Человек сказал Днепру:
— Я стеной тебя запру.
Ты
С вершины
Будешь
Прыгать,
Ты
Машины
Будешь
Двигать!
Говоря о высоких достижениях античной цивилизации, обычно в первую очередь вспоминают что-нибудь гуманитарное: право, философию, искусство. Затем, наверное, архитектуру. Меньше пишут про инженерные достижения, хотя они тоже весьма велики: в некотором роде, Древний Рим вплотную приблизился к индустриальной революции, подойдя к уровню, которого позднее европейская цивилизация достигла лишь в Новое время, веке в XVIII-м. В этом материале я коснусь лишь одного аспекта античной инженерии — укрощения энергии воды.
«Лить воду на мельницу»
Удивительно, но поднимающее воду колесо, вращаемое животными — сакия или чигирь, изобретённое более 2 тыс. лет назад, продолжало использоваться до самого недавнего времени. Такие устройства стали частью жизни на Диком Западе — в этом легко убедиться, посмотрев начало знаменитого вестерна «Хороший, плохой, злой» 1966 года. Да что там Запад! Вот Шолохов, «Поднятая целина»: «…кобылка его, завершив круг, начинала новый — и так безостановочно, по невидимой спирали. Тут уж Щукарь без посторонней помощи догадался, что купленная им лошадь всю свою долгую и трудную жизнь проходила в чигире, ослепнув там и состарившись».
Пишут, что подобные механизмы до сих пор встречаются кое-где, например, в Египте.
В аналогичной конструкции, известной нам под арабским названием «нория», для подъёма воды использовалась её же, воды, энергия. Колесо вращается водой и при этом поднимает воду: гениально же. Функционирующие средневековые нории можно сейчас увидеть в Сирии, вдоль реки Оронт в городе Хама, хотя они, конечно, скорее играют роль исторической диковинки.
Римский архитектор и механик Витрувий в I веке до н.э. описывал конструкцию нории:
«Также и на реках ставят колеса того же устройства, какое было описано выше. К их ободам прибивают лопасти, которые, будучи толкаемы течением реки, приводят своим движением колесо во вращение и таким образом, забирая воду черпаками и поднимая ее кверху, доставляют нужное количество воды без помощи топчака, вращаясь от самого напора реки».
Вероятно, такие устройства появились не позднее IV века до н.э., а в середине III века до н.э. в Александрии уже функционировали водяные мельницы, возникшие в результате совмещения нории и ручной мельницы: вращение передавалось на жернова посредством зубчатой передачи. Устройство стало популярным и благополучно пережило крах Римской империи. «Лить воду на мельницу» — это ведь оттуда. А как вы думаете, почему в русской культуре образ мельника связывался с водной стихией? Считалось, что мельник водит дружбу с водяным. Вспомним, что в пьесе Пушкина «Русалка» отцом русалки был мельник. Хозяин мельницы — колдун, ведь он знает такое, что недоступно простым смертным: умеет воду заклинать! Столетия назад для широкой публики мастера водяных колёс были, вероятно, чем-то вроде современных генных инженеров.
Считалось, что несмотря на древнее происхождение, мельницы с водяными колёсами получили распространение только в средневековье. Однако, судя по всему, это не более чем следствие неполноты нашего знания.
Первое чёткое описание водяной мельницы дал тот же Витрувий. Греческий поэт Антипатр Фессалоникийский в начале I века н.э. воспел водяную мельницу в стихотворении:
Дайте рукам отдохнуть, мукомолки; спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет громко петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд поручила Деметра;
Как зарезвились они, обод крутя колеса! Видите?
Ось завертелась, а оси крученые спицы
С рокотом движут глухим тяжесть двух пар жерновов.
Снова нам век наступил золотой: без труда и усилий
Начали снова вкушать дар мы Деметры святой.
Такой вот античный вариант песенки из фильма «Приключения Электроника»: «Вкалывают роботы — счастлив человек».
Перевод Зелинского не передаёт некоторых деталей, например, в оригинале подчёркивается, что нимфы «прыгали вниз по самой верхней части колеса», то есть речь шла о т.н. верхнебойном водяном колесе.
Сейчас археологам известны находки десятков, если не сотен античных водяных мельниц. Правда, в большинстве случаев деревянные части не сохранились, но есть и исключения. Например, древнейшая мельница в Chaplix (Швейцария), которую удалось датировать дендрохронологически (по балкам) 57—58 годом н.э. Мельница в Dasing (Бавария) датирована также дендрохронологически 103—112 г н. э. Но лучше всего сохранилась водяная мельница, функционировавшая в 232—260 гг н.э. в местечке Cham-Hagendorn в швейцарском кантоне Цуг, причем нашли её ещё в 1944 году, случайно, во время работ по освоению пахотных земель. Благодаря влажной почве, до наших дней дошли деревянные части трёх водяных колес. В 2003—2004 гг. проводились новые раскопки, в результате появился ряд дополнительных находок. Кроме собственно колёс, нашли части деревянных зданий, сваи, черепицу с крыши, деревянные «подшипники», жёлоб для подачи воды и куски шести жерновов. Найденные части водяного колеса — спицы, лопатки, ступица, фрагменты обода и деревянных шестерней — позволили реконструировать колесо диаметром около 240 см с 27 лопатками. Сейчас полноразмерная реконструкция этого водяного колеса размещена на реке Лорце, недалеко от места находок.
По оценкам учёных, на водяной мельнице Хагендорна ежегодно перерабатывалось около 1100—1400 тонн зерна. Всесторонние исследования этого памятника вылились в большую монографию, которую, правда, непросто раздобыть (мне любезно прислали сканы из археологической библиотеки в Базеле. Спасибо Hanna Marti | Archäologie Schweiz, Sekretariat!).
А вот воистину эпичная находка — древнейшая мельничная фабрика в Барбегале на юге Франции (в тогдашней Галлии), построенная в 120—130 гг. нашей эры. Раскопки здесь проводились в 1937—1939 гг., и памятник неоднократно изучался в последующие годы. Комплекс находился на крутом склоне холма и состоял из 16 водяных мельниц, расположенных в две линии по 8 штук. Вода к мельницам поступала с помощью 9-километрового акведука. Бассейны для водяных колёс располагались каскадом, так, что вода, пройдя через первую мельницу, текла дальше, вращая следующее колесо, расположенное ниже, и так далее. Эта «мельничная фабрика» могла производить, по разным оценкам, от 4,5 до 25 тонн муки в день.
Самое замечательное — методика изучения особенностей работы мельниц, о которой я подробно рассказывал в статье «Древнейшая мельничная фабрика: римские инженеры продолжают удивлять».
Сами колёса и многие другие части, сделанные из дерева, давно истлели, остались только бассейны, а в их стенках — отверстия для колёсных осей. Но за годы работы части мельниц, контактировавшие с водой из карстовых источников, покрылись толстой коркой карбонатных отложений. Сами детали утрачены, но карбонатные корки несут на себе отпечатки поверхностей, с которыми соприкасались. При раскопках в середине прошлого века 142 фрагмента таких корок были собраны и с тех пор хранились в местном археологическом музее. Карбонатная корка, нарастая, образует последовательность по-разному окрашенных слоёв. Получается «микростратиграфия»: фактически, в этих прослойках записана история мельниц. Сравнивая последовательности слоёв на «спилах» разных фрагментов, учёные реконструировали хронологию работы мельниц, особенности их конструкции, материал, из которого были изготовлены желоба и элементы колёс (в основном сосна).
А вот особенно интригующее открытие. На некоторых фрагментах карбонатных корок специалисты обнаружили отпечатки следов от пилы. Ну и что тут такого? Конечно, доски для желобов кто-то должен был пилить. Но следы поразили учёных своей регулярностью, чёткостью и прямизной. По мнению исследователей, это означает, что для распилки использовалась не ручная, а механическая пила, возможно, с гидравлическим приводом. Если догадка верна, то в руки к археологам попало древнейшее свидетельство использования механического устройства для пиления дерева. Правда, я бы отнёсся к таким выводам без чрезмерного энтузиазма. Честно говоря, авторы пока что не утруждают себя строгими доказательствами, а всего лишь пишут, что «такие регулярные следы вряд ли можно сделать вручную». Простите, но вы не показали, с чем вы сравниваете! Реконструкторские эксперименты и сопоставление результатов ручного и механического пиления (в разных режимах, разными приспособлениями) были бы очень кстати. Надеюсь, что такие данные скоро последуют. О механических пилах мы подробнее поговорим ниже, во 2-й части статьи.
Подобный Барбегалу комплекс водяных мельниц находился на холме Яникул в Риме, обеспечивая город мукой. Руины комплекса известны с XIX века. Недавние раскопки показали, что сооружение питалось из акведука Траяна и включало как минимум 5 водяных колёс, но было, вероятно, лишь частью большой системы мельниц. Устройства, построенные в III веке, использовались до 537 года, когда эту часть акведука перекрыли, чтобы помешать атакующим город готам проникнуть через неё.
Многочисленные находки водяных мельниц в разных частях Римской империи говорят о том, что этот механизм быстро стал важной частью жизни даже в засушливых областях, где строились специальные сооружения с водонапорными башнями, рассчитанные на очень неравномерный поток воды в зависимости от сезона. Известны и мельницы с настоящими водяными турбинами (Химту и Тестур в Тунисе, III—IV в) — конструкция, не имевшая аналогов вплоть до XVI века. В сочетании с дамбой и отводящими каналами, такие мельницы работали даже когда река сильно мелела в летние месяцы. О распространенности подобных устройств говорит существование профессиональной ассоциации мастеров водяных колёс в Иераполисе. Ещё пример: в 329 году император Константин Великий издал указ о присвоении местечку Оркистос в восточной Фригии городского статуса (civitas), и одним из четырёх аргументов было наличие множества водяных мельниц.
Последние водяные мельницы проработали в некоторых уголках планеты до наших дней, и их спешно изучают археологи и этнографы, пока есть что изучать. Вот, например, статья про остатки 15 водяных мельниц в районе Сагалассоса (Турция), функционировавших еще в 70-е — 80-е годы прошлого века, но большей частью заброшенных с приходом электричества. На момент исследования две из них ещё работали: Donners, K., Waelkens, M., & Deckers, J. (2002). Water mills in the area of Sagalassos: a disappearing ancient technology. Anatolian Studies, 52, 1—17. doi:10.2307/3643076. Исследователи не только анализировали конструкцию мельниц, но и проводили интервью с местными жителями. Один из опрошенных, мельник Бекир Онур, описал процесс работы с древним устройством во всех подробностях, осветив вопросы, на которые не даёт ответы археология, типа: нужно ли сортировать зерно и как это делается.
Не хлебом единым
Однако было бы странно, если бы использование энергии воды в Римской империи ограничивалось исключительно производством муки. И источники сообщают о ряде других функций. Например, древнеримский писатель и философ Плиний пишет об устройствах для шелушения ячменя, в которых использовались «пестики», движимые кулачковым валом с приводом от водяного колеса. Некоторые исследователи полагают, что существовали механизмы для стирки и окрашивания одежды, хотя такие гипотетические приспособления известны лишь по очень косвенным данным.
Есть свидетельства применения больших механических молотов для ковки. Сообщается о металлической голове такого молота с признаками деформации, обнаруженной в Икхаме (Кент, Англия), в том же месте, где найдены остатки водяных колёс и отходы от металлургического производства IV века. Правда, Роберт Спейн считает, что для механического этот молот не такой большой и, возможно, предназначался для выравнивания и насечки жерновов.
Однако вершина античной механизации, по мнению историка Эндрю Уилсона — организация работы на серебряных и золотых рудниках. По его словам, римляне механизировали почти все стадии процесса разведки, добычи и первичной обработки руды. Это особенно ярко проявилось на рудниках Пиренейского полуострова, где археологи нашли следы самых крупномасштабных инженерных работ, когда-либо проводившихся до европейской промышленной революции.
Во-первых, речь о добыче руды с использованием силы воды, ускоряющей процессы эрозии. Масштабный размыв породы проводился путём резкого высвобождения воды, накопленной в большом резервуаре, находившемся над карьером. Таким образом вскрывались и удалялись напластования до 50 м в толщину, например, в Puerto del Palo в Испании. Здесь вода падала из танков, размещенных на высоте до 200 м, смывая всё на своём пути. Плиний писал, что в процессе добычи золота в Испании вода переносила огромные валуны. Таким образом обнажались металлоносные пласты, которые затем перебирались вручную или путём дальнейшей промывки, которая тоже была хитро организована. Вода, переносящая рудоносную породу, проходила через систему ступенчатых промывальных столов, так что более тяжелые, богатые металлом частицы оставались, тогда как менее богатые металлом смывались вниз по столам в соответствии с их плотностью. Этот метод особенно хорошо подходил для добычи золота, где самородки и частицы в процессе промывки легко отделялись от пустой породы.
В Лас-Медулас-де-лас-Оманас на северо-западе Испании результаты крупномасштабного размыва грунта видны до сих пор в виде веерообразной системы каналов, оставшейся после этих работ.
Плиний описывает колоссальные усилия в Испании по сооружению огромных акведуков, ведущих к рудникам в сложной и гористой местности. Такое строительство требовало возведения мостов через ущелья и трещины, прорубания тоннелей через горные хребты, и всё ради того, чтобы обеспечить водой танки над карьером. Судя по данным археологов, это не преувеличение: рудников было много, и многие из них снабжались не одним акведуком, а двумя или более.
В Las Medulas, к примеру, обнаружено 7 акведуков, до 2—3 м в ширину, то есть в два-три раза шире крупнейших городских акведуков. Некоторые из этих акведуков были около 50 км длиной, перепад высот составлял 400 м, а резервуары для размыва вмещали до 24 000 м3 воды. В Испании много мест, где использовалась подобная система гидравлической добычи. В их конструкции применялись и такие устройства для подъёма воды, как водяные колёса и «архимедов винт». А в Tres Minas, в штольне 150 м в длину, соединяющей рудник с поверхностью, обнаружены следы того, что археолог Michael Jonathan Taunton Lewis трактует как предвестник шахтных железных дорог — две прорезанные в полу колеи V-образного сечения на расстоянии 1,2 м друг от друга, вероятно, предназначенные для движения неких тележек с рудой. Примечательно, что когда рельсовые узкоколейки появляются в Европе в позднем Средневековье, они первым делом используются точно так же в подземных рудниках, в виде небольших толкаемых вручную вагонеток.
А вот и самое интересное: дробилки, т.е. устройства, измельчающие руду до сыпучего состояния. Во многих римских рудниках найдены большие каменные наковальни, имеющие по нескольку (чаще всего по четыре) одинаковых параллельных углублений, оставленных, по-видимому, повторяющимися ударами молотов в определённые точки. У некоторых наковален такие углубления находятся на разных поверхностях: по мере изнашивания наковальню поворачивали на бок и использовали снова.
Эндрю Уилсон утверждает, что при ручной работе не получились бы такие правильные углубления, поскольку удары, наносимые человеком, не могут приходиться всё время в одно и то же место, к тому же размер и глубина выемок говорят об очень большом весе молота. Вероятно, здесь использовался некий механизм, скорее всего, с гидравлическим приводом (оговоримся, конечно, что прямых доказательств этому нет).
На золотом прииске Долавкоти в Уэльсе находится наковальня такого типа, прозванная Carreg Pumsaint (камень пяти святых). Этот примечательный памятник снабжён легендой: якобы пять странствующих святых уперлись в камень руками и застыли на месте. Мерлин освободил их, но отпечатки остались в камне. На камне, правда, всего четыре углубления. Сама наковальня находится рядом с ямой для водяного колеса, на возвышении, на котором, вероятно, находился дробильный механизм, поскольку поблизости найдено большое количество отходов от дробления руды, датированных II веком.
Всё это очень напоминает аналогичные устройства для дробления руды, появившиеся в позднем средневековье. Такие приспособления включали кулачковый вал на водяном колесе, поднимавший и опускавший молоты. Подобные дробилки использовались до самого недавнего времени, например, в золотых рудниках Roşia Montană в Румынии — вплоть до середины XX века.
Водяные мельницы могли пригодиться для следующей стадии — перемалывания руды в пыль, которая затем отправлялась на промывку. Большие жернова, применявшиеся для таких задач, найдены во Франции, на свинцовых рудниках Seix и на медном руднике Mont Marcus возле Орьяка, Од.
Итак, в золотых и серебряных рудниках Рима мы видим развитую технологию, использовавшуюся в поистине индустриальных масштабах. Вероятно, и объём добытой руды был внушительным, но как его оценить? По размерам выработанной породы в рудниках? Вероятно. Однако не менее ценные данные дают ледяные керны Гренландии. Каждый год выпадавший снег образовывал ледяную прослойку в гренландском ледяном щите, так что в слоях льда отражён состав атмосферы за каждый год, в то числе её загрязнение. Содержание примесей в слоях кернов, относящихся к первым векам нашей эры, говорит о массивной добыче свинца, серебра и меди, не имеющей параллелей вплоть до индустриальной революции последних нескольких столетий. Причем судя по изотопному составу, порядка 70% антропогенного свинцового загрязнения связано с его выплавкой на юго-западе Испании. Использование гидравлических технологий в римской горнодобывающей промышленности первого и второго веков нашей эры оставалось непревзойдённым до девятнадцатого века.
И ещё одно направление, в котором работала сила воды — это дубление кож. В процессе дубления шкуры животных погружались в чаны, содержащие воду и дубильный порошок, в качестве которого часто использовалась кора дерева. В Саепинуме (Saepinum) в Италии уже много десятилетий назад найдены остатки устройства, которое считали водяной мельницей III — начала IV века. Однако археолог Ж.-П. Брюн обратил внимание, что пространство, в котором располагался предполагаемый механизм «мельницы» — вал с надетой на него шестерней — с одной стороны, слишком большое по площади (10 м2, тогда как в других мельницах обычно не более 2 м2), а с другой стороны — слишком мелкое: его дно находилось всего на 15—20 см ниже предполагаемого вала. Где же помещалось зубчатое колесо, передающее вращение на жернов? Наконец, странно, что пол этого углубления вымощен плитками, чего никогда не делали на других водяных мельницах, а плитки, при всей их прочности, разбиты в результате многократных ударов. Учитывая, что все это располагалось на территории дубильного производства, Брюн реконструировал устройство, очень похожее на дробилки для руды, описанные выше, но использовавшееся для измельчения древесной коры. Несколько пестиков поднимались кулачковым валом и затем падали вниз, на наковальню или в ступку.
Наконец, у Витрувия есть реплика, указывающая на существование устройств для замешивания теста, движимых водяным колесом. Хотя археологических находок такого рода нет, известны подобные механизмы — тестомесители, приводимые в действие силой животных, самые древние из которых относятся к периоду Октавиана Августа.
Продолжение читайте по ссылке.
Источники
1. Andrew Wilson. Machines, Power and the Ancient Economy // The Journal of Roman Studies, Vol. 92 (2002), pp. 1—32. http://www.jstor.org/stable/3184857
2. Tullia Ritti, Klaus Grewe and Paul Kessener. A relief of a water-powered stone saw mill on a sarcophagus at Hierapolis and its implications // Journal of Roman Archaeology, Volume 20, 2007, pp. 139—163 DOI: https://doi.org/10.1017/S1047759400005341
3. Sophia Germanidou. Watermills in Byzantine Textual Tradition (4th — 12th centuries) // https://www.ceeol.com/search/article-detail?id=538241
4. Andrew Wilson. Roman Water-Power. Chronological Trends and Geographical Spread. In: Capital, Investment, and Innovation in the Roman World. Edited by: Paul Erdkamp, Koenraad Verboven, and Arjan Zuiderhoek, Oxford University Press (2020). © Oxford University Press. DOI: 10.1093/oso/9780198841845.003.0005
5. Gül Sürmelihindi,Cees W. Passchier, Philippe Leveau, Christoph Spötl, Marcel Bourgeois, Vincent Bernard. Barbegal: carbonate imprints give a voice to the first industrial complex of Europe // Journal of Archaeological Science: Reports April 2019 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352409X18307405
6. Caty Schucany und Ines Winet. SCHMIEDE-HEILIGTUM-WASSERMÜHLE. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit Grabungen 1944/45 und 2003/04. P. 114—162.
7. Thorkild Schiöler. Die Kurbelwelle von Augst und die römische Steinsägemühle // Helvetia archaeologica, Jg. 40, H. 159/160 (2009), S. 113—124
8. M. J. T. Lewis. Railways in the Greek and Roman world, in A. Guy and J. Rees (eds), Early Railways. A Selection of Papers from the First International Early Railways Conference (200I).
9. Donners, K., Waelkens, M., & Deckers, J. (2002). Water mills in the area of Sagalassos: a disappearing ancient technology. Anatolian Studies, 52, 1—17. doi:10.2307/3643076
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Norias_of_Hama
11. Витрувий. 10 книг об архитектуре. Глава V http://antique.totalarch.com/vitruvius/10/5.
