История строительной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

История подъёмной техники - процесс развития средств производства и орудий труда, предназначенных для подъёма грузов. Подъёмная техника служит для повышения эффективности труда человека, избавляет его от необходимости использовать мускульную силу, расширяет возможности. История подъёмной техники является частью истории техники в целом - науки, показывающей развитие средств труда в системе общественного производства.

История подъёмной техники начинается с самых древних времён и прослеживается до настоящего времени. Особо бурное развитие подъёмная техника пережила в XIX веке, к концу которого механизмы приобрели близкие к современным вид и принципы работы.

С чего все начиналось:

«Из всех видов человеческой деятельности, связанной в том или ином виде с технологиями, самую главную роль в развитии сыграла механика. Это как раз та наука, что позволила поднимать огромные грузы и делать то, что неподвластно даже природе». Так писал древний александрийский математик Папп в III веке, когда описывал технологии своего времени.

Человек постоянно сталкивался с необходимостью поднимать различные грузы. Довольно скоро обычный ручной труд достиг своего предела: необходимость обязывала поднимать грузы все большего веса, а человеческих рук для этого не хватало.

Наверное, один из древнейших подъемных механизмов, известных современной науке, это некое подобие крана, найденное в могиле Тебана, захороненного во времена египетского фараона Рамзеса. Устройство использовалось для орошения с помощью колодезного журавля, специального подъемного механизма, распространенного примерно 3000 лет до н. э.

Но больше всего на развитие подъемных механизмов повлияли строительные технологии. С древнейших времен наши предки испытывали острую нужду в постройках: это и защитные сооружения, и религиозные, и просто бытовые. Достаточно скоро подобные постройки начали сильно увеличиваться в размерах, площадей не хватало, и, естественно, люди начали «строить вверх». В связи с активным развитием строительства можно назвать всю историю подъемного оборудования историей «вертикального и горизонтального перемещения грузов».

Этапы развития:

Долгое время главным источником тяги для подъемных механизмов служила мускульная сила человека и животных.

В Древнем Египте в долине Нила, где в реке изобилие воды в любое время, в лучшем случае пустыня находится всего лишь в миле от берегов реки. Проблема здесь в том, как поднять воду. Только потому, что древние египтяне решили эту проблему, стало возможным земледелие, а Египет представлял собой (как представляет и сейчас) бескрайнюю пустыню с узкой лентой плодородной земли вдоль берегов реки.

Техника подъема и распределения воды развивалась с учетом необходимости орошения земель, то есть резко отличалась от техники и организации, возникающих тогда, когда воду достают только для питья. Это привело к высокоразвитой кооперации в крестьянском хозяйстве, характерной и для сегодняшних египетских деревень, хотя современные методы ирригации постепенно подрывают эти древние принципы.

Решение проблемы воды зависит от того, насколько высоко приходится ее поднимать, а на такой реке, как Нил, условия меняются из года в год в зависимости от величины разлива. Древние египтяне изобрели два приспособления для подъема воды. Во время половодья, когда река выходит из берегов, ничего не нужно делать - река сама выполняет всю работу, увлажняя почву и нанося толстые слои ила, заново обогащающего бедную почву. Но как только уровень падает, воду надо поднимать, и тут самое простое приспособление - ведро на веревке - непригодно, им можно достать лишь немного воды для питья. Главным изобретением был шадуф, действующий по принципу рычага: на одном конце тяжелый ком затвердевшей глины, служащий противовесом для другого конца, где находится большая емкость для воды. В условиях пустыни крайне важно беречь энергию, с помощью шадуфа человек может, применяя минимальные усилия, непрерывно поднимать воду - полное воды ведро при подъеме опрокидывается в канал или водосборный резервуар.

Прежде чем уровень воды спустится слишком низко (пока речь еще идет о подъеме воды на фут или два), может быть применен архимедов винт, или тамбур. Это спираль в футляре с рукояткой на одном конце. Нижний конец погружается в воду реки, а еще чаще в отводный канал, - и поворотами рукоятки обеспечивается непрерывный доступ воды. Как шадуф, так и тамбур повсеместно применяются и сейчас.

Шадуф - приспособление для подъема воды из рек или колодцев. Если уровень воды низкий, комбинируют несколько шадуфов.

Когда уровень воды падает и ее нельзя достать шадуфом, применяются еще два метода подъема воды. Один заключается просто в том, что устанавливаются последовательно несколько шадуфов - каждый из них поднимает воду и переливает ее в расположенный повыше резервуар, из которого ее черпает следующий шадуф и так далее, пока вода не попадет в верхний резервуар или в оросительный канал. Это требует совместного труда многих людей, каждого со своим шадуфом, но не всегда есть достаточно рабочей силы и оборудования.

Второй метод сводится к строительству запруд, особенно в летнее время, когда уровень воды наиболее низок, и тогда запруда поднимает уровень настолько, что воду можно брать для орошения. Для этого требуется более примитивная техника, чем при строительстве крупной плотины, которая преграждает поток воды и требует сооружения водохранилища. Запруда просто тормозит течение, пока уровень воды не поднимется до нормальной высоты между берегами реки. Этот метод широко применяется по всей Северной Африке. Он также требует коллективных усилий, ибо необходима более высокая организация труда, но таким путем воду может получать население сравнительно большого района.

Вдоль всего Нила, если в этом есть потребность, могут быть вырыты колодцы, их можно вырыть и в пустыне, там, где водоносный горизонт лежит близко к поверхности. Для подъема воды, если она находится не очень глубоко, можно применять шадуф, но уже давно изобретено усовершенствованное приспособление, так называемое персидское колесо, или сакья.

Сакья, или персидское колесо не требует больших усилий и обеспечивает постоянный поток воды, поднимая ее уровень на 4-5 футов.

Из глубокого колодца воду поднимает система двух воротов. Пока нижний ворот поднимает воду, ведро остается закрытым, затем автоматически прокидывается. При строительстве сооружений из тяжёлых блоков использовали ворот и катки для перемещений блоков по наклонной плоскости.

В период рабовладельческого строя также применялся рычаг. Однако появление блока привело к появлению первых подъёмных механизмов. Использование блока давало выигрыш в силе или скорости подъёма грузов, обеспечило возможность менять направление тяги.

В Древней Греции большую роль сыграли труды Архимеда. Он разрабатывал теорию рычагов, блоков, полиспастов и винтов для поднятия больших тяжестей. Это сильно способствовало развитию строительной техники в тот период.

В Древнем Риме применялся римский подъёмный кран со ступальным колесом. В частности, он использовался при возведении Пантеона.

В мануфактурный период основным двигателем механизмов было водяное (гидравлическое) колесо. Наверное, самая мощная и впечатляющая каменная конструкция, построенная людьми, - пирамида фараона Джосера в Сакаре в 2750 году до н. э. Высота конструкции - 61 м, а горизонтальные размеры - 109 на 125 м.

Это произошло примерно за 100 лет до строительства известной пирамиды Хеопса и за 900 лет до появления огромных могильников в северной Европе.

Тот период стал переломным в истории подъемных механизмов, ведь изменился подход к строительству и масштабы сооружений. Можно сказать, что причиной всего этого стал Имхотеп, который претендовал на статус бога и, разумеется, требовал соответствующих почестей для себя. Тысячи лет спустя, во времена персов, ему стали поклоняться как богу строителей.

Думаем, не стоит рассказывать, что подъемные механизмы активно применялись во всем мире и во все времена. Их следы находили в Африке, Европе и Америке. При этом масштабы перевозимых и поднимаемых нашими предками грузов поражают воображение даже современного человека. Например, пирамида Хеопса насчитывает порядка 2,3 млн каменных блоков. Средний вес каждого такого блока - 2,5 т. Камни уложены в 206 горизонтальных слоев. Не сложно подсчитать, что общий вес этого сооружения - 5,75 млн т. Все имеющиеся блоки были подняты и сложены всего за 23 года. Если допустить, что работа практически не прерывалась все это время, то в день поднималось и перевозилось порядка 274 блока (685 т).

Но большие пирамиды строили с перерывами. Люди могли работать только 3-4 месяца в году, в период разлива Нила, когда крестьяне не были заняты на полях. Поэтому, если исходить из расчета, что в сутки люди работали порядка 12 ч, это позволяет вычислить, что за рабочий день им приходилось доставлять и поднимать около 2000 т, т. е. 170 т, или 68 блоков в час. То есть примерно один блок в минуту нужно было доставить, поднять и уложить в строго отведенное место в столь большой и масштабной структуре, как египетская пирамида!

Каждый год появляются все новые и новые гипотезы о том, как подобное могло быть реализовано. Но, несмотря на это, достоверно не известно, как же именно был организован рабочий процесс более 5000 лет назад. К сожалению, у нас нет достоверной информации по поводу технологии строительства и механизмов подъема или транспортировки материалов. Скажем более, в мире не так много даже теорий, способных выдержать сколько-нибудь серьезную критику.

Неизвестность всегда пугает. И если любой современный человек может представить подъемный механизм грузоподъемностью «всего» 2,5 т, то что же было с исследователями, которые обнаружили 42-метровый обелиск фараона Чефрена. Общий вес конструкции относительно небольшой - 1100 т, но поражает другое: обелиск построен из камней размером 6,2 Ч 6,8 Ч 4 м, а вес одного такого блока - 425 т!

Продолжим список подобных завораживающих сооружений. Возьмем, например, храм Карнака, что был построен более 3400 лет назад в Древнем Египте. Внутри храма есть лабиринт, основанием которого являются колонны. Всего этих колонн 134, высота каждой - 23 м, а периметр - 11,2 м. Согласитесь, что, даже имея в арсенале технологии XXI века, подобные сооружения вызывают восхищение и трепет!

Но интересно другое - лишь в конце прошлого века человечество смогло справиться с грузами, которые древние египтяне перемещали и поднимали еще 3500-4500 лет назад. Невольно задаешься вопросом, неужели человечеству не нужны были подобные технические решения все остальное время, или причина кроется в чем-то другом?

Греческие краны:

История Древней Греции, в отличие от Древнего Египта, хорошо документирована. Во многом благодаря этому факту принято считать, что первые краны были найдены именно в Греции. Механизмы подобного рода использовались греческими строителями примерно в V веке до н. э. В дневнике известного путешественника Геродота в связи с этим упоминается 440 год до н. э.

Геродот утверждал, что три самые большие египетские пирамиды, которым на тот момент исполнилось порядка 2000 лет, были построены с помощью подъемных механизмов. Возможно, при их строительстве применялась система из большого количества деревянных брусьев. Сам Геродот признавал, что «говорил подобные вещи и в Египте».

Над формализацией основных принципов механики работало много образованных греков. Среди них был и Архимед (287-212 гг. до н.э.). Но его интересовали больше академические, нежели прикладные знания, хотя его описания многих процессов сильно помогли человечеству в целом. Герон, который жил в Александрии в конце II века до н.э., создал одно из самых точных описаний крана и подготовил теоретическое объяснение всех принципов работы этой удивительной машины. В своем описании погрузочно-подъемной машины он отметил малоизвестную на тот момент работу Архимеда и написал: «Всего существует пять видов механизмов, которые можно применять для перемещения грузов, используя имеющуюся энергию. Это барабан, рычаг, подвижный блок, клин и болт с резьбой». К сожалению, оригиналы работ Герона не сохранились до наших дней, поэтому мы можем использовать лишь арабские копии XIX века и частично немецкий перевод. В арабской версии приведен ряд интереснейших рисунков. Согласно копии, Герон объяснял: «К примеру, сила, позволяющая поднять только пять талантов (талант - единица массы, приблизительно равная 26 кг), будет достаточна, чтобы поднять 1000 талантов. То есть будет достаточно человека, который в состоянии поднять только пять талантов. Это устройство способно увеличить подъемную силу более чем в двести раз!»

Именно так, мог выглядеть древнегреческий двухмачтовый козловой кран, если верить древнеарабским рисункам и текстам Герона.

Рисунок:

В своих записках Герон высоко оценивает пользу косозубого зубчатого колеса. Подъемный механизм с зубчатым приводом приведен в арабской копии рисунков. Также он описал новый тип крана, смонтированный на платформе с несколькими парами подвижных и неподвижных блоков, соединенных тросом. Судя по немецкой уже копии, вся эта конструкция крепилась на колеса, что позволяет считать это сооружение первым в мире автокраном!

Такой двухмачтовый кран использовался для подъема самых тяжелых грузов. Согласно запискам, эти мачты должны были быть наклонены во внутрь на «1/5 часть от их высоты, для увеличения надежности».

Также из этих записок следует, что в те далекие времена люди собирали столь сложные конструкции фактически из рычагов, подвижных блоков и веревок. Но самое удивительное - это тот уровень детализации, с которой были продуманы древние подъемные механизмы. В записках даже даны советы не только по сборке (мы бы сейчас выразились - «монтажу»), но и по эксплуатации подобных кранов.

Римские краны:

Колонны - пожалуй, самый важный элемент декора римских зданий. Каждая колонна состоит из нескольких частей. Но самое интересное не в самом факте того, что человеку удалось поднять такой вес, а в том, что так точно спозиционированны все детали колонны. Даже с расстояния всего в несколько метров сложно заметить стыки, а ведь они имеют сложный и тонкий рисунок. А если принять во внимание небольшое расстояние между колоннами, становится понятно, что при их установке использовались механизмы большой грузоподъемности и продуманной конструкции.

Марк Витрувий Поллион, римский инженер и строитель времен правления Цезаря и императора Августа, описывал краны, которые использовали в Греции, в своей работе «Десять книг об архитектуре», написанной между 27 и 23 годами до н. э. Эта работа была очень популярна и высоко ценилась в раннее Средневековье. Копия книги, к сожалению без рисунков, была обнаружена в библиотеке монастыря в Мотне Касино в 1414 году, и в 1486 году она была напечатана Гутенбергом в его типографии. Благодаря этому работа Витрувия повлияла даже на архитектуру времен Ренессанса.

Витрувий писал: «Я сосредоточусь на описании тех машин, что максимально распространены, просты и надежны. Сначала рассмотрим те краны, что нам необходимы для строительства гробниц и общественных зданий. Они собираются следующим образом: два бруса или бревна одинаковой длины и толщины связываются вместе в верхней части. Нижние части - разводятся в разные стороны. Верхнюю часть немного наклоняют, натягивая канат. В нижней части крепят барабан, на который наматывается трос. На другом конце каната крепят подвижные блоки».

Подъемные механизмы того времени было принято классифицировать по типу канатов. Были так называемые Trispastos, состоявшие из трех основных канатов (два верхних и один нижний), Pentapastos, имевшие четыре каната, и Polypastos, имевшие более четырех канатов.

После изучения греческой цивилизации становится понятно, что многие части их подъемных механизмов были заимствованы у римлян. Об этом можно судить из книги того же Витрувия: «Когда подъемная машина используется для тяжелых грузов, необходимо пропорционально заменить балки на более длинные и толстые, а трос использовать - более мощный». После этих слов в книге идет достаточно подробное теоретическое обоснование необходимости подобных замен.

Витрувий также описал тяжелые краны как «высокопрофессиональную форму машин, которая может использоваться только тем человеком, который точно знает то, что он делает. Используя этот метод, люди могут поднимать огромные грузы на практически любую высоту. Работа в этом случае идет быстрее и безопаснее. Эти машины можно использовать для разгрузки и погрузки кораблей. Также можно перемещать грузы не только по вертикальным плоскостям, но и по горизонтальным!».

Интересно, что поздние рукописи находились с рисунками и чертежами, несмотря на то, что в оригинале их не было. Некоторые историки даже принимали их за авторские, но, к сожалению, это не так. Во французском издании книги известный инженер Перра перерисовал одномачтовый кран с подвижными блоками. Конструкция позволяла поднимать блоки размером 2х2х1,5 м, весом до 12 т, что стало серьезным прорывом для того времени и позволило создавать более интересные здания.

Римлянин Плиний (23-79 гг. н.э.) в своей работе «Historia naturalis» описывает габариты и массу грузов, которые нужно было поднимать: «Птоломей Филадельфийский, рожденный в 309 г. до н.э., поднимал обелиск на высоту около 80 эллей в Александрии (элль - старая мера длинны, равная примерно 45 дюймам, или 120 см). После этого архитектор Сатир перевозил обелиск, используя бревна. Затем организовали рытье канала от Нила до обелиска. Две очень широкие и открытые сверху баржи загружались балластом до тех пор, пока вес балласта не был вдвое больше веса обелиска. Когда балласт убирали, то баржа с обелиском поднималась вверх по течению». Через 1500 лет Леонардо Да Винчи описал похожий способ подъема грузов, только лишь с той разницей, что в качестве балласта он предлагал использовать воду, а не камни.

Большая распространенность одномачтовых кранов в древней истории свидетельствует о том, что подобные механизмы были по достоинству оценены инженерами и строителями. Ярким доказательство этого служит хотя бы пример Римский Колизей известного римского скульптора Хатери, жившего в I веке н.э., на надгробье которого есть изображение одномачтового подъемного крана, поднимающего какой-то груз.

Изобретение колеса:

Пожалуй, знаковым событием в истории подъемных механизмов древних времен можно считать применение барабанов, на которые наматывались веревки, тросы и канаты. До этого людям приходилось постоянно отходить все дальше и дальше от подъемной машины: они тащили канаты за собой, не имея возможности изменить хват. Это делало невозможным работу в стесненных условиях. После того как люди догадались использоваться «бесконечное веретено», стало возможным поднимать куда большие грузы.

Ведь ничего страшного, что нужно намотать порядка 200 м веревки для подъема груза «всего» на 10 м, главное, что теперь это стало под силу одному человеку.

Древнеримский рельеф из мастерской Люция Пекулара в Капуе, на котором изображено ступальное колесо, одно из важнейших изобретений в сфере подъемной техники вплоть до начала XIX века.

Таким образом, «подготовительный» период в истории кранов длился достаточно долго. Часто ограничением служил, как это принято сейчас говорить, «человеческий фактор». Все эти огромные постройки требовали сил десятков, сотен и даже тысяч людей и животных. И это несмотря на то, что большая часть подъемных механизмов, информация о которых сохранилась до наших дней, достаточно правильно и грамотно спроектированы (с инженерной точки зрения). Разумеется, здесь не было датчиков перегруза или указателей грузового момента, а все краны делались из дерева. Древние люди даже и мечтать не могли о стальном тросе или стреле из металла. Чтобы представить масштабы конструкций того времени, посмотрите на современные краны грузоподъемностью несколько тысяч тонн. В древние времена были похожие по габаритам краны, только их грузоподъемность была в сотни и тысячи раз меньше, а сами краны были сделаны из дерева. груз подъемный механизм

Краны одной и той же конструкции использовались строителями в разных странах на протяжении нескольких тысяч лет. Об этом можно судить, например, по арабским копиям греческих работ Герона. Ведь копии датированы IX веком, уже «нашей эры». Детали, безусловно, менялись, но основные принципы работы актуальны как для греческих кранов, так и для тех, что работали на территории Римской империи.

И это мы говорим только лишь о том, что более-менее достоверно известно. Ведь есть еще история Германии, где примерно в 520 году на высоту в 10 м был поднят 275-тонный каменный блок диаметром более 11 м. Каким средством, как и кем это было сделано - загадка до сих пор.

Размещено на Allbest.ru