вдоль мощеных улиц расположились прилавки магазинов, испещренных углублениями, в которые когда-то помещали конические горшки, или амфоры. На одном полу выложена потрясающая мозаика, изображающая извивающихся рыб и других морских обитателей. На другом – свирепые псы и легендарная надпись «Cave canem», что значит «Осторожно, злая собака». Рядом с ним были прекрасно спроектированные дома, как у Менандра (греческого писателя), с просторным атриумом, термами и садом, окруженным удивительно пропорциональной галереей с колоннами, или перистилем. Все это дает представление о том, каким славным и шумным был этот город в пору своего расцвета.
Среди деталей, которые привлекли мое внимание, были еще кроваво-красные кирпичи. Они были повсюду. Они выглядывали украдкой с колонн, украшения на которых когда-то скрывали их от глаз. Они гордо красовались на стенах, где были выложены тонкими тройными слоями, перемежаясь с контрастными рядами белого камня. Но мои любимые кирпичные конструкции – это, несомненно, арки.
Арки – важная часть зданий. Там они закругленные и имеют форму полукруга, или полуэллипса, или даже параболы. Это очень сильные фигуры. Возьмем, к примеру, яйцо: если попытаться сжать яйцо в руке одним равномерным движением, то сломать его окажется практически невозможно, потому что по изогнутой скорлупе сила сжатия, передающаяся от нашей руки, распределится равномерно, и скорлупа ее выдерживает. Чтобы разбить яйцо, нужно что-то острое, вроде ножа или лезвия, которое будет воздействовать на него только с одной стороны, создавая таким образом неравномерную нагрузку. Когда строишь арку, сила в ней распределяется равномерно по всей изогнутой форме, и все ее части испытывают силу сжатия. В древние времена в строительстве широко использовался камень и кирпич – они отлично выдерживают силу сжатия, но не растяжения. Древние римляне понимали и свойства этих материалов, и удивительные свойства арки, и решили объединить свои знания в удивительно гармоничный союз. До тех пор для преодоления больших расстояний в постройках – мостах и зданиях – использовались плоские балки. Как мы видели ранее, если на балку есть нагрузка, то сверху она испытывает силу сжатия, а снизу – силу растяжения. Так как камень и кирпич плохо справляются с силой растяжения, строители древности использовали большие балки, которые часто оказывались неповоротливыми. Это ограничивало ширину пролетов, над которыми располагается балка. Но с помощью высокого сопротивления камня силе сжатия в арке римляне смогли создавать более прочные и крупные постройки.
Силы распределяются по всей дуге арки. Она постоянно испытывает силу сжатия
Кирпичные арки вокруг меня пережили тысячелетия и заставили вспомнить прекрасную старинную арабскую поговорку «Арки никогда не спят». Они не спят, потому что их детали постоянно находятся под воздействием силы сжатия и с бесконечным терпением сопротивляются нагрузке. Даже когда Везувий изрыгал лаву на Помпеи, душил людей и дома, арки остались стоять на страже города. Пусть их засыпало пеплом, но они так и стоят на своем посту.
Руины города Помпеи свидетельствуют о том, что римляне использовали кирпич почти во всех постройках на завоеванных землях. На территории современной Италии и других стран легионы пользовались мобильными печами для обжига, распространив технологию до самых Британских островов и Сирии. Вы не удивитесь, если узнаете, что у Витрувия уже было свое мнение о материале, который нужен для изготовления идеального кирпича и который он описал в своем труде «Об архитектуре». Создание кирпича очень похоже на приготовление торта, так что вот вам моя версия рецепта античного кирпича, предоставленного рядом инженеров античности, который даже я смогла бы приготовить.
РЕЦЕПТ АНТИЧНОГО КИРПИЧА
Ингредиенты
Глина
Кирпичи не стоит изготавливать из глины с большим содержанием песка или гальки, потому что из-за этого они получаются, во-первых, слишком тяжелыми, а во-вторых, под дождем такие кирпичи разваливаются, и солома в составе не скрепляет слишком грубый материал.
Лучше делать их из белой меловой или красной глины, или даже из зернистой щебневой глины. Данные материалы мягкие и долговечные, с ними не так тяжело работать, и их легко укладывать.
Вода с фруктами
Жар солнца или печи
Приготовление
1. Бросить кусок глины в сосуд с водой глубиной по колено и 40 раз перемесить ногами.
2. Замочить глину в водах сосновой, манговой и древесной коры и в водах трех фруктов и продолжать замешивать в течение месяца.
3. Замешав глину с небольшим количеством воды, придать ей форму с помощью большого деревянного прямоугольника. (Древнегреческий лидийский кирпич – который обычно использовали римляне, согласно Витрувию, – имеет длину 45 см и ширину 30 см.) Как только кирпичи обрели форму, их следует извлечь из деревянных форм.
4. Нагревать глину нежно и постепенно. Если кирпичи изготавливать летом, то они получатся бракованными, потому что жар солнца быстро высушит внешний слой глины, а внутренний слой окажется слишком уязвимым. Высохший внешний слой сожмется больше, чем влажный внутренний, и кирпич треснет. А если изготавливать кирпичи весной или осенью, то они будут высыхать равномерно благодаря более мягкой температуре.