Введение
Инженерные достижения древней римской цивилизации
Древние римляне были известны своими передовыми инженерными достижениями. Технология подвода воды в города была разработана на Востоке, но римляне преобразовали её в технологию, которая была немыслима в Греции. Архитектура, использовавшаяся в Риме, находилась под сильным влиянием греческих и этрусских источников.
Римские дороги
Римские дороги строились с целью защиты от наводнений и других природных опасностей. Некоторые из дорог, построенных римлянами, используются до сих пор. Существовало несколько вариантов стандартной римской дороги. Большинство дорог высокого качества состояли из пяти слоев. Нижний слой, называемый *павиментом* (pavimentum), был толщиной в 2,5 сантиметра и изготавливался из строительного раствора. Выше него располагались четыре слоя каменной кладки. Слой, непосредственно над *павиментом*, назывался *статуменом* (statumen). Его толщина составляла около 30 сантиметров, и он был сделан из камней, скрепленных цементом или глиной. Над ним находился *руденс* (rudens), состоящий из 25 сантиметров утрамбованного бетона. Следующий слой, *ядро* (nucleus), представлял собой 30-45 сантиметров последовательно уложенных и укатанных слоев бетона. *Сумма круста* (summa crusta) из кремневых или лавовых многоугольных плит диаметром от 30 сантиметров до 90 сантиметров и толщиной от 20 до 30 сантиметров укладывалась поверх *руденса*. Окончательное верхнее покрытие делалось из бетона или тщательно обработанного и подогнанного кремня. Как правило, при встрече с препятствием римляне предпочитали найти инженерное решение, а не обходить его: мосты строились через водные преграды любого размера; болотистые участки обрабатывались путем возведения насыпей с прочным основанием; холмы и скальные выступы часто прорезались или прокладывались туннели, а не обходились стороной (туннели строились из квадратных блоков твердой породы).
Аквадукты
Тысяча кубических метров (260 000 галлонов США) воды ежедневно поступала в Рим по одиннадцати различным акведукам. Потребление воды на душу населения в Древнем Риме соответствовало современным показателям таких городов, как Нью-Йорк или современный Рим. Большая часть воды использовалась для общественных нужд, таких как бани и канализация. «De aquaeductu» – это основополагающий двухтомный трактат о римских акведуках I века, написанный Фронтином. Аквадуки могли простираться на значительное расстояние и обычно спускались с высоты более [укажите высоту] метров над уровнем моря у источника до [укажите высоту] метров, когда они достигали водохранилищ вокруг города. Римские инженеры использовали перевернутые сифоны для транспортировки воды через долины, если считали непрактичным строительство возвышенного акведука. Римские легионы в основном отвечали за строительство акведуков, а их обслуживание часто выполнялось рабами. Римляне были одними из первых цивилизаций, которые использовали силу воды. Они построили одни из первых водяных мельниц за пределами Греции для помола муки и распространили технологию строительства водяных мельниц по всему Средиземноморью. Ярким примером является Барбегаль на юге Франции, где не менее 16 верхнебойных мельниц, встроенных в склон холма, приводились в действие одним акведуком, выход из которого в каскаде подавал воду на мельницу ниже. Они также были искусны в горнодобывающей промышленности, строя акведуки, необходимые для снабжения оборудования, используемого при добыче металлических руд, например, для гидравлической добычи, и возводя резервуары для хранения воды, необходимой на руднике. Известно, что они также умели строить и эксплуатировать горнодобывающее оборудование, такое как дробильные мельницы и водоотливные машины. Вертикальные колеса большого диаметра римского периода для подъема воды были раскопаны на рудниках Рио-Тинто на юго-западе Испании. Они были тесно вовлечены в разработку золотых ресурсов, таких как Долаукоти на юго-западе Уэльса и на северо-западе Испании, в стране, где добыча золота развивалась в очень больших масштабах в начале I века нашей эры, например, в Лас-Медуласе.
Мосты
Римские мосты были одними из первых крупных и долговечных мостов, когда-либо построенных. Они возводились из камня с использованием арки в качестве основной конструкции. В большинстве случаев также применялся бетон. Построенный в 142 году до н.э., Понс Эмилиус, позднее названный Понте Ротто (разрушенный мост), является старейшим римским каменным мостом в Риме, Италия. Самым большим римским мостом был мост Траяна через нижний Дунай, построенный Аполлодором Дамаскиным, который более тысячи лет оставался самым длинным мостом, когда-либо построенным, как по общей длине, так и по длине пролёта. Обычно они возвышались над водой как минимум на 18 метров. Примером временного строительства военных мостов служат два Рейнских моста Цезаря.
Плотины
Римляне построили множество плотин для сбора воды, таких как плотины Субиако, две из которых питали Анио Новус – крупнейший акведук, снабжавший Рим. Считается, что одна из плотин Субиако была самой высокой из когда-либо обнаруженных или предполагаемых. Они построили 72 плотины в Испании, например, в Мериде, и известно о многих других по всей империи. В одном месте, Монтефурадо в Галисии, они, по-видимому, возвели плотину через реку Силь, чтобы обнажить аллювиальные золотые отложения в русле реки. Это место находится недалеко от впечатляющей римской золотой шахты Лас-Медулас. Из Британии известно несколько земляных плотин, включая хорошо сохранившийся пример из римского Ланчестера, Лонговициума, где она, возможно, использовалась в промышленных масштабах для кузнечного или плавильного дела, судя по кучам шлака, найденным на этом участке в северной Англии. Резервуары для хранения воды также часто встречаются вдоль акведуков, и многочисленные примеры известны только из одного места – золотодобывающих рудников в Долаукоти на западе Уэльса. Каменные плотины были распространены в Северной Африке для обеспечения надежного водоснабжения из вади, расположенных за многими поселениями.
Архитектура
Здания и архитектура Древнего Рима поражали своим величием. Например, цирк Максимус был настолько велик, что мог использоваться как стадион. Колизей также является выдающимся образцом римской архитектуры. Как один из многих стадионов, построенных римлянами, Колизей демонстрирует арки и кривые линии, типичные для римских построек. Пантеон в Риме и сегодня стоит как памятник и гробница, а бани Диоклетиана и бани Каракаллы примечательны своей сохранностью, при этом первые до сих пор сохранили неповрежденные купола. Подобные масштабные общественные здания возводились во многих провинциальных столицах и городах по всей империи, а общие принципы их проектирования и строительства описаны Витрувием в его монументальном труде «De architectura», написанном на рубеже тысячелетий. Особенно впечатляющими были технологии, разработанные для бань, в частности, широкое использование гипокауста – одного из первых типов центрального отопления, созданного где-либо. Это изобретение применялось не только в крупных общественных зданиях, но и распространилось на жилые постройки, такие как многочисленные виллы, построенные по всей империи.
Материалы
Наиболее распространенными материалами были кирпич, камень или каменная кладка, цемент, бетон и мрамор. Кирпич выпускался во множестве различных форм. Изогнутый кирпич использовался для возведения колонн, а треугольный – для стен. Мрамор служил преимущественно декоративным материалом. Август однажды похвастался, что превратил Рим из города, построенного из кирпича, в мраморный город. Римляне изначально ввозили мрамор из Греции, но впоследствии обнаружили собственные месторождения на севере Италии. Цемент изготавливался из гашеной извести (оксида кальция), смешанной с песком и водой. Римляне обнаружили, что замена или добавление к песку позолановой добавки, например, вулканического пепла, позволяет получить очень прочный цемент, известный как гидравлическая смесь или гидравлический цемент. Они широко применяли его при строительстве зданий, общественных бань и акведуков, что обеспечило их сохранность до наших дней.
Добыча полезных ископаемых
Римляне первыми начали разрабатывать минеральные месторождения, используя передовые технологии, в особенности акведуки для подачи воды с больших расстояний, облегчая работы на поверхности рудника. Их технологии наиболее наглядно представлены на объектах в Британии, таких как Долаукоти, где они добывали золото, используя как минимум пять протяженных акведуков, питаемых соседними реками и ручьями. Они применяли воду для поиска руды, направляя мощный поток из резервуара, чтобы смывать грунт и обнажать коренную породу с видимыми жилами. Тот же метод (известный как «гушение») использовался для удаления пустой породы, а также для охлаждения раскаленных пород, ослабленных выжиганием. Эти методы были весьма эффективны при открытой разработке, однако выжигание представляло большую опасность при использовании в подземных выработках. Они устарели с появлением взрывчатых веществ, хотя гидравлическая добыча до сих пор применяется для аллювиальных оловянных руд. Также их использовали для обеспечения контролируемой подачи воды для промывки измельченной руды. Весьма вероятно, что они разработали и водяные мельницы-дробилки для измельчения твердой руды, которую затем промывали для извлечения тяжелой золотой пыли. На аллювиальных месторождениях они применяли гидравлические методы добычи в огромных масштабах, например, в Лас-Медуласе на северо-западе Испании. Следы резервуаров и акведуков можно обнаружить на многих других ранних римских рудниках. Эти методы подробно описаны Плинием Старшим в его «Естественной истории». Он также описывает глубокую подземную добычу и упоминает необходимость откачки воды из выработок с помощью водяных колес с обратным захватом, и реальные экземпляры были найдены на многих римских рудниках, обнаруженных при более поздних попытках разработки. Медные рудники Рио-Тинто были одним из источников таких артефактов, где в 1920-х годах был найден комплект из 16 штук. Они также использовали винты Архимеда для откачки воды аналогичным образом.
Военная техника
Инженерное дело также было институционально внедрено в римскую армию, которая строила форты, лагеря, мосты, дороги, насыпи, частоколы и осадные машины, среди прочего. Одним из наиболее известных примеров военного мостостроения в Римской республике является мост Юлия Цезаря через реку Рейн. Этот мост был завершен всего за десять дней специально выделенной командой инженеров. Их достижения в дакийских войнах под руководством Траяна в начале II века нашей эры запечатлены на колонне Траяна в Риме. Армия также была тесно вовлечена в добычу золота и, вероятно, построила обширный комплекс водоотводных каналов и резервуаров на римской золотой шахте Долаукоти в Уэльсе вскоре после завоевания этого региона в 75 году нашей эры.
Энергетическая технология
Технология водяного колеса была развита до высокого уровня в римский период, что подтверждается как Витрувием (в «De architectura»), так и Плинием Старшим (в «Naturalis Historia»). Крупнейший комплекс водяных колес располагался в Барбегале близ Арля, где площадку снабжал канал от главного акведука, питающего город. По оценкам, на территории находились шестнадцать отдельных водяных колес, расположенных двумя параллельными линиями вдоль склона холма. Вода, выходящая из одного колеса, поступала в следующее по течению. В 12 километрах к северу от Арля, в Барбегале, недалеко от Фонвьея, где акведук достигал крутого холма, акведук питал серию параллельных водяных колес для привода мукомольной мельницы. Два акведука соединяются к северу от мельничного комплекса, а шлюз позволял операторам контролировать подачу воды. Сохранились значительные каменные остатки водных каналов и фундаменты отдельных мельниц, а также лестница, ведущая вверх по холму, на котором построены мельницы. Предполагается, что мельницы работали с конца I века до конца III века н.э. Их производительность оценивается в 4,5 тонны муки в день, чего хватало для обеспечения хлебом 12 500 жителей города Арелата в то время. Пилорама в Гиераполисе — римская водяная пилорама для обработки камня, расположенная в Гиераполисе, Малая Азия (современная Турция). Датируемая второй половиной III века н.э., эта пилорама является самой ранней известной машиной, сочетающей в себе кривошипно-шатунный механизм. Водяная мельница изображена на рельефе саркофага Марка Аврелия Аммиана, местного мельника. Водяное колесо, питаемое мельничным каналом, приводит в действие две рамные пилы через зубчатую передачу, распиливающую прямоугольные блоки. Другие кривошипно-шатунные механизмы, без зубчатой передачи, археологически засвидетельствованы в водяных пилорамах VI века н.э. в Герасе (Иордания) и Эфесе (Турция). Литературные упоминания о водяных мраморных пилах в Трире (современная Германия) встречаются в поэме Аузония «Мозелла», написанной в конце IV века н.э. Они свидетельствуют о разнообразном использовании гидроэнергии во многих частях Римской империи. Комплекс мельниц также существовал на Яникуле в Риме, питаемый акведуком Аква Траяна. Аврелиановы стены были возведены на холм, по-видимому, чтобы включить в них водяные мельницы, использовавшиеся для помола зерна для производства муки для города. Таким образом, мельница, вероятно, была построена одновременно с или до возведения стен императором Аврелианом (правил в 270–275 гг. н.э.). Мельницы снабжались водой из акведука, который спускался по крутому склону. Местоположение напоминает Барбегал, хотя раскопки, проведенные в конце 1990-х годов, указывают на то, что конструкция могла быть с нижним боем, а не с верхним. Мельницы использовались в 537 году н.э., когда готы, осаждавшие город, перекрыли их водоснабжение. Однако впоследствии они были восстановлены и, возможно, продолжали функционировать по крайней мере до времени папы Григория IV (827–844 гг.). О многих других подобных объектах известно по всей Римской империи, хотя многие из них остаются нераскопанными.