Продвинутые технологии Древнего Рима: водопровод, клапаны и стандарты, опередившие время

Когда речь заходит о римских инженерах, обычно вспоминают мощёные дороги, простоявшие тысячелетия, и грандиозные акведуки, чьи арки до сих пор возвышаются над европейскими пейзажами. Но истинное чудо скрывалось под землёй и внутри городских стен. Это была сложнейшая система распределения воды, управляемая устройствами, которые почти не отличаются от тех, что можно купить сегодня в любом магазине сантехники. Человечеству потребовалось более тысячи лет, чтобы заново «изобрести» то, что уже было стандартом в Римской империи.

Кровеносная система империи

Доступ к большому количеству пресной воды был одним из факторов огромного, беспрецедентного успеха Римской империи. Главные римские города располагались, частично, в непосредственной близости от хороших источников. Обилие воды улучшило здоровье населения и позволило городской жизни обеспечить труд и поддержку бизнеса, построив римскую экономику.

Несколько технологических достижений римских инженеров сделали воду доступной для городских центров. Среди этих достижений были проектирование акведуков, геодезия, строительство туннелей, свинцовые трубопроводы, перевёрнутые сифоны, резервуары для хранения и, конечно, клапаны. Даже при том, что воды было много, римские комиссары по водоснабжению внедрили меры контроля, чтобы ограничить незаконные водопроводы и регулировать поток для пользователей.

Если зажиточный римлянин жил в домус — доме на одну семью, и был достаточно богат, он мог позволить себе оплатить подключение к водопроводу. Римляне использовали свинцовый трубопровод для распределения воды по городам и посёлкам по всей империи. Использование клапанов для управления потоком воды в этих системах было также широко распространено. Такое универсальное использование клапанов и трубопроводов требовало уровня стандартизации, который хорошо знаком современным инженерам.

Как вода попадала в дом

Вода добывалась, зачастую на больших расстояниях, по акведукам, которые доставляли её в большие централизованные цистерны. Отсюда трубопроводные коммуникации доставляли её в различные районы по свинцовым трубам, а из них — в частные дома. Поток воды из городского водопровода в дом регулировался с помощью крана. Именно размер этого крана, а значит, и его потенциальная максимальная скорость потока, определяли, сколько владелец платил городу за эту роскошь. В домах с водопроводными сооружениями, такими как фонтаны, ванны и бассейны, также устанавливались дополнительные вентили, чтобы можно было перекрывать или регулировать поток.

Те краны, сделанные из латуни, а иногда даже из золота, выглядят удивительно похоже на современные. Нашей «продвинутой» цивилизации потребовалось больше тысячи лет, чтобы «изобрести» то, что было уже изобретено в Древнем Риме.

Клапан, который обогнал время

Конструкция древнеримских водяных клапанов удивительно похожа на современную конструкцию плунжерного клапана. Корпуса клапанов были изготовлены из бронзы с типичной встроенной конфигурацией. Корпус клапана имеет цилиндрическую камеру, в которую была вставлена цилиндрическая пробка. Корпус клапана был приварен к свинцовой трубе на каждом конце. Расплавленный свинцовый припой затем использовали для сварки вставки с каждой стороны клапана. Хотя римляне знали о резьбовых трубах, ни одного известного резьбового соединения не использовалось на соединениях труб или клапанов. Диаметр трубы корпуса клапана сужался в камеру заглушки, что приводило к увеличению скорости воды и более точной регулировке потока.

Вставка плунжера клапана также была изготовлена из бронзы и представляла собой полую цилиндрическую вставку с овальным отверстием на каждой стороне цилиндра для прохода воды. Как и в случае с современными клапанами, вставка плунжера вращалась внутри корпуса клапана, чтобы либо контролировать поток, либо обеспечивать перекрытие.

Корпус клапана имел небольшое отверстие рядом с основанием корпуса, которое совпадало с отверстием для виселицы, окружающим вставку заглушки. После того, как заглушка была вставлена в корпус клапана, наносился удар, чтобы создать на внутренней поверхности корпуса выпуклость, которая позволяла вращать заглушку вставки, но препятствовала её удалению сверху. Эта конструкция также предотвращала выпадание вставной заглушки из корпуса клапана при колебаниях давления воды.

Что примечательно, эти двухтысячелетние клапаны очень похожи на водяные клапаны, которые сегодня можно купить в местных магазинах бытовой техники.

Стандартизация по-римски

Многое из того, что известно о римской водной инженерии, передано в двух замечательных книгах Секста Юлия Фронтина «De Aquis Urbinae Romae» («Водоснабжение города Рима»), написанных около 97 года нашей эры. Фронтин был куратором аквариума — комиссаром по воде в Риме. В своих трудах он занимается стандартизацией пятнадцати размеров труб по диаметру, окружности и пропускной способности. Эти стандарты использовались по всей Римской империи, и стандарты также применялись к клапанам.

Независимые исследования показали, что действительно, клапаны и трубы, изготовленные римлянами, были одинаковыми по относительным размерам; они были стандартизированы. Оказывается, что «De Aquis» был предшественником современных стандартов ASTM и ASA.

Сплав, рассчитанный на века

Клапаны были очень похожи по составу материала. Медь, свинец и олово были важнейшими материалами в римской металлургической промышленности. Они обеспечивали устойчивость к коррозии и трению, а также пластичность, необходимую для лёгкого изготовления. Основываясь на металлургических исследованиях, материалы, использованные для отливки римских клапанов, составляли: 73 процента меди, 19 процентов свинца и 8 процентов олова. Несколько древних клапанов, которые были испытаны, дали результаты, очень согласующиеся с этими процентами. Римляне имели стандартную смесь металлических сплавов для клапанов, и они были изготовлены с высоким стандартом контроля качества.

Этот состав металла очень близко соответствует современному стандарту ASTM B67 для подшипников скольжения, используемых в автомобилях и железнодорожных вагонах.

Наследие под давлением

Римская конструкция водяного клапана хорошо сочетается с дизайном свинцового трубопровода под давлением воды. Свинцовый трубопровод был разработан для приложений с низким давлением воды. Исследователи изучили систему распределения воды в Помпеях. Вода доставлялась через систему водонапорных башен, которая поддерживала давление воды на уровне примерно 0,55–0,62 атмосферы. Хотя это давление намного меньше современного, его было достаточно для распределения воды в римских городах и посёлках.

Поток воды в распределительной системе контролировался путём сужения трубы или с помощью клапанов. Это было ключом к сохранению и правильному использованию запасов.

В Помпеях вода доставлялась через свинцовые трубопроводы в общественные фонтаны, общественные бани, предприятия и частные дома. Доставка воды в дом считалась роскошью и свидетельствовала о социальном статусе владельцев. Только небольшой процент частных домов в Помпеях получал воду. В домах вода была на полном показе с использованием отличительных и художественных водных особенностей.

Клапаны в каждом отдельном доме контролировали поток воды к каждому из водных объектов. Клапаны, которые контролировали поток в эти места, были изготовлены на коллекторе свинцовой трубы. Вся сборка размещалась у подножия водного сооружения. Это замечательный пример ноу-хау инженеров той эпохи.

История водоснабжения в Древнем Риме велика. Транспортный и гидравлический контроль большого количества пресной воды был одним из факторов огромного успеха империи. И сегодня, когда современный человек открывает кран в своей ванной, он использует технологию, которой две тысячи лет. Прогресс не всегда идёт вперёд. Иногда он возвращается к тому, что уже было открыто, но забыто на тысячелетие. И римские клапаны, покоящиеся сейчас в музеях, — лучшее тому доказательство. Они молчаливо свидетельствуют о том, что древний мир был не примитивным предшественником, а в некоторых аспектах — вполне равным партнёром по диалогу с современностью. И вопрос о том, какие ещё знания утеряны и ждут своего повторного открытия, остаётся открытым.