Масштабное строительство, связанное с водой, то есть дамб, каналов и мостов, хорошо документировано в Иерусалиме, Месопотамии и Греции. Но римские достижения, несомненно, известны лучше всего как образцы смелых инженерных решений в области обеспечения городов водой. Практически каждый крупный римский город имел хорошо продуманную систему водоснабжения, и это достижение было превзойдено только в Европе эпохи индустриализации. Римские акведуки выглядели особенно впечатляюще (рис. 4.24). Плиний в своей «Естественной истории» назвал их «наиболее замечательным достижением всего света».
Система водоснабжения начиналась с акведука Aqua Appia в 312 году до н. э. и в конечном итоге состояла из 11 линий, протянувшихся почти на 500 км (Ashby 1935; Hodge 2001). К концу I века общий приток воды составлял более 1 Мм3 (1 Гл) в день, то есть в среднем более 1500 литров на душу населения, а в конце XX века тот же Рим (с населением в 3,5 миллиона) получал в среднем (в том числе для промышленного использования) около 500 литров на душу населения (Bono and Boni 1996). Столь же впечатляющим был масштаб римской канализационной системы cloaca maxima, спрятанной под землей; она достигала 5 метров в диаметре.
По всей Римской империи акведуки состояли из набора одинаковых структурных элементов (рис. 4.24). Водопроводы начинались от источников, озер или искусственных прудов и были прямоугольными в поперечном сечении, их строили из каменных или бетонных плит, промазанных цементом. Обычный уклон акведуков составлял не менее 1 к 200 на каждом из ряда участков, и везде, где возможно, строители избегали тоннелей. Там, где приходилось делать подземный отрезок, к каналу обеспечивали доступ сверху с помощью колодцев. Только в расщелинах, слишком длинных, чтобы обогнуть их, или слишком глубоких для простой дамбы римляне строили мосты. Не более 65 км римских акведуков проходили по аркам. Мосты Августа у Гарда (более 50 метров высотой), Мериды и Тарагоны являются лучшими образцами. Очищение и ремонт каналов, туннелей и мостов, которым часто угрожала эрозия, были постоянной задачей.
Если для пересечения долины требовался мост выше, чем 50–60 метров, то римские инженеры применяли обратный сифон. Его трубы соединяли более высокий резервуар на одной стороне долины с чуть ниже расположенным приемным резервуаром на другой стороне (Hodge 1985; Schram 2014). Пересечение потока на дне долины все же требовало возведения моста. Высокие энергетические затраты при строительстве таких сооружений в первую очередь связаны с большим количеством свинца, который требовался для труб высокого давления – они могли выдержать до 1,82 Мпа (18 атмосфер) – и с ценой транспортировки металла часто на значительное расстояние от центров его плавки. Например, общее количество свинца для девяти сифонов в водопроводе Лиона составило около 15 000 тонн.
Металлургия
Начало всех высоких культур древности отмечено использованием цветных металлов. Помимо меди, первые металлурги знали олово (его комбинировали с медью, чтобы получить бронзу), железо, свинец, ртуть и два благородных элемента, серебро и золото. Ртуть является жидкостью при обычных температурах; сравнительно редкое и мягкое золото использовали для монет и украшений. Серебро было несколько более доступным, но все равно достаточно редким для предметов массового производства. Из-за их мягкости свинец и олово в чистом виде использовали большей частью при создании труб и посуды. Только медь и железо встречались сравнительно часто и обладали, особенно в виде сплавов, высокой твердостью и большим пределом прочности при растяжении. Поэтому только они подходили для производства предметов длительного пользования. Медь и бронза доминировали в первые два тысячелетия письменной истории, железо и его сплавы (громадное разнообразие сталей) занимают главенствующее положение сейчас.
Древесный уголь горел в топках, где плавили как железную руду, так и руды цветных металлов, и в печах в кузницах, где слитки обрабатывали и превращали в металлические предметы. Напряженным трудом люди добывали руду, рубили деревья и делали уголь, строили и топили печи, плавили и очищали металл и придавали ему разную форму. Во многих обществах, от Африки южнее Сахары до Японии, металлургия оставалась исключительно ручной работой до создания современных производственных методов. В Европе и позже в Северной Америке животные и особенно энергия воды взяли на себя такие повторяющиеся, изнурительные задачи как дробление руды, откачивание воды из шахт и ковка. Древесина в виде дров, а позже – надежный источник энергии воды, нужные, чтобы двигать более крупные меха и молоты, стали таким образом ключевыми детерминантами развития металлургии.
Цветные металлы
Медные инструменты и оружие соединяют каменный и железный века человеческой эволюции. Первое использование меди относится к 6-му тысячелетию до н. э., и оно не включало плавку. Кусочки металла, образовавшиеся естественным путем, слегка обрабатывали, чтобы сделать из них простые инструменты, или отжигали, чередуя нагревание и ковку (Craddock 1995). Самые ранние доказательства использования самородков (в форме бусин из малахита и меди в юго-восточной Турции) датируются 7250 годом до н. э. (Scott 2002). Плавка и литье металла широко распространились после середины 4-го тысячелетия до н. э. в целом ряде регионов, где было много легкодоступных оксидных и карбонатных руд (Forbes 1972). Многочисленные медные предметы – кольца, долота, топоры, ножи и копья – остались после первых обществ Месопотамии (до 4000 года до н. э.), додинастического Египта (до 3200 года до н. э.), культуры Мохенджо-Даро в долине Инда (2500 год до н. э.) и древнего Китая (после 1500 года до н. э.).
Центры добычи меди в древности находились на Синайском полуострове, в Северной Африке, на Кипре, в сегодняшних Сирии, Иране и Афганистане, на Кавказе и в Центральной Азии. Позже районами ее производства стали Италия, Португалия и Испания. Из-за того, что точка плавления этого металла сравнительно высока (1083 °C), производство было достаточно энергозатратным. Обрабатывали руду с помощью древесины или древесного угля, сначала просто в выложенных глиной ямах, позже в простых, низких глиняных печах шахтного типа с естественной тягой. Первое ясное доказательство использования мехов пришло из Египта XVI века до н. э., но почти наверняка они появились ранее. Загрязненный металл очищали нагреванием в небольших тиглях, после чего выливали в формы из камня, глины или песка. Из отливков делали утилитарные предметы или украшения, отбивая молотом, шлифуя, просверливая и полируя.
Более высокий уровень технологии требовался для получения металла из широко распространенных сульфидных руд (Forbes 1972). Сначала их нужно было измельчить и нагреть, чтобы удалить серу и другие загрязнители (сурьму, мышьяк, железо, свинец, олово и цинк), которые меняли свойства металла. Тысячелетиями руду дробили вручную, молотами, и эта практика сохранилась в Азии и Африке до XX века. В Европе водяные мельницы и привязанные к лебедке лошади постепенно взяли на себя эту работу. Обжиг измельченной руды требовал сравнительно небольшого количества топлива. Плавление отожженной руды в печах шахтного типа сменялось плавкой медного штейна (только 65–75 % меди) и еще одной плавкой, в результате которой получалась черновая медь (95–97 % меди). Этот материал можно было очищать дальше окислением, шлакованием и возгонкой. Вся длинная последовательность требовала немало топлива.
