Сифони в давньоримських водопроводах

А. Тревор Ходж

Одним з чудових інженерних досягнень древніх римлян була система водопроводів, по яких вода щодня надходила в головні міста Римської імперії. Багатокілометровий водопровід проходив по пересіченій місцевості. Для його прокладки через ущелину римляни застосовували два різні способи: або будували через ущелину міст з невеликим ухилом в бік стоку, або використовували принцип сифона, згідно з яким вода в трубі повинна завжди повертатися до свого початкового рівня. Для цього споруджували систему труб, які круто спускалися по одному схилу ущелини і піднімалися по іншому. У тих випадках, коли глибина ущелини була відносно невеликий, будували мости. Там же, де ущелині було занадто глибоким, споруджували сифон.

Як відомо, сифон представляє собою трубу, по якій рідина переливається з одного рівня на іншій через проміжне підвищення, тобто по траєкторії в формі букви "П". Іншими словами, рідина спочатку тече вгору по трубі, і цей рух має бути спочатку повідомлено їй насосом або інший зовнішньою силою. Потім рідина перетікає з сифона самостійно завдяки атмосферного тиску, діє на поверхню відкритого басейну на подає кінці сифона. Принцип сифона знаком автолюбителям: один кінець шланга опускають в бензобак автомобіля, потім потрібно засмоктати бензин на іншому кінці шланга і швидко опустити його в каністру. Бензин буде сам стікати з бака в каністру до тих пір, поки його рівень в баку залишається вище за рівень в каністрі.

Конструкцію сифона, застосовувалося в Давньому Римі, правильніше називати зворотним сифоном, або дюкером. У ньому рідина рухається по U-образній траєкторії, і сифон починає працювати, як тільки рідина вводиться в одне з його плечей. У простому U-подібному сифоні рідина, введена на одному кінці, підніметься до того ж рівня на одним. Римські сифони мали значну довжину, тому втрати на тертя ставали помітними і приймальний кінець доводилося влаштовувати на рівні трохи нижче подає кінця.

Хоча відомо понад двадцять сифонних споруд, що відносяться до часів Римської імперії, роль сифонів в римських гідравлічних системах зазвичай недооцінюється. На відміну від вражаючих руїн стародавніх мостів до нас збереглося дуже мало залишків сифонів. Їх прокладали по поверхні землі, тому вони могли бути легко зруйновані. Крім того, вони грали лише другорядну роль у системі римських водопроводів, яку сучасні вчені вивчили найбільш ретельно. (Сифони, очевидно, споруджували головним чином на території сучасної Франції, зокрема, навколо Ліона, де в чотирьох водопроводах, що забезпечували місто водою, було дев'ять сифонів.) Такі дві основні причини, з яких роль сифона виявилася недооціненою.

Внаслідок цієї недооцінки численні прихильники хибних уявлень (все ще що існують у підручниках з римської гідравліці) стверджують, що римляни вважали за краще будувати мости, а не сифони тому, що не вміли виготовляти труби, здатні витримувати високий тиск води у зворотному сифоні. У насправді ж переміщення води по трубах у римських сифонах здійснювалося під значним тиском. У 1875 р. французький інженер Ежен Бельграно виготовив копії римських труб і піддав їх випробувань на руйнування, яке відбувалося лише тоді, коли тиск у трубах досягало 18 ат. Такі труби могли успішно працювати в сифоні, опускається на 180 м нижче початкового рівня. Цей сифон не змогли б замінити і три мости Пон-дю-Гар, поставлені один на одного. Міст-акведук Пон-дю-Гар - вражаюче давньоримське споруда заввишки 50 м - знаходиться поблизу Німа на півдні Франції.

Зазвичай сифон починався в точці, де водопровід, прокладений у вигляді відкритого каналу з кам'яної кладки, досягав краю ущелини, яке потрібно було перетнути (див. малюнок на с. 72). У цьому місці вода стікала в напірний резервуар, викладений з цегли і встановлений впоперек каналу. По суті, цей резервуар був розподільних, так як сифон складався не з однієї (як у сучасній гідротехніки), а з декількох (до дев'яти) тонких труб, укладених паралельно один одному. Їх вхідні кінці розташовувалися в ряд у нижній частині резервуара.

Труби виготовляли з свинцевих листів, які спочатку вигинала на дерев'яному сердечнику, після чого поздовжні краю утвореної труби споювали, а сердечник виймали. Труба виходила овального або грушоподібної поперечного перерізу з безперервним подовжнім швом. (Цікаво, що шов, очевидно, не був найслабшим місцем труби; у випробуваннях, проведених Бельграном, руйнування відбувалося не по шву, а по бічній стінці.) Таким способом було важко виготовляти труби великого перетину, тому римські сифони складалися з кількох тонких труб. Зазвичай вони мали зовнішній діаметр 25-27 см і товщину стінки від 3 до 5 см. Судячи з збереженим залишках, труби виготовлялися довжиною близько 3 м.

приєднані до напірного резервуару, труби опускалися за коротким укосу до землі і проходили по схилу ущелини з заглибленням приблизно на 1 м. Підземний кабель труб, використана, мабуть, для їх захисту від пошкодження людиною, запобігала також надмірне розширення труб в спекотні дні.

сифонні труби могли прокладатися до самого дна ущелини, слідуючи його профілю, однак на дні часто будувався невисокий міст ( "вентер" - лат. venter), з тим щоб нижня частина U-образного сифона була більш плоскою для зменшення перепаду висот. Вентер створював два різких перегину ( "генікулус" -- лат. geniculus) на кінцях мосту, внаслідок чого могли виникати напруги в стиках труб при ударі водяного струменя. Однак він скорочував відстань від верху до низу U-образного сифона і, отже, зменшував статичний тиск.

Навіть там, де вентер добре зберігся (наприклад, поблизу Бона під Ліоном), на його поверхні вже не можна виявити слідів колись прокладених по ньому труб. Вентер в Бонанні має ширину 7,35 м, значно більшу, ніж необхідно для прокладки дев'яти труб діаметром 25 см. Імовірно, широкі краю моста служили проходом для робітників.

Після другий генікулуса труби підіймалися з протилежного схилу ущелини. Нагорі вода надходила в приймальний резервуар, аналогічний напірного, а з нього - в звичайний водопровід. Приймальний резервуар встановлювався помітно нижче за рівень напірного резервуара; різниця їх рівнів становила так званий гідравлічний градієнт. Вода могла б піднятися до свого початкового рівня, якщо б її рух не сповільнювався поступово зростаючим тертям в дев'яти тонких трубах. У трубах площу зіткнення води із стінками значно більше, ніж у звичайному прямокутному каналі, зокрема, тому, що такий канал не заповнювався повністю і вода в його верхній частині текла без тертя об стінку. Отже, якщо б обидва кінці сифона були на одному рівні, рух води через сифон було б настільки повільним, що сталося б переповнення напірного резервуара. Для того щоб забезпечити подачу води в потрібному обсязі і з потрібною швидкістю, при влаштуванні сифона через ущелину доводилося миритися з більшою втратою висоти, ніж при спорудженні звичайного мосту-акведука. Гідравлічний градієнт сифона був приблизно в 10 разів більше нормального ухилу мосту-акведука.

Про різноманітності топографічного характеру місцевості, за якого римляни вдавалися до пристрою сифонів, можна судити по чотирьох збереженим акведуках, що постачав Ліон водою: це Монт-д'Ор, Жье, Крапонн і Бревенн. Навіть відносно короткий водопровід з невеликим загальним перепадом висот міг зажадати споруди декількох сифонів; їх число, імовірно, визначалося числом ущелин, що перетинаються водопроводом. Водопровід Монт-д'Ор при перепаді висот 90 м мав два сифона. Водопровід Жье мав рівномірний і невеликий ухил, але при загальному перепаді висот 110 м зажадав пристрою 4 сифонів. Водопровід Крапонн мав крутий перепад в 420 м і всього лише два сифона, причому один з них - Гігантських розмірів. Водопровід Бревенн проходив по ступінчастому профілю переміжних обривів і плато. При загальному перепаді висот у 350 м для нього треба було спорудити лише один сифон.

Ще більш повчальним може бути порівняння різних сифонів. Водопровід Жье мав два великих сифона - поблизу Сусье і Бона. Перший мав довжину 1,2 км і глибину 93 м, друге - довжину 2,6 км і глибину 123 м. За випадковим збігом перепад висот у кожному з них був 9 м. Це означає, що сифон у Сусье, як більш короткий, мав більший гідравлічний градієнт. Водопровід Крапонн служить свідченням, де існувало воістину величезного сифона довжиною близько 6 км, який опускався майже на 100 м нижче гідравлічного градієнту. Залишків цього сифона майже не збереглося, і свідоцтво про нього є більшою мірою суто топографічних: відомо, що водопровід перетинав широке і глибоку ущелину, занадто велика для спорудження моста, і, отже, там був використаний сифон.

Навіть за давньоримським нормам кількість води, що надходила по чотирьох Ліонським акведуках, не було особливо значним. За оцінками воно становило 80000 куб. м на добу, тобто значно менше, ніж у давньоримської водопровідної системи, - Від 700000 куб. м до 1 млн. куб. м на добу. (Всі цифри водоспоживання у Древньому Римі можуть здатися незвичайно високими сучасному читачеві, але потрібно мати на увазі, що римляни майже не користувалися кранами і вода текла безперервно, забезпечуючи промивання каналізаційних стоків).

Тим не менш як сифони інженерні споруди викликають повагу вже своїми розмірами. Загальна довжина дев'яти сифонів в Ліонському водопровідній системі сягає 16,6 км. Якщо кожен сифон складався з дев'яти труб, то загальна довжина труб повинна бути близько 150 км, тобто майже дорівнює відстані від Риму до Неаполя і більше ніж відстань від Нью-Йорка до Філадельфії. Для виготовлення такого кількості труб було потрібно 12-15 тисяч тонн свинцю, і очевидно, що видобуток і транспортування такої величезної кількості свинцю вимагала гігантських зусиль. Кожен метр цих труб перебував під тиском, яке могло іноді досягати 12 ат. Безсумнівно, що в системі були течі, але вона працювала і перекривала ущелини значно більшого розміру, ніж найбільші римські віадуки і мости.

В додаток до того факту, що вода піднімається в сифоні до свого початкового рівня, давньоримські будівельники повинні були враховувати дію в сифоні трьох сил. По-перше, це тертя в трубах, яке уповільнювало протягом води настільки, що доводилося жертвувати висотою для того, щоб забезпечити постійний струм води. По-друге, статичний тиск в трубі, яка залежить від глибини її закладку щодо початкового рівня води. Статичний тиск створюється самим присутністю води і діє однаково у всіх напрямках.

Воно залишається незмінним незалежно від того, рухається вода чи ні. По-третє, інерційний тиск, створюваний водою в перегинах трубопроводів при її русі. Інерційний напір спрямований назовні по відношенню до згину. Друга сила діє завжди, коли сифон наповнений водою. Всі три сили знаходяться в дії, тільки коли сифон наповнений і пропускає воду.

Сифони доводилося періодично звільняти від води для чищення і ремонту. При наповненні труб водою інерційний напір може сягати критичної величини. Воду потрібно було впускати повільно і поступово до наповнення сурми. Якщо ж затвори відкривали різко, вода, обрушився з висоти і б'ючи в перший перегин труби, могла її зруйнувати. Відсічення води для дренажу труби також повинна була провадитися поступово; в іншому випадку, тобто при різкому закриття затвора, могло виникати явище гідравлічного удару в результаті розповсюдження ударної хвилі у зворотний бік уздовж раптово зупиненого стовпа рухомої води. Це також могло викликати серйозні пошкодження труб.

Ми не знаємо, наскільки повно розуміли стародавні римляни ці принципи. Ясно, що вони могли застосовувати їх емпірично, оскільки відомо, що сифони працювали успішно. Спроби відшукати детальний виклад теорії сифонів в древніх рукописах, на жаль, не дали втішних результатів. До нас дійшов трактат про водопровідній системі Риму, написаний Секстом Юлієм Фронтінусом, який в 97 р. н.е. був призначений керуючим водопостачання Рима, проте він не згадує сифони може бути тому, що вони не вважалися значним елементом римської водопровідної системи. Єдиним що дійшли до нас письмовим свідченням є опис сифонів, що міститься у восьмій книзі "Про архітектурі "(De Architectura) Марка Вітрувія Поллі.

Деякі запису Вітрувія цілком ясні. Він розумів, що дренаж і наповнення сифона повинні проводитися обережно, і рекомендував зміцнювати сифонні труби масивною кам'яною кладкою, щоб посилити їх опір інерційному напору в перегинах. Однак він помилявся в основних принципах і, ймовірно, не цілком розумів, як працює сифон.

В його описі сифонної гідравліки найбільшу оману проявляється у фразі: "Etiam in ventre colliviaria sunt facienda par quae vis spiritus relaxetur ". Перекладається вона просто:" На дні сифона ми повинні встановити коллівіаріі, щоб випустити повітряний тиск ". Проте зрозуміти її майже неможливо. Латинські слова зрозумілі, але фраза сама по собі безглузда.

В цій фразі дві загадки. Перша відноситься до "коллівіаріям". Слово ніде більше не зустрічається в латинських текстах, так що по ньому неможливо судити про устрій цього елемента сифонів. Доводиться здогадуватися за контексту.

Друга загадка зв'язана з "повітряним тиском". Сучасні трубопроводи часто забезпечуються випускними клапанами для запобігання утворення повітряних мішків. Іноді висловлюється припущення, що коллівіаріі були саме такими випускними клапанами, однак при цьому не враховуються кілька суттєвих моментів.

По-перше, повітряні мішки можуть утворюватися тільки у верхніх точках трубопроводу, де і встановлюються тепер випускні клапани, а зовсім не "на дні". По-друге, в римському сифоні не міг скупчуватися повітря, тому що труби були заповнені водою. Розчинений ж у воді повітря міг виділятися з неї тільки при низькому тиску, тоді як тиск в сифоні було досить високим по всій його довжині. Захоплений водою повітря зазвичай утворює повітряні мішки при низькому тиск і накопичується у верхніх точках сифона, але не у дна. Крім того, форма римського сифона була не придатною для скупчення захопленого водою повітря: бульбашки повітря повинні були просто захоплюватися водяним потоком, проходити через вигини труб і вільно виділятися з води на кінці сифона. По-третє, так як повітряні мішки можуть утворюватися тільки при низькому тиску і, отже, є частковий вакуум, функцією випускних клапанів могло б бути лише вирівнювання тиску шляхом впуску повітря ззовні.

Передбачалося також, що Вітрувій мав на увазі клапани не для повітряного, а до водяного тиску. Але це припущення ще далі від істини, ніж перший. Навіть якщо б стародавні римляни і були у стані сконструювати клапан з пружиною або противагою, що відкривався б при заданому тиску, все одно не було б ніякої можливості знизити статичний тиск (як тільки шляхом зміни профілю сифона зі зменшенням його глибини), і, отже, такий клапан залишався б постійно відкритим, тобто він функціонував би не як клапан, а як дірка в трубі.

Враховуючи вищесказане, слід зробити висновок, що в сифоні не могло бути повітря і не було коштів знизити водяне тиск. Представляється найбільш імовірним, що термін "коллівіаріі" позначав дренажні крани або отвори для чищення труб, можливо, за допомогою інструментів типу шарошки. Вода в давньоримських містах була зазвичай жорсткою і на внутрішніх стінках труб могли утворюватися відкладення. Тому труби доводилося регулярно чистити, щоб уникнути повного їх забивання. Відкладення могли утворюватися і у вузьких сифонних трубах, і їх теж було потрібно регулярно чистити або замінювати.

Стародавні греки також застосовували сифони. Серед сифонів давнину найбільш відомий виключно великий сифон в Пергамі в Малій Азії. Він відноситься до часу правління еллінського монарха Евменеса Другого (197-159 рр.. до н.е.), тобто, безумовно, до дорімскім часів, і складається з однієї труби довжиною 3 км, спускається на дуже велику глибину - 190 м.?? ода в сифоні створювала статичний тиск приблизно 19 ат.

В Протягом багатьох років у наш час цей сифон був причиною багатьох помилок вчених. Оскільки численні римські сифони були невідомі або не удостоювалися належної уваги, Пергамський сифон створював помилкове враження, що стародавні греки досягли успіху більше римлян в теорії гідравліки і що вони були більш майстерними інженерами, здатні виготовляти труби для великих тисків, тоді як римлянам це не вдавалося.

Тепер очевидно, що ця думка помилкова. Якщо порівнювати глибину найбільших римських сифонів з висотою найбільших побудованих ними мостів, можна помітити, що всі їх сифони були дуже великими та в їх трубах могли розвиватися високі статичні тиску. Це само по собі спростовує що існувала думка, що стародавні римляни вживали всіх заходів для того, щоб усунути тиск. Навпаки, можна стверджувати, що вони застосовували труби (а не відкриті канали або мости-акведуки) у всіх випадках, коли тиску виявлялися високими.

Можна зробити й інший висновок. Порівнюючи висоту сифонів і мостів-акведуків, можна бачити, що вони не перекривають один одного і межа проходить на рівні 50 м. При більшій глибині ущелини римляни споруджували не міст, а сифон. Можна тому зробити висновок, що вони віддавали перевагу мостах-акведуках і зверталися до сифона як до допоміжного засобу у тих випадках, коли їх інженери не могли побудувати міст або віадук потрібної висоти. Очевидно, вони вважали, що висота 50 м - гранична безпечна висота мосту.

Так як римляни будували тільки складні сифони, то цілком зрозуміло, що більш широкому застосуванню сифонів перешкоджали зовсім не технічні труднощі. Найбільш ймовірна причина була висловлена Норманом А. Ф. Смітом з Імперського коледжу науки і техніки в Лондоні, який стверджує, що вся справа була в економіці. Очевидним фактом є те, що сифони обходилися римлянам дорожче, ніж мости. Кам'яна кладка була дешевою, особливо якщо камінь видобувався на місці; дешевими також були цегла і вапняний розчин. Дешевим був і свинець, який отримували в надлишку як побічний продукт рафінування срібла.

Не було проблемою, очевидно, і свинцеве отруєння, хоча деякі сучасні вчені і вбачають у широкому застосуванні свинцю римлянами причину безпліддя і інші аспекти деградації та занепаду. Римляни знали про небезпеку свинцевого отруєння. Крім того, так як кранів не було, вода текла безперервно і тому була в контакті зі свинцевими трубами лише недовгий час. Товста ж кірка карбонату кальцію, що поступово утворювалася в трубах, служила ізоляцією, так що через деякий час після установки сифонних труб прямої контакт води зі свинцем повністю припинявся.

Проблема зі свинцем полягала в його транспортуванні. Величезні витрати і важка праця з доставки 15000 т свинцю в Ліон, ймовірно, стали кращим аргументом того, щоб не повторювати такий досвід частіше, ніж це необхідно.

В наш час становище змінилося корінним чином завдяки чавуну. Цього матеріалу не було в давнину, так як тоді люди ще не навчилися розвивати в печах досить високу температуру для плавки заліза. Все залізо в давнину було крічним залізом, з якого не можна було робити труби. Зараз споруда сифона з чавунних труб обходиться значно дешевше, ніж будівництво мосту. Интересно, що французи в Північній Африці часто подавали воду в приморські міста по трасах давньоримських водопроводів, іноді реконструюючи їх: і у багатьох випадках там, де існували давньоримські мости, французи перекривали проліт сифоном.

Ідея проста. Стародавні римляни побудували високі арки моста Понт-дю-Гар не просто з любові до грандіозних споруд (хоча вони, безумовно, пишалися його величчю) і не тому, що їх будівельникам не вистачало знань греків чи вони нібито не могли робити міцні труби. Вирішальним фактором була вартість споруди. Тому там, де проходили давньоримські водопостачання де-не-де зустрічаються залишки цегляних арок на місці, де колись можна було захоплюватися сміливістю інженерної думки -- перекривають ущелині сифоном.

Напірні Резервуари і укосів - елементи сифона в Сусье на водопроводі Жье, одному з чотирьох водопроводів, які постачали водою давньоримський Лугдунум (нині Ліон). Вода надходила з відкритого каналу в резервуар, а з нього - у дев'ять вузьких свинцевих труб. Труби спускалися по схилу (на передньому плані), йшли вниз по схилу ущелини із заглибленням приблизно на 1 м, перетинали низький міст (вентер) і піднімалися з протилежного схилу до приймального резервуару. Звідти вода стікала в відкритий канал.

СХЕМА Давньоримський Сифони (a). Конструкція називається зворотним сифоном, тому що вода рухається по U-образній траєкторії на відміну від звичайного сифона, що має П-подібну форму. Тиск води було особливо високим у місці перегину труб (генікулусе) до кінців моста (Вентера), тому римляни звичайно зміцнювали тут труби масивною кам'яною кладкою. Вентер влаштовувався для того, щоб дещо зменшити перепад висот. Приймальний резервуар встановлювали трохи нижче рівня напірного резервуара з огляду на уповільненого руху води в трубах внаслідок тертя; різниця висот установки резервуарів становила гідравлічний градієнт. Для наочності масштаб по вертикальній осі збільшений. Схема (b) дає уявлення про справжній профілі та градієнтах Бонанского сифона водопроводу Жье.

РЕКОНСТРУКЦІЯ початкового ділянки сифона, виконана Вальдемаром Хабер у Рейнській музеї в Бонні. Напірний резервуар і труби на укосі були захищені кам'яною кладкою. Труби мали довжину 3 м і зовнішній діаметр 25-27 см.

Сифони ТРУБИ виготовляли гнучкої свинцевого листа на дерев'яному серцевині. Сердечник потім виймали, а верхній шов зачеканівалі молотками або запаюють, щоб забезпечити гідравлічну щільність (три правих малюнка). Труби мали овальне або грушоподібної поперечний переріз.

Ліонський СИСТЕМА мала чотири водопроводу: Монт-д'Ор, Бревенн, Грапонн і Жье. Всього в ній було 9 сифонів, що визначалося числом глибоких щілин, через які проходили водопостачання. На нижньому малюнку показані профілі водопроводів Ліонської системи. Назви сифонів пронумеровані (див. у нижньому правому куті карти) і ті ж цифри нанесені на карту, щоб показати їх положення на місцевості. Система подавала 80000 куб. м води на добу.

БОНАНСКІЙ Вентер, показаний з точки першого генікулуса, де труби виходили з землі, і проходили по поверхні моста. Ширина Вентера була значно більше, ніж необхідно для укладення дев'яти вузьких труб; додаткова ширина, очевидно, була необхідна для проходу робітників. З-за високої жорсткості води труби доводилося часто чистити.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://ancientrome.ru/