Этот древний строительный материал, рожденный землей и крещенный огнем, настолько универсален, что его использовали в строительстве пирамид, Великой Китайской стены, Колизея, средневекового замка Тевтонского ордена в Мальборке, знаменитого купола собора Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции и даже моего собственного дома. Мне очень нравится думать о том, что в нашем современном, быстро меняющемся мире, со всеми новыми технологиями, мы по-прежнему опираемся на строительный материал, который используется уже более 10 тысяч лет, а изготавливается из пород, которые формировались в земле 50 миллионов лет.
Глава 5. Металл
В городе Дели в Индии есть железный столб, который не ржавеет. Эта колонна прячется внутри исторического комплекса Кутб – достопримечательности, полной необыкновенных образцов исламской архитектуры. Напоминающая пещеру гробница Илтутмиша, в которой каждый сантиметр стен с арками украшен петлями и завитками, и массивная ребристая башня Кутб-Минар, которая при высоте в 72,5 м является самым высоким кирпичным минаретом в мире, просто захватывают дух. С первого взгляда темно-серая колонна – толщиной со ствол дерева и около семи метров в высоту – кажется незначительной и неуместной, как бродячий кот в зоопарке с экзотическими животными. Но на меня она произвела огромное впечатление.
Эта колонна появилась здесь раньше всех остальных построек. Ее возвел около 400 года один из царей династии Гупта в честь бога Вишну – индуистского бога, который считается Хранителем Вселенной. Изначально на вершине колонны располагалась статуя Гаруды (получеловека-полуптицы, на котором ездит Вишну и который, по преданию, может закрыть собой солнце). Раньше люди подходили к колонне, становились к ней спиной и пытались обнять ее руками так, чтобы руки встретились, и это знак удачи, но теперь от рук туристов колонну защищает забор. Меня удача не очень интересовала, но меня поразило еще одно удивительное свойство колонны: несмотря на свои природные свойства, железо не заржавело за полторы тысячи лет.
Железный век пришел на смену бронзовому, который подошел к концу из-за того, что медь и олово, из которых производят этот металл, стало крайне сложно добыть. Считается, что железный век начался около 1200 года до н. э. в Индии и Анатолии (современной Турции). При исследовании руин Кодуманала, небольшой деревушки в центре штата Тамилнада на юге Индии, археологи обнаружили траншею, которая датируется около 300 года до н. э., на юге этой деревушки. Там нашли печь, в которой сохранилось немного железного шлака (побочного продукта, который образуется при выплавке металлов). Индийское железо, которое упоминается в трудах Аристотеля и «Естественной истории» Плиния Старшего, славилось своим превосходным качеством. Его экспортировали даже в Египет, где им пользовались древние римляне, но рецепт бережно хранили в секрете.
Железный столб, который не ржавеет, в комплексе Кутб в городе Дели в Индии
Для возведения Железной колонны древние индийцы изготовили диски из железа, которые затем сковали (нагрели и молотом соединили вместе), а потом выковали внешнюю часть колонны, чтобы она стала гладкой. Железо, из которого соорудили колонну, было необыкновенно чистым, за исключением более высокого, чем обычно, содержания фосфора. Это результат процесса экстракции, который применяли кузнецы. Как раз фосфор и предотвращает ржавение. Ржавчина образуется на железе при воздействии на него кислорода и влаги. Сначала металл должен был подвергнуться коррозии, но в сухом климате Дели на поверхность металла тонким слоем вышел фосфор, который преградил путь ржавчине. Этот слой фосфора не дал воздуху и влаге взаимодействовать с железом. Так что колонна не стала ржаветь. Современную сталь не изготавливают с таким высоким содержанием фосфора, потому что тогда она растрескается при «горячей обработке», которая входит в обычный процесс производства стали и при которой металл деформируется при высоких температурах. Взгляните на постройки из железа или стали, которые подвержены воздействию атмосферы, и увидите, что для предотвращения ржавчины, которая может их повредить, на них наносят краску. А стальные балки и колонны в помещениях, где контролируется подача воздуха, оставляют без краски – если только она не выполняет огнеупорную функцию, – потому что при недостаточной влажности они не заржавеют.
Пока древние народы познавали чудеса железа, из него в основном изготавливали бытовые емкости, украшения и оружие, потому что добываемое железо было слишком мягким для строительства, и люди не знали, как укрепить его настолько, чтобы можно было построить целый дом или мост. Но встречаются и редкие примеры использования железа в строительстве: в «Записи о буддийских царствах» китайский монах Фасянь описал висячие мосты в Индии, которые поддерживались железными цепями примерно в то же время, когда в Дели возвели Железную колонну. А в монументальных мраморных воротах в Акрополе в Афинах, или Пропилеях (построенных примерно в 432 г. до н. э.), есть железные прутья, укрепляющие потолочные балки. Так инженеры древности использовали металл: в небольших количествах для укрепления каменных и кирпичных сооружений. Прежде чем железо (и его двоюродную сестренку сталь) начнут использовать в больших масштабах, ученым и инженерам предстоит получше узнать его характер.
Кирпичи и строительный раствор легко трескаются при растяжении, а металлы – нет. Они принципиально отличаются своей молекулярной структурой. Как и бриллианты, металлы состоят из кристаллов – только не таких больших и блестящих, которые сверкают на платьях гламурных актрис Болливуда. Металлические кристаллы крошечные – они такие маленькие, что невооруженным глазом их не разглядеть, а еще они непрозрачные.
Эти кристаллы притягиваются друг к другу и образуют кристаллическую решетку. Однако, когда металл накаляется, кристаллы колеблются все быстрее и быстрее, пока их связи не ослабнут. Тогда металл становится податливым, и при достаточно высокой температуре его можно даже расплавить до жидкого состояния. Благодаря гибкости связей в кристаллической решетке металлы пластичны, а это значит, что они могут в определенной степени растягиваться и деформироваться, при этом не ломаясь. Процесс термической обработки, о котором говорилось выше, помогает убедиться в сохранении данной характеристики. Толстый стальной лист, толщиной, например, в 100 мм, можно раскатать в тонкий лист толщиной до 0,1 мм, и он не порвется (как это обычно происходит, когда я раскатываю тесто). Кристаллическую решетку и связи в ней можно расслабить, придать ей другую форму или сдвинуть.
Еще одно свойство, которое придают металлам эти связи, – упругость. Если металл растянуть или раздавить под воздействием силы (определенной величины), то он возвращается в первоначальную форму, когда сила прекращает действовать. Это напоминает явление, когда отпускаешь растянутую резинку, а она возвращается к первоначальному размеру и форме, если только ее не растянуть слишком сильно, чтобы она деформировалась. То же самое может произойти и с металлами.
