Фермы в кораблестроении

Горе земле, осеняющей крыльями по ту сторону рек ефиопских,

посылающей послов по морю и в папировых судах по водам!

18, 1-2

Книга пророка Исайи

Корабелы использовали фермы разных типов за много столетий до того, как к той же идее пришли строители и архитекторы. Почти все трактаты по истории судостроения начинаются с древнеегипетских лодок, предназначенных для плавания по Нилу. Как уже было известно пророку Исайе, они делались из плотно связанных воедино снопов тростника. Их возникновение относится к временам более древним, чем времена Исайи (около 740 г. до н. э.) - IV-III тысячелетиям до нашей эры. Подобные лодки используются и сейчас на Белом Ниле, а также на озере Титикака в Южной Америке. Эти лодки приобретали нужную форму, если можно так выразиться, естественным путем - за счет того, что снопы тростника суживаются к концам. Их длинные концы часто стягивались так, что они загибались кверху и служили украшением носа и кормы. С незначительными изменениями эта форма сохранилась и до наших дней у средиземноморских гребных лодок, в частности у венецианских гондол и мальтийских джайс.

Хотя плавучесть судна обеспечивается в основном средней частью корпуса и в меньшей степени его суживающимися концами, сознание этого никак не служит препятствием для установки тяжелых грузов на носу и корме корабля. В результате судно выгибается - середина его корпуса поднимается, а нос и корма погружаются в воду - в противоположность фермам и мостам, где середина фермы, наоборот, провисает ниже уровня ее концов. И хотя выгибание и провисание отличаются прямо противоположными направлениями нагрузок и прогибов, к обоим случаям применимы одни и те же законы и рассуждения.

С конструктивной точки зрения корпус судна - это та же балка, и результат действия выгибающих сил на податливый корпус тростниковой египетской лодки совершенно очевиден. Выгнутая лодка производит не лучшее впечатление, да и многие другие не менее важные причины не позволяли с этим мириться, так что уже в 3000 г. до н. э. приходилось принимать какие-то меры. Египтяне решили эту проблему чрезвычайно остроумно. Они придумали систему, которая состояла в следующем. Крепкий канат протягивали по верху вертикальных стоек, а петлями на его концах охватывали нос и корму. Канат можно было натягивать с помощью некоторой разновидности "испанского ворота", скручивая его (и укорачивая там самым) с помощью продетого в петлю рычага. Таким способом можно было придать большой тростниковой лодке ту степень кривизны (или "прямизны"), которую захочет шкипер (рис. 98).

Рис. 98. Египетское морское судно (2500 г. до н. э.). Оно сделано из дерева, но сохранило характерные для тростниковых лодок вертикальные детали на носу и корме. Отдельные доски очень коротки и плохо соединены между собой, поэтому корабль сохранил также традиционную египетскую выгнутую форму (обратите внимание на А-образную мачту).

По мере развития кораблестроительного искусства египтяне, оставив тростник, принялись строить свои корабли из дерева. Поскольку доски были достаточно короткими, а соединения довольно хлипкими, описанное выше изгибающее устройство оставалось по-прежнему необходимым.

Греческие корабелы оказались искуснее египетских, они строили превосходные триремы, боевые галеры, составляющие основу морской мощи Афин. Но делались они из таких же коротких досок, их корпуса легко прогибались и давали течь. Для борьбы с этим греки использовали устройство, основанное на том же принципе, но в несколько усложненном виде. Они изобрели так называемую гипосому. Прочный канат проходит снаружи вокруг всего корпуса корабля чуть ниже палубы и стягивается все тем же испанским воротом в той мере, в какой это нужно кормчему.

В ту пору военные корабли во время сражений таранили друг друга, поэтому им необходимо было выдерживать большие и внезапные нагрузки. И гипосома была тут незаменима: без нее немыслимо было не только сражаться, но и просто выходить в открытое море. Если в современной практике при разоружении военных кораблей вынимают замки из орудий, то в античные времена, чтобы обезоружить триремы, достаточно было просто снять гипосомы.

Совершенно очевидно, что афинские корабелы были хорошо знакомы с основами сооружения ферм, поэтому естественно напрашивается вопрос, почему же такие знаменитые афинские архитекторы, как Мнесикл и Иктин, не подхватили ту же идею при постройке своих храмов. Возможно, аналогия между провисанием и выгибанием не приходила им в голову, а может быть, они просто никогда не сидели за одним столом с корабельными мастерами. В конце концов, сколько архитекторов сегодня хоть раз беседовало о своих конструкциях с судостроителями?

Когда хрупкие весельные боевые галеры вышли из употребления, надолго исчезли и выгибающие устройства. Однако американские речные пароходы XIX в. прогибались почти так же, как и греческие триремы или египетские суда на Ниле. Их деревянные с небольшой осадкой корпуса рождали те же проблемы, и американцы разрешали их тем же способом, что и древние египтяне. Все американские речные пароходы были снабжены "египетской" оснасткой. Отличие состояло лишь в том, что растягиваемые части были выполнены из железных стержней, а не из папирусных канатов, и натягивались они с помощью винтовых пар, а не испанского ворота. Участвовавшие в гонках шкиперы утверждали, что могут "выжать" из своих пароходов лишние пол-узла, просто регулируя натяжение тросов и изменяя тем самым форму корпуса. Тот факт, что корпуса у этих пароходов текли еще сильнее, чем у греческих трирем, не имел особого значения, ибо все они были снабжены паровыми помпами.

Во множестве разновидностей фермы присутствуют и в оснастке любого парусного корабля. Весьма вероятно, что парус - тоже египетское изобретение, ибо на Ниле почти весь год ветры дуют против течения и грузовые суда могли подниматься по реке с попутным ветром, а спускаться вниз по течению, как они это делают и сейчас.

Первая задача при сооружении парусного корабля - это воздвигнуть мачту, чтобы поднять на нее парус. Вторая и гораздо более трудная задача - удержать эту мачту в вертикальном положении. Вообще мачты парусного корабля - это обыкновенные столбы или стойки, удерживаемые с разных сторон системой натянутых канатов, которую моряки называют "стоячим такелажем" - вантами и штагами. Если жесткость корпуса позволяет в нужной мере натянуть ванты, то почти всегда такая конструкция оказывается наилучшей. Расчет показывает (мы увидим это в гл. 13), что она имеет наименьший вес и стоимость. Египтяне не делали подобных расчетов; больше того, они о них и не задумывались. Их заботило только то, как найти какой-нибудь способ для поддержки этой новой штуки - паруса - над сделанным из тростника корпусом, чтобы не выбиваться из сил от гребли.

Потратив немало времени на разработку парусного оснащения надувных спасательных лодок, которыми снабжались бомбардировщики[79], я могу посочувствовать древним египтянам, занимавшимся этим делом.

Надувной корпус резиновой лодки почти так же гибок и податлив, как и корпус египетского тростникового судна. Трудно ожидать, что к предмету вроде мокрого мяча или хлипкой вязанки тростника удастся прикрепить туго натянутые канаты. При этих обстоятельствах сама идея стоячего такелажа становится довольно смехотворной. Поэтому египтяне весьма разумно помещали поверх корпуса своей каракатицы нечто вроде треугольника, или фермы А-образной формы (см. рис. 98). Эта конструкция прекрасно работала на Ниле; я завидовал древним египтянам, нашедшим решение проблемы, но, к несчастью, оно не годилось для спасательных лодок. Египтянам не нужно было делать складной оснастки, упаковывать ее в небольшой ящик, который необходимо было еще втиснуть в самолет, и без того набитый сверх всякой меры.

Греческие и римские торговые суда имели уже достаточно прочные и жесткие корпуса, которые могли выдержать создаваемую стоячим такелажем нагрузку. Мачты у них располагались посередине корабля и поддерживались обычными вантами и штагами. Однако даже большие римские корабли редко несли больше одной мачты, на которой кренилась одна длинная рея с большим квадратным парусом. И так продолжалось вплоть до бурного расцвета мореплавания в эпоху Возрождения. Именно тогда стала усложняться оснастка больших кораблей, увеличилось число мачт и парусов. Примерно в это время одиночная мачта была заменена тремя мачтами, называемыми фок-, грот- и бизань-мачтами. Затем мачты стали подрастать в вышину и в дополнение к нижнему квадратному, курсовому, парусу над ним располагались квадратный марсель, затем брамсель и наконец бом-брамсель. (Еще более высокие "небесный" и "лунный" паруса появились много позднее, в разгар эры клиперов.)

Традиционно каждый парус - курсовой, марсель, брамсель и бом-брамсель - крепится на отдельной секции мачты. Над нижней частью мачты идет стеньга, затем брам-стеньга и т. д. Каждая секция мачты делается из отдельного бревна и удерживается в нужном положении сложной и хитроумной системой вант и растяжек. Система устроена таким образом, что при необходимости все верхние части мачты и реи могут быть разобраны и спущены на палубу. Так как самые большие брусья весят по нескольку тонн, требуется не только мастерство, но и немалое присутствие духа, чтобы опускать и поднимать такие громоздкие предметы на качающемся корабле. Большой корабль имел команду примерно из 800 человек, большинство из них могло бы посрамить как верхолазов, так и тренированных атлетов.

Парусные учения британского флота на Средиземном море в 40-х годах прошлого века стали легендой. Адмирал, закончив завтрак, мог подать сигнал: "Всем кораблям сменить стеньги. О затраченном времени и числе несчастных случаев доложить". Очень возможно, что так оно и было. Известно, что парусное снаряжение таких линкоров британского военно-морского флота, как "Марлборо", за считанные минуты могло быть снято вплоть до нижних мачт силами самого экипажа и столь же быстро поставлено снова. Такие учения не были пустой тратой сил. Корабли обычно были снабжены достаточным запасом брусьев, и безопасность в случае аварии или повреждения в бою, как правило, зависела от того, как быстро могут быть заменены поврежденные мачты. С некоторым числом несчастных случаев на учениях и маневрах в мирное время приходилось мириться, так же как мы миримся о несчастными случаями при занятиях верховой ездой и альпинизмом.

Строительная механика, на которой все это зиждилось, в своем роде была совершенной. Она заслуживает внимания и уважения современных инженеров, склонных задирать нос перед предками. Сложность оснастки последних парусных кораблей вы оцените, посмотрев на "Викторию" (рис. 99) или "Катти Сарк". Общая высота грот-мачты "Виктории" была, например, около 67 м. Длина ее главной реи составляла 30 м, но при необходимости ее можно было увеличить до 59 м с помощью выдвижных рей. Весь этот огромный механизм работал, и работал безотказно, годами, в тяжелых условиях бурного моря и ветра, будучи куда как надежнее большинства современных машин.

Рис. 99. Военный корабль "Виктория". Его мачты представляют собой прекрасный пример консольной балочной конструкции очень больших размеров.

Среди всего обилия самых разных типов ферм мачты больших парусных кораблей - одна из самых прекрасных и совершенных конструкций, когда-либо созданных человеком. Ценой значительных усложнений удалось довести вес всей устремленной вверх конструкции до безопасных значений. Но когда около 1870 г. на парусных военных судах были введены тяжелые орудия, устанавливаемые во вращающихся башнях, то оказалось, что сеть вант и других канатов чересчур ограничивает сектор стрельбы. Поэтому некоторые броненосцы, например знаменитый "Кэптэн", имели мачты в форме треноги, что позволяло несколько увеличить сектор обстрела. Если хотите, это было возвратом к египетскому методу сооружения мачт. Однако чрезмерный вес этих конструкций плохо влиял на и без того недостаточную остойчивость таких кораблей. Высокие тяжелые мачты, несомненно, сыграли свою роль, когда штормовой ночью в Бискайском заливе перевернулся шедший под парусами "Кэптэн". Погибло почти пятьсот человек экипажа.