Металлы в водопроводах Древнего мира - Реферат


 

Великие цивилизации Древнего мира формировались в долинах полноводных рек. Так было в Египте, Месопотамии, Древней Индии, Китае. Быстрое развитие этих регионов мира, несмотря на наличие значительных водных ресурсов, рано или поздно приводило к дефициту питьевой воды. Поэтому уже в IV тыс. до н.э. в вышеупомянутых регионах начали строить трубопроводы для обслуживания наиболее густонаселенных территорий.

Первоначально использовались деревянные и глиняные гончарные трубы. Однако по мере развития металлургии возрастала роль металлических труб, обладающих, по сравнению с деревянными и гончарными изделиями, целым рядом технико-эксплуатационных преимуществ: меньшими габаритами и массой, долговременностью эксплуатации и т.д.

Акведуки

Акведуки строились следующим образом. На довольно высоком месте находили обильный источник воды и делали углубление в виде большого водоема, в котором собиралась вода. Из этого водоема вода поступала к общественному или собственному водопроводу по подземным трубам или по надземным водопроводам.

Подземные трубы выполнялись из дерева, глины или свинца. В местах пересечения водопровода с твердыми скальными породами вырубались водоотводные каналы; в мягких грунтах эти каналы выкладывались камнем и над ними сооружались своды. На определенном расстоянии друг от друга делались отверстия для воздуха, чтобы вода оставалась чистой и свежей.

Надземные каменные водопроводы имели гидроизоляцию из штукатурки и отверстия сверху для доступа воздуха. Водопроводы выполнялись на стенах, которые везде, где нужен был проход, имели арки, как например, часть водопровода Клавдия. Эти арки образовывали один или несколько ярусов, что позволяло сооружать водопроводы через реки в виде мостов и прокладывать по ним дороги.

Римские водопроводы простирались в длину на многие километры, достигая в высоту десятков метров. Так, водопровод Аnio novus был высотой почти 40 м; водопровод во Франции и поныне двумя арками высотой почти 50 м поднимается над окрестностями. Таковы же остатки водопроводов в Испании.

Наиболее ранние из известных в настоящее время трубопроводов, в которых применялись металлические трубы, обнаружены в Египте. При раскопках дворцовой части пирамиды фараона Сухаре в Абукире были найдены фрагменты медных труб, применявшихся для отвода и сбора дождевой воды. Трубы имели диаметр 4,7 см при толщине стенок 1,4 мм. Они были изготовлены из листового металла и соединялись друг с другом внахлестку. Приблизительное время создания трубопровода — 2500 г. до н.э.

Древние римляне пошли по другому пути, предпочитая проводить более трудоемкие и дорогие работы по сооружению водопроводов, в которых вода течет, следуя наклону дна, как в ранних греческих водопроводах. Римские водопроводы были более прочные и портились редко, в то время как более совершенные водопроводы высокого давления, изобретенные греками, требовали постоянного ухода и присмотра. А римляне, наверное, просто ленились. Римские водопроводы - акведуки, вода в которых могла проходить частично под землей, частично по каналу, выложенному на специально выстроенных рабами сооружениях, наподобие современного моста, так называемых субструкциях (Субструкция - конструкция, поддерживающая снизу ту или иную часть архитектурного сооружения, лат.Substructia – основание). Некоторые из них сохранились до наших дней.

Свинцовые трубы

В древних источниках имеются упоминания о трубах: для подводных трубопроводов (около 700 лет до н.э.); для снабжения водой островных финикийских колоний (в эпоху Пунических войн). Упомянутые трубы изготавливались из меди, олова, бронзы, но настоящая трубная индустрия возникла после освоения технологии производства свинцовых труб. Свинец обладает массой достоинств: это самый пластичный из металлов, он прокатывается до тончайшего листа, легко подвергается механической обработке, обладает прекрасными литейными свойствами. Из недостатков можно отметить лишь невозможность изготовления из него проволоки.

Свинец - металл, который, подобно меди, сурьме и олову, известен с глубокой древности. Как ни странно, но впервые широкое применение свинец нашел там, где ныне он совершенно не употребляется, - при изготовлении водопроводных труб. Мягкость свинца не позволяла ему конкурировать с медью, бронзой или железом в качестве материала для производства орудий труда. Но он оказался прекрасным материалом для изготовления труб и деталей водопроводов. Построенные в Вавилоне и признанные одним из семи чудес света висячие сады Семирамиды орошались водой через сложную систему колодцев и труб, сделанных из свинца.

Водопроводы в Древней Греции

Первые известные нам водопроводы появились в Древней Греции. Характерной особенностью античной цивилизации является обилие городов. Поэтому для обеспечения жителей городов водой требовались огромные затраты труда и большая творческая изобретательность. Все ранние греческие водопроводы сооружались так, что вода в них текла, как обычно в природе, следуя небольшому наклону дна. Историк Геродот упоминает один из таких водопроводов, построенный на острове Самос в VI веке до н.э.. Известно имя руководителя его строительства - Евполин Мегарский. В горе был пробит туннель длиной 1323 метра, высотой и шириной 2,5 метра. По нему протекала вода из обильного источника. Непосредственно в город вода из туннеля попадала по керамическим трубам 26 сантиметров в диаметре.

Сифон и его конструкция

Позже греческие ученые и строители достигли значительных успехов в изучении естественных наук и познании законов механики и гидравлики. Это позволило изобрести водопровод, основанный на применении принципа сифона, то есть водопровод высокого давления. Один из них был обнаружен археологами при раскопках греческого города Пергама, в Малой Азии. Он состоял из свинцовых труб диаметром 30 см и питался от источников, вытекающих из гор к северу от города. На последнем отрезке пути разница уровней между довольно глубокой долиной и акрополем Пергама, куда подавалась вода, составляла 138 метров. Давление в свинцовых трубах достигало 15-20 атмосфер. Среди сифонов древности наиболее известен исключительно большой сифон в Пергаме в Малой Азии. Он относится ко времени правления эллинского монарха Евменеса II. Вода в сифоне создавала статическое давление примерно 19 атм. В течение многих лет этот сифон был причиной многих заблуждений ученых. Поскольку многочисленные римские сифоны были неизвестны или не удостаивались должного внимания, пергамский сифон создавал ложное впечатление, что древние греки преуспели больше римлян в теории гидравлики и что они были более искусными инженерами.

Водопроводы в Римской Империи

Наибольшее развитие в эпоху Древнего Мира трубное производство получило в Римской Империи. Римляне изготавливали трубы не только свинцовые, но также бронзовые и оловянные. В Риме, по свидетельству современников, существовала настоящая индустрия трубного производства с соответствующими товарными знаками, клеймами мастеров и штампами заказчиков.

Одним из замечательных инженерных достижений древних римлян была система водопроводов, по которым вода ежедневно поступала в главные города Римской империи. Многокилометровый водопровод часто проходил по пересеченной местности. Для его прокладки через ущелья римляне применяли два различных способа: либо строили через ущелье мост с небольшим уклоном в сторону стока, либо использовали принцип сифона, согласно которому вода в трубе должна всегда возвращаться к своему первоначальному уровню. Для этого сооружали систему труб, которые круто спускались по одному склону ущелья и поднимались по-другому. В тех случаях, когда глубина ущелья была относительно небольшой, строили мосты. Там же, где ущелье было слишком глубоким, сооружали сифон.

Известно более двадцати сифонных сооружений, относящихся ко времени Римской империи. Конструкцию сифона, применявшегося в Древнем Риме, правильнее называть обратным сифоном, или дюкером, так как вода в нём движется по U-образной траектории в отличие от обычного сифона, имеющего П-образную форму. Поскольку вода движется по U-образной траектории, сифон начинает работать, как только она вводится в одно из его плеч. В простом U-образном сифоне вода, введенная на одном конце, поднимется до того же уровня на другом. Римские сифоны имели значительную длину, поэтому потери на трение становились заметными, и приемный конец приходилось устраивать на уровне несколько ниже подающего конца.

Обычно сифон начинался в точке, где водопровод, проложенный в виде открытого канала из каменной кладки, достигал края ущелья, которое нужно было пересечь. В этом месте вода стекала в напорный резервуар, выложенный из кирпича и установленный поперек канала («кастеллум»). По существу, этот резервуар был распределительным, так как сифон состоял не из одной (как в современной гидротехнике), а из нескольких (до девяти) тонких труб, уложенных параллельно друг другу. Их входные концы располагались в ряд в нижней части резервуара. Подсоединенные к напорному резервуару, трубы опускались по короткому откосу до земли и проходили по склону ущелья с заглублением примерно на 1 м.

Подземная прокладка труб, использованная, по-видимому, для их защиты от повреждения человеком, предотвращала также чрезмерное расширение труб в жаркие дни. Сифонные трубы могли прокладываться до самого дна ущелья, следуя его профилю, однако на дне часто строился невысокий мост («вентер»), с тем, чтобы нижняя часть U-образного сифона была более плоской для уменьшения перепада высот. Вентер создавал два резких перегиба («геникулус») на концах моста, вследствие чего могли возникать напряжения в стыках труб при ударе водяной струи, поэтому римляне обычно укрепляли здесь трубы массивной каменной кладкой. Однако он сокращал расстояние от верха до низа U-образного сифона и, следовательно, уменьшал статическое давление.

После второго геникулуса трубы поднимались по противоположному склону ущелья. Наверху вода поступала в приемный резервуар, аналогичный напорному, а из него – в обычный водопровод. Римляне почти не пользовались кранами, и вода текла непрерывно, обеспечивая промывку канализационных стоков.

Сифоны как инженерные сооружения внушают уважение уже своими размерами. Общая длина девяти сифонов в лионской водопроводной системе достигает 16,6 км.

Если каждый сифон состоял из девяти труб, то общая длина труб должна быть около 150 км. Для изготовления такого количества труб требовалось 12–15 тыс. т свинца, и очевидно, что добыча и транспортировка такого огромного количества свинца требовала гигантских усилий.

По-видимому, это и послужило причиной невысокой распространённости в Римской Империи сифонов по сравнению с мостами-акведуками. Так как римляне строили только сложные сифоны, принято считать, что более широкому применению сифонов препятствовали вовсе не технические трудности. Очевидным фактом является то, что сифоны обходились римлянам дороже, чем мосты. Перемещение воды по трубам в римских сифонах осуществлялось под значительным давлением. В 1875 г. французский инженер Эжен Бельгран изготовил копии римских труб и подверг их испытаниям на разрушение, которое происходило только тогда, когда давление в трубах достигало 18 атм. Такие трубы могли успешно работать в сифоне, опускающемся на 180 м ниже исходного уровня.

Римское трубное производство подробно описывает Марк Витрувий Поллио в восьмой книге своего сочинения «Архитектура» (вторая половина I в. до н.э.). В ней главное внимание уделено водопроводам и материалам, из которых делают трубы для них. Витрувий обращает внимание на целесообразность изготовления свинцовых труб длиной не менее 3 м при толщине около 8 мм. Такие трубы могли выдерживать давление воды до 1,5 атм. При необходимости древние римляне пользовались значительно более толстыми трубами. Например, в водопроводе Алатри, где трубы должны были выдерживать давление до 10 атм., толщина их стенок достигала 35 мм.
Трубы изготавливали из литых свинцовых листов, которые сначала изгибали на деревянном сердечнике, после чего продольные края образованной трубы соединяли, а сердечник вынимали. Продольный шов выполняли различными способами. Чаще всего трубы грушевидного сечения запаивали по шву оловянно-свинцовым припоем. Однако встречались паяные соединения встык или внахлестку и даже трубы с желобчатым изгибом кромок, уплотненные замазкой.

Труба получалась овального или грушевидного поперечного сечения с непрерывным продольным швом (интересно, что шов не был самым слабым местом трубы; в испытаниях, проведенных Бельграном, разрушение происходило не по шву, а по боковой стенке.) Таким способом было трудно изготовлять трубы большого сечения, поэтому римские сифоны состояли из нескольких тонких труб. Диаметр труб составлял от 20 до 300 мм. Обычно же они имели наружный диаметр 250—270 мм и толщину стенки от 30 до 50 мм. Судя по сохранившимся остаткам, трубы изготавливались длиной около 3 м. Такие их затем замуровывали в каменную кладку, чтобы сохранить их герметичность.

По широко распространенной в середине прошлого века гипотезе американских токсикологов, свинцовый водопровод являлся одной из причин быстрой деградации римской нации, вызывая отравление свинцом. Установленным фактом является то обстоятельство, что обнаруживаемые при раскопках останки римлян эпохи империи содержат большие количества свинца. Из-за систематического отравления малыми дозами свинца продолжительность жизни римских патрициев не превышала 25 лет.

Хорошо известно, что все растворимые в воде соединения свинца высокотоксичные. На устойчивость свинца к воде оказывает большое влияние растворенный в ней диоксид углерода (углекислый газ). При малых количествах он образует на поверхности свинца соединение, нерастворимое в воде, и тем способствует устойчивости свинца. Если же содержание углекислого газа в воде сравнительно велико, а именно так было с водой, питавшей древний Рим, то диоксид углерода, реагируя со свинцом, образует гидрокарбонат свинца, который хорошо растворяется в воде. Поступая в организм в малых порциях, свинец задерживается в нем и, постепенно замещая кальций, входящий в состав костей, вызывает хроническое отравление.

Однако более поздние исследования подвергли сомнению гипотезу о том, что именно свинцовый водопровод стал причиной катастрофических последствий для Римской империи. На внутренней стороне каждой свинцовой трубы ученые обнаружили непроницаемый слой безопасных для человеческого организма соединений кальция, возникшего благодаря постоянному контакту труб с богатой кальцием горной водой. Как уже было сказано выше, вода текла по водопроводу непрерывно и поэтому была в контакте со свинцовыми трубами лишь недолгое время. Толстая же корка карбоната кальция, которая постепенно образовывалась в трубах, служила изоляцией, так что через некоторое время после установки сифонных труб прямой контакт воды со свинцом прекращался полностью.

Скорее всего, причиной свинцового отравления был не столько водопровод, сколько использование оправленной в свинец посуды и свинцовых косметических красок. Кроме того, свинцовые сосуды широко использовались для хранения вина, поскольку свинец придает вину сладкий вкус и способствует консервации.

Итак, водопроводы "работали" не только в Риме, а и в Древней Греции, Египте. Причем эллинские мастера делали трубы из металла и прокладывали их под землей - почти как сейчас. "Почти" -потому что насосных станций не существовало и вода шла с гор в долины самотеком. При этом напор в трубах бывал довольно сильный. Например, в Пергамском водопроводе, функционировавшем в начале II века до нашей эры, давление поднималось до 20 атмосфер. Утечки воды бывали довольно часто, почему римляне и перешли к акведукам - капитальные затраты возросли, зато текущий ремонт практически не требовался.

Древние греки и римляне делали и керамические трубопроводы: они стыковали глиняные звенья, похожие на узкие длинные амфоры без дна, и для надежности крепко-накрепко связывали ручки соседних труб. Римляне практиковали и свинцовые трубы. По нашим меркам, вода, прошедшая сквозь такой водопровод, содержала свинец в совершенно недопустимой концентрации, что приводило к болезням и даже смертельным случаям. Некоторые западные историки даже связывают упадок Римской империи с массовым свинцовым отравлением.

В большинстве средневековых городов существовали деревянные трубопроводы. Отдельные звенья делались из цельных стволов деревьев, из которых выбиралась сердцевина. Сверление было очень трудоемкой работой. Один мастер за день мог изготовить не больше десяти метров таких труб. Если трубу нужно было разветвить, то для этой цели использовали развилку дерева, также высверленную насквозь.

Словом, у современных трубопроводов много предшественников, и изучение опыта "водопроводчиков Рима" может сослужить неплохую службу.

  • Сидорова Л.А.

В Египте, Месопотамии, Древней Индии, Китае, несмотря на наличие значительных водных ресурсов, уже в IV тыс. до н.э. начали строить трубопроводы для обслуживания наиболее густонаселенных территорий.

  • Древний мир;
  • трубопровод;
  • металлургия;
  • акведук;
  • свинцовые трубы;
  • сифон.
  1. Vitruve: De l'architecture Livre VIII. Louis Callebat. Edition Bude 1973.
  2. Aqueducs Romains. // Dossiers de l'archeologie. No. 38; October November, 1979.
  3. A Trevor Hodge, Siphons in roman aqueducts. // Papers of the British School at Rome, Vol. 51, pages 174-221: 1983.
  4. George F. W. Hauck. Structural design of the Pont du Gard. // Journal of Structural Engineering, Vol. 112, No. 1, pages 105-120; January, 1986.
  5. George F. W. Hauck and Richard A. Novak. Interaction of flow and incrustation in the roman aqueduct of Nimes. // Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 113, No. 2, pages 141-157; February, 1987.
  6. George Hauck. The aqueduct of Nemausus. McFarland & Company, Inc., 1988.
  7. George F. W. Hauck and Richard A. Novak. Water flow in the castellum at Nimes. // American Journal of Archaeology, Vol. 92, pages 393-407; July, 1988.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий