Сифони у давньоримських водогонах

Сифоны в давньоримських водопроводах

А. Тревор Ходж Одним з чудових інженерних досягнень древніх римлян була система водопроводів, якими вода щодня надходила в головні міста Римської імперії. Многокилометровый водогін проходив пагорбів. Для його прокладки через ущелині римляни застосовували два різних способи: або будували через ущелині міст з гаком ухилом убік стоку, або використовували принцип сифона, за яким вода в трубі повинна завжди повертатися до свого початкового рівню. І тому споруджували систему труб, які круто спускалися за одним схилу ущелини і піднімалися з іншого. У тому випадку, коли глибина ущелини була відносно невеликий, будували мости. Саме там, де ущелині було надто глибоким, споруджували сифон.

Как відомо, сифон є трубу, через яку рідина переливається з рівня в інший через проміжне піднесення, тобто. небалістичною траєкторією в формі літери «П ». Інакше кажучи, рідина спочатку тече вгору по трубі, і цей рух повинен бути спочатку повідомлено їй насосом або інший зовнішньої силою. Потім рідина перетікає по сифону самостійно завдяки атмосферному тиску, чинному на поверхню відкритого басейну на подающем кінці сифона. Принцип сифона знаком автолюбителям: один кінець шланга опускають в бензобак автомобіля, потім потрібно засмоктати бензин іншому кінці шланга і швидко опустити їх у каністру. Бензин буде сам стікати з бака в каністру до того часу, коли його рівень у баці залишається вище рівня канистре.

Конструкцию сифона, застосованих у Давньому Римі, правильніше називати зворотним сифоном, чи дюкером. У ньому рідина рухається по U-подібної траєкторії, і сифон починає працювати, щойно рідина вводять у одна з його плечей. У простому U-образном сифоне рідина, введена з одного боку, підніметься доти ж рівня на іншому. Римські сифони мали значну довжину, тому втрати на тертя ставали помітними і прийомний кінець доводилося влаштовувати лише на рівні трохи нижче подає конца.

Хотя відоме понад двадцяти сифонных споруд, ставитимуться часу Римської імперії, роль сифонів в римських гідравлічних системах зазвичай недооцінюється. На відміну від вражаючих руїн древніх мостів до нас збереглося обмаль залишків сифонів. Їх прокладали поверхнею землі, тому могли бути легко зруйновані. З іншого боку, вони переливалися тільки другорядну роль системі римських водопроводів, яку сучасні вчені вивчили щонайретельніше. (Сифони, очевидно, споруджували головним чином на території сучасної Франції, зокрема, навколо Ліона, де у чотирьох водогонах, снабжавших місто водою, було дев’ять сифонів.) Такі дві основних причини, якими роль сифона виявилася недооцененной.

Вследствие цієї недооцінки численні прихильники хибних уявлень (досі що у підручниках по римської гідравліці) стверджують, що римляни воліли будувати мости, а чи не сифони бо ні вміли виготовляти труби, здатні витримувати високе тиск води у протилежному сифоне. У дійсності ж переміщення води трубами в римських сифонах здійснювалося під значним тиском. У 1875 р. французький інженер Ежен Бельгран виготовив копії римських труб і піддав їх випробувань на руйнація, яке відбувався тільки тоді, коли тиск у трубах досягало 18 ат. Такі труби могли успішно працювати у сифоне, опускающемся на 180 м нижче вихідного рівня. Цей сифон ми змогли б замінити і трьох мосту Пон-дю-Гар, поставлені друг на друга. Мост-акведук Пон-дю-Гар — вражаюче давньоримський споруду заввишки 50 м — перебуває біля Німа Півдні Франции.

Обычно сифон починався у точці, де водогін, прокладений як відкритого каналу з кам’яною кладки, сягав краю ущелини, який було перетнути (див. малюнок на з. 72). Тут вода падала в напірний резервуар, викладений із цегли і встановлений впоперек каналу. Фактично, цей резервуар був розподільчим, оскільки сифон перебував ні з однієї (як і сучасної гідротехніки), та якщо з кількох (до дев’яти) тонких труб, покладених паралельно одна одній. Їх вхідні кінці розташовувалися до кількох у нижній частині резервуара.

Трубы виготовляли з свинцевих аркушів, що спочатку изгибали на дерев’яному сердечнику, після чого подовжні краю освіченою труби споювали, а сердечник виймали. Труба виходила овального чи грушоподібного поперечного перерізу з безперервним подовжнім швом. (Цікаво, що шов, очевидно, ні найслабшим місцем труби, в випробуваннях, проведених Бельграном, руйнація відбувалося по шву, а, по бічний стінці.) У такий спосіб важко було виготовляти труби великого перерізу, тому римські сифони складалася з кількох тонких труб. Зазвичай вони мали зовнішнє діаметр 25−27 див і товщину стінки від 3 до 5 див. Судячи з збережені залишкам, труби виготовлялися завдовжки близько 3 м.

Подсоединенные до напорному резервуару, труби опускалися по короткому укосу до землі і відбувалися за схилу ущелини з заглублением приблизно 1 м. Підземна прокладка труб, використана, очевидно, їхнього зашиті від ушкодження людиною, запобігала також надмірне розширення труб у спекотні дни.

Сифонные труби могли прокладываться до дна ущелини, слідуючи його профілю, проте, попри дні часто будувався невисокий міст («вентер «- латів. venter), про те щоб нижня частина U-образного сифона була пласкою зменшення перепаду висот. Вентер створював два різких перегину («геникулус «- латів. geniculus) на кінцях мосту, унаслідок чого могли виникати напруги в стиках труб під час удару водяний струменя. Але він скорочував відстань від верхи до низу U-образного сифона і, отже, зменшував статична давление.

Даже там, де вентер добре зберігся (наприклад, біля Бонана під Ліоном), з його поверхні вже не можна знайти слідів колись прокладених у ній труб. Вентер в Бонане має ширину 7,35 м, значно більшу, ніж потрібно для прокладки дев’яти труб діаметром 25 див. Мабуть, широкі краю мосту служили проходом для рабочих.

После другого геникулуса труби піднімалися по протилежного схилу ущелини. Нагорі вода надходила в прийомний резервуар, аналогічний напорному, та якщо з нього — в звичайний водогін. Прийомний резервуар встановлювався помітно нижча рівня напірного резервуара, різницю їх рівнів становила так званий гідравлічний градієнт. Вода міг би піднятися до свого початкового рівня, коли її рух не сповільнювалося поступово зростаючим тертям в дев’яти тонких трубах. У трубах площа дотику води зі стінками значно більше, ніж у звичайному прямокутному каналі, зокрема, тому, що така канал не заповнювався цілком і вода у його верхню частину текла без тертя об стіну. Отже, якби обидва кінці сифона на одному рівні, рух води через сифон було б настільки повільним, що було б переповнювання напірного резервуара. Щоб забезпечити подачу води в потрібному об'ємі та з потрібною швидкістю, при устрої сифона через ущелині доводилося миритися з більшою втратою висоти, аніж за спорудженні звичайного моста-акведука. Гідравлічний градієнт сифона був удесятеро більше нормального ухилу моста-акведука.

О розмаїтті топографічного характеру місцевості, у якому римляни вдавалися до влаштуванню сифонів, можна судити з чотирьом збережені акведукам, снабжавшим Ліон водою: це Монт-д'Ор, Жье, Крапонн і Бревенн. Навіть щодо короткий водогін з гаком загальним перепадом висот міг зажадати споруди кількох сифонів, їх кількість, мабуть, визначалося числом ущелин, пересекаемых водогоном. Водопровід Монт-д'Ор при перепаде висот 90 м мав два сифона. Водопровід Жье мав рівномірне та її невеличкої ухил, але за загальному перепаде висот 110 м зажадав устрою 4 сифонів. Водопровід Крапонн мав крутий перепад в 420 метрів і лише два сифона, причому них — розмірів. Водопровід Бревенн проходив ступенчатому профілю перемежованих обривів і плато. Оскільки загальний перепаде висот 350 м. для нього знадобилося спорудити лише одне сифон.

Еще більш повчальним то, можливо порівняння різних сифонів. Водопровід Жье мав дві великі країни сифона — біля Сусье і Бонана. Перший мав довжину 1,2 км та глибину 93 м, другий — довжину 2,6 км та глибину 123 м. По випадковому збігу перепад висот кожному них був 9 м. Це означає, що сифон у Сусье, як більше короткий, мав більший гідравлічний градієнт. Водопровід Крапонн служить свідченням колись яка була воістину величезного сифона завдовжки близько 6 км, який опускався на 100 м нижче гідравлічного градієнта. Залишків цього сифона майже збереглося, і пряме свідчення про неї в більшої мері суто топографічним: відомо, що водовід перетинав широке та глибоке ущелині, дуже велике спорудження мосту, і, отже, там використали сифон.

Даже по давньоримським нормам кількість води, поступавшей щодо чотирьох ліонським акведукам, був особливо значним. За оцінками воно 80 000 куб. метрів за добу, тобто. значно менше, ніж в давньоримському водогінної системи, — від 700 000 куб. м до 1 млн. куб. м на добу. (Усі цифри водоспоживання в в Давньому Римі можуть незвичайно високими сучасному читачу, але потрібно пам’ятати, що римляни майже користувалися кранами і вода текла безупинно, забезпечуючи промивання каналізаційних стоков).

Тем щонайменше сифони як інженерні споруди вселяють повагу вже своїми розмірами. Загальна довжина дев’яти сифонів в лионской водогінної системі сягає 16,6 км. Якщо кожен сифон складалася з дев’яти труб, то загальна довжина труб мусить бути близько 150 км, тобто. майже дорівнює відстані від Риму до Неаполя і більш ніж відстань від Нью-Йорка до Філадельфії. Для виготовлення такого кількості труб вимагалося 12−15 тисяч тонн свинцю, й вочевидь, що незаконний видобуток і транспортування такої кількості свинцю вимагала гігантських зусиль. Кожен метр цих труб знаходився під тиском, що міг іноді досягати 12 ат. Безсумнівно, що у системі були течі, але вона працювала і перекривала ущелини значно більшого розміру, ніж найбільші римські віадуки і мосты.

В доповнення до того що факту, що вода піднімається в сифоне до свого початкового рівня, давньоримські будівельники мали враховувати дію в сифоне трьох сил. По-перше, це тертя в трубах, яке вповільнювало протягом води настільки, що доводилося жертвувати заввишки у тому, щоб забезпечити постійний струм води. По-друге, статична тиск у трубі, залежить від глибини її закладання щодо вихідного рівня води. Статична тиск створюється самим присутністю води та діє однаково переважають у всіх направлениях.

Оно залишається незмінною незалежно від цього, рухається вода чи ні. По-третє, інерційний натиск, створюваний водою у надмірностях трубопроводів у її русі. Інерційний натиск спрямований зовні стосовно вигину. Друга сила діє завжди, коли сифон наповнений водою. Усі три сила діє, лише коли сифон наповнений і пропускає воду.

Сифоны доводилося періодично звільняти з води для чищення та ремонту. При наповненні труб водою інерційний натиск може становити критичної величини. Воду потрібно було впускати повільно й поступово до наповнення труби. Якщо ж затвори відкривали різко, вода, обрушуючи я з висот і поворухнувши у перегин труби, могла її зруйнувати. Відсічення води для дренажу труби також мала здійснюватися поступово, інакше, тобто. при різкому закритті затвора, могло виникати явище гідравлічного удару внаслідок поширення ударної хвилі у бік вздовж раптово зупиненого стовпа що просувалася води. І це могло викликати лінкор серйозно пошкоджено труб.

Мы не знаємо, наскільки повно розуміли древні римляни цих принципів. Зрозуміло, що вони могли застосовувати їх емпірично, оскільки відомо, що сифони працювали успішно. Спроби відшукати докладний виклад теорії сифонів в древніх рукописах, на жаль, не дали утішливих результатів. До нас дійшов трактат про водогінної системі Риму, написаний Секстом Юлієм Фронтинусом, що у 97 р. н.е. призначили управляючим водопостачання Риму, але він не згадує сифони то, можливо оскільки де вони вважалися значним елементом римської водогінної системи. Єдиним що дійшли до нас письмовим свідченням є опис сифонів, що міститься в восьмий книзі «Про архітектурі «(De Architectura) Марка Вітрувія Поллио.

Некоторые записи Вітрувія цілком зрозумілі. Він розумів, що дренаж і наповнення сифона повинні виконуватися лише з обережністю, і рекомендував зміцнювати сифонные труби масивною кам’яною кладкою, щоб посилити їх опір інерційному натиску у надмірностях. Але він помилявся в основні принципи і, мабуть, недостатньо розумів, як працює сифон.

В його описі сифонной гідравліки найбільше оману виявляється в фразі: «Etiam in ventre colliviaria sunt facienda par quae vis spiritus relaxetur ». Перекладається він: «На дні сифона ми повинні встановити колливиарии, щоб випустити повітряний тиск ». Проте зрозуміти її неможливо. Латинські слова зрозумілі, але фраза як така бессмысленна.

В цієї фрази дві загадки. Перша належить до «колливиариям ». Слово більше ніде не є у латинських текстах, отже у ній неможливо судити про побудову цього елемента сифонів. Доводиться здогадуватися по контексту.

Вторая загадка пов’язані з «повітряним тиском ». Сучасні трубопроводи часто забезпечуються випускними клапанами задля унеможливлення освіти повітряних мішків. Іноді висловлюється припущення, що колливиарии були такими випускними клапанами, але не враховуються кілька істотних моментов.

Во-первых, повітряні мішки можуть утворюватися лише у верхніх точках трубопроводу, де і встановлюються тепер випускні клапани, а не «дно якої «. По-друге, в римському сифоне було нагромаджуватися повітря, оскільки труби були заповнені водою. Розчинений ж у воді повітря міг виділятися з її лише за низькому тиску, тоді як в сифоне була досить високим у всій його довжині. Захоплений водою повітря зазвичай утворює повітряні мішки за низького тиску і накопичується у верхніх точках сифона, але в дна. З іншого боку, форма римського сифона була підходить скупчення захопленого водою повітря: бульбашки повітря мали просто захоплюватися водяником потоком, проходити через вигини труб та вільно виділятися із води на кінці сифона. По-третє, так як повітряні мішки можуть утворюватися лише за низькому тиску і, отже, є частковий вакуум, функцією випускних клапанів міг стати лише вирівнювання тисків шляхом впуску повітря извне.

Предполагалось також, що Вітрувій мав на оці клапани задля повітряного, а водяного тиску. Але це припущення ще від істини, ніж перше. Навіть якби древні римляни і було може сконструювати клапан з пружиною чи противагою, який відкривався б із заданому тиску, однаково було б неможливо знизити статична тиск (щойно шляхом зміни профілю сифона із зменшенням його глибини), і, отже, такий клапан залишався б постійно відкритим, тобто. він функціонував би як клапан, бо як діра в трубе.

Учитывая вищесказане, слід укласти, що у сифоне неможливо було повітря і не коштів знизити водне тиск. Звісно ж найімовірнішим, термін «колливиарии «позначав дренажні крани чи отвори для чистки труб, можливо, з допомогою інструментів типу шарошки. Вода в давньоримських містах була зазвичай жорсткої та на внутрішніх стінках труб могли утворюватися відкладення. Тому труби доводилося регулярно чистити, щоб уникнути повного їх забивання. Відкладення могли утворюватися й у вузьких сифонных трубах, та його теж вимагалося регулярно чистити чи заменять.

Древние греки також застосовували сифони. Серед сифонів давнини найбільш відомий виключно великий сифон в Пергамі у Малій Азії. Він віднесено до часу правління еллінського монарха Евменеса Другого (197−159 рр. е.), тобто., безумовно, до доримским часів, і складається з однієї труби довжиною 3 км, спускающейся на дуже високий глибину — 190 м. Вода в сифоне створювала статична тиск приблизно 19 ат.

В надувалася протягом багатьох років у час цей сифон був причиною багатьох помилок учених. Оскільки численні римські сифони були невідомі або удостоювалися уваги, пергамський сифон створював хибне враження, стародавні греки домоглися більшого римлян теоретично гідравліки що вони були більш майстерними інженерами, здатними виготовляти труби для великих тисків, тоді як римлянам це удавалось.

Теперь очевидно, що цю думку помилково. Якщо ж порівнювати глибину найбільших римських сифонів з висотою найбільших побудованих ними мостів, можна побачити, що їхні сифони були дуже великими й у трубах могли розвиватися високі статичні тиску. Це саме собою спростовує існуючий думка, що древні римляни приймали всіх заходів до того що, щоб негайно усунути тиск. Навпаки, можна стверджувати, що вони застосовували труби (а чи не відкриті канали чи мосты-акведуки) завжди, коли тиску виявлялися высокими.

Можно зробити і той висновок. Порівнюючи висоту сифонів і мостов-акведуков, можна бачити, що де вони перекривають одне одного й кордон проходить лише на рівні 50 м. При більшої глибині ущелини римляни споруджували не міст, а сифон. Можна тому укласти, що вони віддавали перевагу мостам-акведукам і зверталися до сифону як до допоміжному засобу у випадках, якщо їх інженери було неможливо побудувати міст чи віадук потрібної висоти. Вочевидь, вони вважали, що висота 50 м — гранична безпечна висота моста.

Так як римляни будували лише складні сифони, то зрозуміло, що як широкому застосуванню сифонів перешкоджали зовсім не від технічні труднощі. Найімовірніша причина пролунала Норманом А. Ф. Смітом з Імперського коледжу науку й техніки у Лондоні, який стверджує, що справа був у економіці. Очевидним фактом і те, що сифони обходилися римлянам дорожче, ніж мости. Кам’яна кладка була дешевої, якщо камінь добувався на місці, дешевими також були цеглу та вапняний розчин. Дешевим був і свинець, який отримували у надлишку як побічний продукт рафінування серебра.

Не була проблема, мабуть, і свинцеве отруєння, хоча деякі сучасні вчені України та бачать у широке застосування свинцю римлянами причину безпліддя та інші питання деградації та занепаду. Римляни знав про небезпеки свинцевого отруєння. З іншого боку, оскільки кранів був, вода текла безупинно і тому був у контакті зі свинцевими трубами лише недовгий час. Товста ж кірка карбонату кальцію, що поступово утворювалася в трубах, служила ізоляцією, отже кілька днів після установки сифонных труб прямий контакт води зі свинцем припинявся полностью.

Проблема зі свинцем полягала у його транспортуванні. Величезні витрати й важка праця з доставки 15 000 т свинцю в Ліон, мабуть, послужили найкращим аргументом того, ніж повторювати такий досвід частіше, чому це необходимо.

В час становище змінилося докорінно завдяки чавуну. Цього матеріалу був у минулому, бо тоді люди ще навчилися розвивати в печах досить високий температуру для плавки заліза. Усі залізо у минулому було кричным залізом, з яких не міг робити труби. Зараз спорудження сифона з чавунних труб обходиться набагато дешевше, ніж будівництво мосту. Цікаво, що французи у Північній Африці часто подавали води приморські міста трасами давньоримських водопроводів, іноді реконструюючи їх: й у часто там, де існували давньоримські мости, французи перекривали проліт сифоном.

Идея проста. Давні римляни побудували високі арки мосту Понт-дю-Гар непросто з любові до грандіозним спорудам (хоча вони, безумовно, пишалися його величчю) і що їх будівельникам бракувало знань греків або їх нібито було неможливо робити міцні труби. Вирішальним чинником була вартість споруди. Тому там, де проходили давньоримські водопроводи де-не-де зустрічаються залишки цегельних арок дома, де колись можна було захоплюватися сміливістю інженерної думки — перекрывающим ущелині сифоном.

.

НАПОРНЫЙ РЕЗЕРВУАР І ОТКОС — елементи сифона в Сусье на водопровід Жье, одному з чотирьох водопроводів, снабжавших водою давньоримський Лугдунум (нині Ліон). Вода надходила з відкритого каналу в резервуар, та якщо з нього — о дев’ятій вузьких свинцевих труб. Труби спускалися по укосу (на місці), йшли вниз схилом ущелини з заглублением приблизно за 1 м, перетинали низький міст (вентер) і піднімалися по протилежного схилу до приймального резервуару. Звідти вода падала в відкритий канал.

.

СХЕМА ДАВНЬОРИМСЬКОГО СИФОНА (a). Конструкція називається зворотним сифоном, оскільки вода рухається по U-подібної траєкторії на відміну звичайного сифона, має П-образную форму. Тиск води було надто високим на місці перегину труб (геникулусе) по кінців мосту (вентера), тому римляни зазвичай зміцнювали тут труби масивною кам’яною кладкою. Вентер влаштовувався у тому, щоб трохи зменшити перепад висот. Прийомний резервуар встановлювали трохи нижче рівня напірного резервуара через уповільненої руху води в трубах внаслідок тертя, різницю висот установки резервуарів становила гідравлічний градієнт. Для наочності масштаб по вертикальної осі збільшений. Схема (b) дає чітке уявлення про істинного профілі і градиентах Бонанского сифона водогону Жье.

.

РЕКОНСТРУКЦИЯ початкового ділянки сифона, виконана Вальдемаром Хабери в Рейнському музеї, у Бонні. Напірний резервуар і труби на укосі захистити кам’яною кладкою. Труби мали довжину 3 метрів і зовнішнє діаметр 25−27 см.

.

СИФОННЫЕ ТРУБИ виготовляли гнучкою свинцевого аркуша на дерев’яному сердечнику. Сердечник потім виймали, а верхній шов зачеканивали молотками чи запаивали, щоб забезпечити гідравлічну щільність (три правих малюнка). Труби мали овальне чи грушоподібне поперечне сечение.

.

.

ЛИОНСКАЯ СИСТЕМА мала чотири водогону: Монт-д'Ор, Бревенн, Грапонн і Жье. Загалом у ньому було 9 сифонів, що визначалась глибоких ущелин, якими проходили водопроводи. На нижньому малюнку показані профілі водопроводів Ліонській системи. Назви сифонів пронумеровано (див. в нижньому правом розі карти) й ті ж цифри завдані карті, щоб показати їхнє становище на місцевості. Система подавала 80 000 куб. м води в сутки.

.

БОНАНСКИЙ ВЕНТЕР, показаний з точки першого геникулуса, де труби з землі і відбувалися за поверхні мосту. Ширина вентера було значно більше, ніж необхідне укладання дев’яти вузьких труб, додаткова ширина, очевидно, була необхідна для проходу робочих. Через високої жорсткості води труби доводилося часто чистить.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.