Текст книги "Повесть о великом инженере"

Автор книги: Леонид Арнаутов

Соавторы: Яков Карпов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 19 страниц)

Поэзия точного расчета

А теперь попробуем перенестись в прошлое. Представим себе, что от 1896 года нас не отделяет целых восемь десятилетий. Мысленно присоединимся к нашим соотечественникам, посетившим Всероссийскую выставку в Нижнем Новгороде в один из летних дней этого года, постараемся взглянуть на выставку их глазами, разделить их впечатления.

В одном из вагончиков электрической железной дороги (новинка для того времени!) мы с вами объехали территорию выставки – обширное пространство, где раскинулись фантастические сооружения, смахивающие то ли на мечеть, то ли на пагоду, то ли на дворец сказочного магараджи, затейливые терема и хоромы, возведенные в том псевдорусском стиле, который, по меткому определению Максима Горького, выдумал немец – архитектор Ропет.

Изрядно утомленные кричащей разноголосицей архитектурных мотивов, мы подходим к зданию инженерного отдела и останавливаемся как вкопанные. В противовес всему виденному, перед нами сооружение, поражающее своей предельной простотой. Четкие и плавные изгибы линий, чередование стекла и металла, легкость, простор, обилие света… Примерно так попытались бы мы выразить свое первое впечатление.

Легкое сетчатое покрытие павильона слегка провисает. Действительно, напрашивается сравнение с полотнищем шатра, которое почему-то не успели натянуть как следует. Чем больше всматриваешься в конструкцию павильона, тем отчетливее начинаешь сознавать, что интервалы между колоннами, выстроившимися в шеренгу по продольной оси здания, так же, как форма мелких ячеек гибкой сетки, образующей перекрытие, продиктованы не произволом зодчего, не его капризом, но вызваны к жизни точным инженерным расчетом.

Далее мы убедимся, что сетчатые конструкции Шухова подкупают не только своей оригинальностью и новизной, но и тем, что их легко и удобно использовать для самых разнообразных зданий. Это наглядно демонстрирует овальный павильон – дополнительное здание фабрично-заводского отдела. Его центральная часть имеет вид прямоугольника. Чтобы устроить над таким павильоном покрытие обычного типа, потребовалось бы устанавливать весьма громоздкие фермы. Гибкие висячие сетки Шухова, которые выглядят особенно изящными и почти невесомыми над большими пролетами павильона, дают строителю возможность просто и успешно решить задачу.

Еще большее внимание привлекает круглое здание инженерного отдела. Посреди просторного зала ведут хоровод ажурные металлические стойки, наверху соединенные прочным металлическим кольцом. Другое кольцо, большего размера, покоится на стенах здания. Между кольцами протянуты скрещивающиеся полосы железа, образующие сетчатое покрытие. Можно было бы сравнить такое покрытие с огромным колесом, втулка и обод которого соединены металлическими спицами. Но воспользоваться этим сравнением мешает то, что полосы, соединяющие кольца, в отличие от спиц, несколько провисают под действием собственного веса.

А сейчас присмотримся внимательнее к покрытию центральной части павильона. Гибкая сетка перекрывает только часть здания между стенами и внутренним рядом колонн. Если бы сооружение предназначалось не для выставочного павильона, а, скажем, для цирка, то под висячей сеткой оказались бы лишь трибуны для зрителей. А что над ареной, то есть центральной частью павильона? Купол, как в цирке? Нет, эту часть покрытия уместнее было бы назвать антикуполом – куполом, как бы вывернутым наизнанку.

Казалось бы, Шухов шагнул уже достаточно далеко, отойдя от громоздких ферм с прогонами и связями. Его сетчатые конструкции, словно сбросившие с себя бремя излишеств, освобожденные от ненужных запасов прочности, казались многим пределом смелости, которую может позволить себе проектировщик. Но и на этот раз сказывается присущая Шухову неудовлетворенность достигнутым. Снова и снова подвергая анализу свою идею крыш-сеток, Владимир Григорьевич находит возможности ее дальнейшего развития. Пример – покрытие центральной части круглого павильона – яркое сочетание инженерной фантазии со строгим научным расчетом.

Шухов исходит из того, что в его висячем покрытии несущим элементом служит одна лишь сетка, а лежащий на ней настил из листового железа фактически является лишь ограждением, усилий сам по себе не воспринимает. Поскольку кровельное железо обладает достаточно большой прочностью, Владимир Григорьевич решается поручить настилу не вспомогательную, а самостоятельную роль, использовать его в качестве несущего устройства.

Вот почему центральная часть круглого павильона, заключенная между колоннами, несущими внутреннее кольцо, сверху выглядит как чаша из тонкого листового железа. Шухов впервые в мире на деле доказал возможность использования в качестве несущей висячей конструкции тонкого железного листа, закрепленного лишь по краям. Это было полное торжество той его идеи, которая подвергалась сильным нападкам, расценивалась как бесплодное фантазерство.

Пройдет больше полувека, и немецкий ученый Фрей Отто, большой знаток висячих конструкций, заявит, что «начало развитию современных висячих покрытий было положено в 1932 году сооружением висячей кровли элеватора в Олбани (США) из листовой стали… провисающей по очертанию цепной линии». Крупным шагом в развитии висячих покрытий Отто называет также сооружение в 1937 году павильона Франции на выставке в Загребе (Югославия): «Покрытие в форме опрокинутого усеченного конуса из листовой стали толщиной 2 миллиметра подвешено к жесткому сжатому опорному кольцу…»

И. Г. Людковский, редактор русского издания книги Ф. Отто, вынужден будет напомнить в послесловии, что Шухов применил стальной лист в качестве несущей висячей пространственной конструкции еще за 36 лет до постройки элеватора в Олбани и за 41 год до сооружения павильона Франции в Загребе.

Важные сведения об этом Отто мог бы почерпнуть из «Путеводителя по Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде», выпущенного в 1897 году. Там говорится, что висячая сетка инженера-механика В. Г. Шухова «имеет в разрезе вид цепной линии». Кровля элеватора в Олбани, как сказано у Отто, провисает «по очертанию цепной линии»[5]5
  Цепная линия – плоская кривая, форму которой принимает гибкая, однородная и нерастяжимая тяжелая нить; концы ее закреплены в двух точках, расстояние между которыми меньше длины нити. Примерно такую форму принимают цепь и телеграфный провод, провисающие под действием силы тяжести.


[Закрыть]. Характерное совпадение!

Справедливости ради заметим, что в своих последующих работах Отто уже пишет о приоритете Шухова в области висячих металлоконструкций. «К числу первых инженерных работ в области висячих конструкций, в которых мембрана покрытия и несущая конструкция представляли единое целое,– сообщает он читателям,– относятся сооружения В. Г. Шухова, возведенные им на Нижегородской ярмарке 1896 г. Эти работы были забыты и только недавно снова привлекли к себе внимание».

В середине шестидесятых годов нашего столетия Ф. Отто приезжал в Москву, посетил, в частности, ГУМ, где любовался легкостью и изяществом шуховских сводов. По свидетельству И. Г. Людковското, он нашел, что эти конструкции затмевают перекрытия прославленного Кристаль-Паласа в Лондоне.

В 1958 году посетители Всемирной выставки в Брюсселе восхищались павильоном США – гигантским шатром из стали и пластмасс. Театр при павильоне был сооружен на сходном принципе – сетчатые стены и потолок. Павильон фирмы «Филипс» тоже напоминал шатер, стены которого еще не натянуты…

Плодотворность шуховской идеи пространственных покрытий – сеток подтверждается многообразием ее форм и вариантов, показанных уже тогда, на Всероссийской выставке 1896 года. Помимо зданий, о которых шла речь, ряд павильонов имел арочные покрытия из зигзагообразных металлических полос, «склепанных на ребро», как было сказано в привилегия, полученной Шуховым, или из трех-четырех дощатых слоев. «Особенный интерес для нашей страны,– отмечал один из журналов того времени,– представляют эти дощатые покрытия, необычайно легкие и красивые, не требующие для своего исполнения металла и легко собираемые даже без участия плотников обыкновенными чернорабочими».

Достоинства шуховских конструкций были настолько очевидны, что администрация выставки, стремясь вовремя закончить строительные работы, передала конторе Бари дополнительные заказы. Главные условия – предельная быстрота постройки и возможность последующей разборки павильонов с тем, чтобы их можно было перенести в другое место. Владимир Григорьевич и на этот раз находит удачное решение. По его проекту стены выставочных зданий впервые выполняются в виде металлического несущего каркаса с легким заполнителем.

Как восхищались посетители выставки павильоном Средней Азии, пышной затейливостью его архитектуры! И лишь очень немногим было известно, что это здание, с виду такое монументальное, возведено из гипса и досок, уложенных по легкому разборному каркасу системы Шухова.

Когда техническое новшество обещает бесспорные выгоды, слишком уж велик соблазн присвоить себе курицу, несущую золотые яйца. В странах чистогана никакие самые подробные установления патентного права не в состоянии оградить приоритет изобретателя, если его идея сулит заманчивые барыши. Существует испытанный прием – внести малозначащие изменения в формулу привилегии и объявить закамуфлированную чужую находку своей собственностью. О том, что в мире техники немало охотников до чужого добра, свидетельствует дальнейшая судьба сетчатых покрытий Шухова.

Идея арочных сетчатых сводов завоевывает широкую известность и в России, и за рубежом. Целый ряд солидных фирм, в частности немецких, спешит взять на вооружение исключительно легкие, простые в изготовлении и монтаже шуховские конструкции, копирует их с незначительными изменениями и ухитряется закрепить за собой авторские права.

Арочные покрытия Шухова, осуществленные на Нижегородской выставке в 1896 году,– прообраз металлического свода Юнкерса и свода Цоллингера из деревянных косяков, появившихся в двадцатых годах нашего столетия. В основе покрытий Ламеля и Цолльбау также лежат конструкции, разработанные Шуховым.

Немецкий инженер Брода пытается изменить конструкцию дощатого свода Шухова, введя прогоны между рабочими слоями досок. Это несколько повышает общую устойчивость свода, но отрицательно сказывается на его эксплуатационных качествах. В России эта конструкция получает известность под названием двойного гнутого свода Шухова – Брода. А в Германии имя инженера Шухова, подлинного автора сетчатых сводов, вообще не упоминается.

Примечательно, что идея арочных сводов изменила облик чердаков-мансард, излюбленного прибежища поэтов, художников, студентов – нищей романтической богемы. Вместо традиционных крутых мансардных крыш стали устраивать высокий свод с жесткими затяжками – они же балки междуэтажного перекрытия. Эта шуховская конструкция на Западе носила название крыши Кольба из сводов Брода.

Парадокс гиперболоида

Преподаватель математики 5-й Петербургской классической гимназии Виталий Львович Розенберг рассказывал на уроке о жизни и трудах Пифагора. Он привел доказательство его знаменитой теоремы, а под конец поведал легенду о ста быках, якобы принесенных Пифагором в жертву богам как благодарность за ниспосланное ему свыше откровение.

Когда на следующем уроке Виталий Львович спросил, кто желает доказать теорему, к доске вышел гимназист Владимир Шухов. Предоставив ему возможность выполнить мелом рисунок, известный многим поколениям учащихся под названием «пифагоровых штанов», преподаватель углубился в классный журнал. Подняв через несколько минут голову, он обнаружил на доске незнакомый, нисколько не соответствующий учебнику чертеж и под ним короткий, в одну строчку, вывод. – Я попробовал доказать теорему Пифагора другим, более простым способом,– пояснил не смущаясь гимназист.– Позвольте объяснить.

Выслушав Шухова, педагог вынужден был признать, что доказательство безупречно, однако объявил, что снижает балл «за нескромность и вольнодумство». Так в классном журнале появилась необычная для первого ученика четверка.

Не беремся судить, насколько точен этот рассказ, записанный в свое время И. Д. Вавицким, посвятившим многие годы собиранию материалов о жизни и творчестве почетного академика В. Г. Шухова. И уж, конечно, вряд ли мы когда-нибудь узнаем, каков был ход рассуждений Володи Шухова. По так ли это существенно? Разве историкам науки известно доподлинно, каким именно образом малыш Карл Фридрих Гаусс, будущий «принцепс математикорум» (король математиков) мгновенно решил в уме трудную задачу и ошеломил учителя, записав на своей грифельной доске правильный ответ?

Тысячи и тысячи молодых людей добросовестно штудировали курс аналитической геометрии, прилежно записывали уравнения, которыми определяются направления линий, образующих однополостный гиперболоид. Но надо быть Шуховым, чтобы увидеть в бесстрастных очертаниях этой фигуры что-то иное, задуматься над ее особенностью, которую, правда, не сразу обнаружишь зрительно.

Дело в том, что поверхность гиперболоида может быть создана не только вращением кривой линии – гиперболы – вокруг некоторой оси. Она может быть составлена также из двух семейств прямых линий. Именно это свойство положено Шуховым в основу нового вида сетчатых конструкций, в которых пространственный каркас, имеющий криволинейные очертания, образован из одинаковых прямых элементов. Вот почему в современных учебниках по аналитической геометрии не только рассматриваются уравнения, определяющие системы образующих однополостный гиперболоид линий, но и воздается должное заслугам Владимира Григорьевича Шухова, которому принадлежит идея использования гиперболоида в строительной технике.

В шуховских башнях металлические элементы расположены так же, как прямолинейные образующие однополост-ного гиперболоида вращения. Здесь Владимир Григорьевич верен принципу, уже воплощенному им в сетчатых арочных покрытиях: части конструкции не должны различаться по функциям восприятия усилий.

До появления шуховских башен высотные металлические конструкции состояли обычно из стоек, взаимно соединенных связями. Задача этих связей – образовать систему, воспринимающую горизонтальные ветровые нагрузки, обеспечить жесткость башни и устойчивость ее элементов. Как правило, связи не участвуют в передаче вертикальных нагрузок, а стойки лишь частично «работают» на горизонтальные ветровые нагрузки. Вот и получается: прочность связей, требующих по условиям жесткости металла больших сечений, используется далеко не в полной мере.

Проектируя свои конструкции, Шухов всегда беспощаден к элементам, которые, образно говоря, не хотят разделить тяжесть труда с соседями потому, что это «не их дело». Для Владимира Григорьевича такие конструктивные элементы подобны кариатидам, притворно изнемогающим под тяжестью карниза или балкона. С самого начала надо помочь конструкции сбросить лишний вес, избавить ее от «ожирения». Можно сказать, что в шуховских конструкциях основные элементы обеспечены, помимо основной должности, еще и «совместительством». Так, в ги-перболоидной башне Шухова ее наклонные ноги работают как на горизонтальные, так и на вертикальные нагрузки. Отпадает надобность в установке внутри башни каких-либо связей.

Ажурная башня, состоящая из пересекающихся прямолинейных деревянных брусьев, или железных труб, или угольников, расположенных по производящим тела вращения, склепываемых между собой в точках пересечения и, кроме того, соединенных горизонтальными кольцами,– так примерно Шухов определяет суть конструкции гиперболоидной башни в своей заявке. Главное, что примечательно в этой предельно краткой и деловитой формулировке – это указание на прямолинейность элементов, пересекающихся между собой и образующих конструкцию башни.

Как опытный производственник, не раз имевший дело с прямолинейными прокатными профилями, Владимир Григорьевич хорошо знал, что такие конструкции просты в изготовлении и удобны в монтаже. Гибка деталей, имеющих криволинейные очертания,– дело трудоемкое, требующее специальных шаблонов. Усложняется и сборка изогнутых элементов.

Когда глядишь на легкие, плавно округленные и сужающиеся кверху гиперболоидные башни, с трудом верится, что они – если не считать колец жесткости – целиком сделаны из прямолинейных элементов. Технологичность, как выразились бы мы сейчас,– тоже одно из решающих преимуществ шуховских конструкций.

История научных и технических поисков говорит, что открытию, изобретению обычно предшествует их смутный прообраз, витающий перед мысленным взором автора. От неясной, скорее предчувствуемой догадки к логически безупречной идее, к завершенному чертежу, к законченному математическому оформлению – таков зачастую ход творческого процесса.

Так ли рождалась идея гиперболоидных конструкций? Вот что рассказывал об этом сам Шухов (запись Г. М. Ковельмана):

«В музыке народные мотивы давно уже считаются признанными источниками замечательных произведений. Все с наслаждением слушают, например, «Камаринского» Глинки. А вот мы, люди техники, еще не осознали возможности черпать материал из народной копилки, куда веками складываются образцы мастерской выдумки, смекалки.

О гиперболоиде я думал давно, шла какая-то глубинная, немного подсознательная работа. Но все как-то вплотную к нему не приступал. И вот однажды прихожу раньше обычного в свой кабинет и вижу: моя ивовая корзинка для бумаг перевернута вверх дном, а на ней стоит довольно тяжелый горшок с фикусом. И так, знаете, ясно встала передо мной будущая конструкция башни. Уж очень выразительно на этой корзинке было показано образование кривой поверхности из прямых прутков.

– Маша,– говорю домработнице,– ты пока пыль с этажерки сотрешь, не провалишь корзинку?

– С чего бы ей провалиться? – уверенно отвечает она.– Эта корзина и не такое выдержит.

Нам в Высшем техническом училище только на лекциях по аналитической геометрии рассказывали немного о гиперболоидах вращения. Конечно, для тренировки ума, но никак не для практического их использования. А, оказывается, эти самые гиперболоиды давно у нас в деревнях изготовляются! Занимаясь теорией расчета гиперболоидальных сетчатых башен, я часто вспоминал урок наглядного обучения, данный мне Машей. Еще, помню, во времена Нижегородской выставки, если кто скажет мне, бывало, что никогда такой водонапорной башни не видел, всегда направлял я в кустарный отдел – плетеные корзины смотреть».

Не породил ли этот, очень занимательный сам по себе, рассказ несколько упрощенное представление о том, как родилась и формировалась идея гиперболоидных сооружений? Ивовая корзинка для бумаги начинает играть роль, чуть ли не аналогичную Ньютонову яблоку или ванне Архимеда. Другими словами, роль счастливого случая, без которого не бывать открытию. Не поставь Маша в тот день горшок с фикусом на перевернутую ивовую корзинку, не было бы и гиперболоидных башен!

Люди, хорошо знавшие Шухова, единодушно отмечают его особое умение понятно излагать самые трудные технические вопросы. Владимир Григорьевич часто сопровождал свои объяснения демонстрацией несложных моделей, сделанных из проволоки, дерева или просто из бумаги, и всегда достигал цели.

– Видите, как это просто,– обычно говорил он под конец.

Нельзя ли предположить, что пресловутая ивовая корзинка также служила Шухову своего рода наглядным пособием, помогавшим доходчиво объяснять свою идею? Не будем забывать и об исключительной скромности Владимира Григорьевича, который иной раз предпочитал лучше отмолчаться или отделаться шуткой, чем упоминать о своих личных заслугах, об авторских правах.

Шухов впервые превратил математическую абстракцию гиперболоида в практическую конструктивную форму. Встает вопрос: можно ли серьезно говорить о гиперболоиде только как о математической отвлеченности, если эта фигура давным-давно воплощена в обыденной корзинке?

Полемизируя с Дюрингом, который считал возможным выводить все математические понятия непосредственно из головы, минуя практический опыт людей, Ф. Энгельс писал: «Представления о линиях, поверхностях, углах, многоугольниках, кубах, шарах и т. д.– все они отвлечены от действительности, и нужна изрядная доза идеологической наивности, чтобы поверить математикам, будто первая линия получилась от движения точки в пространстве, первая поверхность – от движения линии, первое тело – от движения поверхности и т. д. Даже язык восстает против этого. Математическая фигура трех измерений называется телом, корпус солидум по-латыни, следовательно – даже осязаемым телом, и, таким образом, она носит название, взятое отнюдь не из свободного воображения ума, а из грубой действительности».

Да простит нас читатель за длинную цитату. Но, согласитесь, в ней очень ярко показана историческая связь чистых абстракций, вроде бы независимых от реальной действительности, с практическим опытом человека.

Шухов возвращает отвлеченному понятию, давно утратившему связь с реальностью и обитающему лишь на страницах учебников, практический смысл, воскрешает его к новой жизни. И это нисколько не умаляет значение его изобретения. Рассказ о внезапном рождении идеи при виде пресловутой корзинки, как нам кажется, не надо понимать слишком уж буквально. «Идеи приходят, когда они этого захотят сами, а не тогда, когда мы ждем их прихода,– говорит Д. Пойа в своей книге «Математическое открытие»,– ждать идею – то же, что ждать выигрыша в лотерее». Не правильнее ли полагать, что случай с корзинкой – лишь частность в сложном сплетении фантазии, интуиции, в той игре ассоциаций, которая предваряет строго логичную работу мысли?

Многое свидетельствует о том, что идея гиперболоидных башен не появилась на свет сразу, в готовом виде, подобно Минерве, которая родилась из головы Юпитера в полном воинском вооружении. Связь этого изобретения с предыдущими работами Владимира Григорьевича очевидна. Гиперболоид инженера Шухова – новый шаг в развитии плодотворной идеи сетчатых пространственных конструкций.

Вполне закономерен следующий этап развития сетчатых покрытий Шухова – гиперболоидная башня. В январе 1896 года Владимир Григорьевич заканчивает расчет этой оригинальной высотной конструкции и подает заявку на выдачу привилегии. В мае того же года гиперболоидная башня Шухова уже высится над выставочным городком, привлекая всеобщее внимание необычной формой, гармоничной легкостью стальных сплетений.