Как распределяются эти силы в балке, хорошо видно на модели, сделанной из толстого бруска пенопласта. На его продольной боковой стороне нужно провести фломастером на одинаковом расстоянии друг от друга несколько вертикальных линий. Этот брусок кладут поверх двух книжных стопок наподобие моста. Сверху на середину этого миниатюрного моста надо положить еще одну книгу, имитирующую груз. Теперь, наблюдая за линиями, можно определить действие сил в бруске пенопласта. На верхней стороне бруска расстояния между линиями сократились — верхние слои сжались, это действие сжимающего усилия. Зато нижние, напротив, раздвинулись — тут действуют силы, растягивающие пенопласт, это растягивающее усилие. Растягивающие усилия, действующие в нижней плоскости нагруженной каменной балки, приводят к образованию на ней трещин, а потом к их расширению, в результате мост может рухнуть. Однако если сложить обтесанные камни слоями и таким образом, чтобы они образовали арку, то тогда они будут опираться друг на друга, подвергаясь при этом только сжимающим, но не растягивающим усилиям.
Предполагают, что первые каменные арки применялись при строительстве крыш и проемов ворот. Обтесанные камни укладывали с двух сторон по направлению друг к другу так, чтобы верхний камень несколько нависал над нижним, но при этом не падал. Все сооружение сохраняет устойчивость благодаря тому, что нижние камни подвергаются в ходе укладки все большему давлению верхних. Под конец эти выступающие камни сходятся, образуя арку. От таких консольных конструкций, сложенных из горизонтальных слоев, традиционная арка отличается тем, что стыки или швы ее клинообразно обтесанных камней сориентированы на общий центр. При строительстве такой арки нужно всегда пользоваться кружалами — опорной дугой, сделанной обычно из досок, реже из металла, по которой выкладывается свод. Во время строительства она принимает на себя тяжесть камней и может быть убрана только после установки ключевого камня в самой верхней точке свода арки. Только тогда строение приобретает устойчивость. При этом два нижних камня, или так называемые пяты, и опоры арки несут на себе общий вес всего сооружения. При такой конструкции каждый камень зажат между двумя соседними и не может, разболтавшись, просто вывалиться из арки.
Почему по мосту нельзя идти в ногу?
Раньше строители, планируя конструкцию будущего моста, могли полагаться только на собственный опыт и интуицию. Последние лет двести инженеры стараются с помощью все более изощренных методов заранее рассчитать свойства задуманного моста, чтобы сделать его более элегантным, дешевым и надежным. В эти расчеты входит не только определение прочности материалов и тяжести, которую может выдержать этот мост, или так называемой несущей способности, но и силы, с которой воздействуют на мост ураганные ветры или водные потоки.
Большая опасность возникает и в том случае, если мост начинает раскачиваться. Простой пример: если осторожно идти по длинной, закрепленной лишь на концах деревянной доске, она прогибается, но не обязательно ломается. Однако если попасть в ритм, который совпадает с ее собственными колебаниями, то они нарастают очень быстро (эффект резонанса), и доска может переломиться. Бывали случаи, когда мост обрушивался из-за того, что колонна солдат маршировала по нему в ногу. Происходило это потому, что ритм шагов случайно совпадал с собственными колебаниями моста. Поэтому, прежде чем колонна вступала на мост, обычно отдавалась команда: «Сбить ногу!» Опасность подобного разрушительного эффекта есть и на железнодорожных мостах, которые начинают колебаться под воздействием вагонных колес, вращающихся с определенной скоростью. Но сегодня строители уже научились сводить эту опасность к минимуму.
Мосты из дерева и камня
Что такое наплавной, или понтонный, мост?
В 490 г. до н. э. в Марафоне, находившемся неподалеку от древнегреческой столицы Афины, произошла знаменитая битва. После продолжительных войн грекам удалось наконец одержать победу над персами, войско которых возглавлял царь Дарий из династии Ахеменидов.
На это время приходится первое в истории упоминание о примечательном техническом достижении. В 493 г. до н. э. персидский царь Дарий совершил поход против скифов, переправив свою армию через Босфор в самом узком месте пролива, где ширина была 700 м. Сделал он это по первому наплавному мосту: деревянный настил был положен на заякоренные корабли, скрепленные борт к борту. Меньше повезло персидскому царю Ксерксу, который 13 лет спустя вознамерился переправиться таким же способом через другой пролив — Геллеспонт (ныне Дарданеллы). Налетевший внезапно ураган разметал корабли и разрушил почти готовый мост. Разгневанный Ксеркс приказал обезглавить строителей и наказать море — высечь его! Был построен второй мост из 700 кораблей, связанных канатами и поставленных на тяжелые якоря. Проезжая часть была из брусьев, покрытых утрамбованной землей, и с барьером по бокам, чтобы пугливые лошади не свалились в воду. Предполагают, что по этому мосту переправилось огромное войско — 700 000 конных и пеших воинов, но, несмотря на это, Ксеркс все же потерпел поражение в сражении с греками. Многие военачальники использовали мосты, укрепленные на кораблях или понтонах — простых плавающих ящиках, чтобы быстро переправить большое войско через водную преграду. Карфагенский полководец Ганнибал пересек таким образом Рону, Александр Македонский — азиатскую реку Оксу, а римский император Калигула приказал навести понтонный мост в Неаполитанском заливе, только чтобы похвастать, что он-де «проскакал на коне по морю».
Наплавные, или понтонные, мосты строили и для мирных целей, если не хватает средств для возведения постоянной прочной переправы. Так в начале прошлого века возникли мосты через Рейн возле Карлсруэ, Шпейера и Кёльна, использовавшиеся даже для железнодорожным транспорта. Однако такие мосты пригодилось регулярно разводить, чтобы пропускать идущие по реке суда, они так страдали от сильных паводков и ледоходов и в конце концов были замене постоянными мостами.
Как Юлий Цезарь форсировал Рейн?
Пожалуй, самым знаменитым мостом, сооруженным для военных целей, был, деревянный мост, построенный по приказу Юлия Цезаря в 55 г. до н. э. через Рейн. Благодаря подробному описанию его книге «Галльская война» мы можем составить себе точное представление о этом техническом шедевре. Где именно на Рейне был построен этот мост, велись долгие споры. Наиболее вероятным считают место на 11 км ниже Бонна. Глубина реки здесь достигает 6 м, а ширина около 400 м.
