Райнер Кёте - Мосты
Какие существуют формы мостов?
Сама природа создала три основные формы мостов, и первые мостостроители, возможно, лишь следовали ее подсказке. Самый простой мост — балочный. В примитивной форме это просто переброшенное через ручей бревно. Правда, составленная из брусьев балка или длинная каменная плита не позволяла сделать пролет — так называется расстояние между двумя опорами, или точками, на которые опирается балка, — большим, так как чем балка длиннее, тем скорее под тяжестью груза или собственного веса она могла прогнуться, а затем и рухнуть. Конечно, балки можно было подпереть несколькими сваями, стоящими одна подле другой, но это было бы слишком трудоемким и дорогим решением.
Балочные мосты стало выгодно строить лишь несколько десятилетий назад, благодаря использованию новых, очень прочных материалов — стали и железобетона. А на протяжении столетий люди пользовались двумя другими типами мостов. Пешеходная и проезжая часть либо опиралась на своды каменной кладки — такие мосты назывались арочными, либо подвешивалась на канатах или тросах — тогда получался висячий мост.
Азы мостостроения. Вверху показаны основные формы мостов, стрелками помечено распределение усилий. Внизу приведены важнейшие специальные понятия мостостроения
Висячие мосты стали строить позже, чем арочные. В тропических странах есть растения с длинными и прочными волокнами, например лианы. Иногда такие растения свисают прямо над потоком, как бы образуя естественные мосты. Вот почему люди, жившие в тех краях, научились перебираться на другой берег реки или ущелья с помощью канатов, скрученных из растительных волокон или сыромятной кожи, то есть делать висячие мосты. Самые простые из них были устроены так: два параллельно натянутых толстых каната, по которым передвигались путники, и два более тонких, натянутых повыше и служивших своего рода перилами. Такие мосты перебрасывали, к примеру, через глубокие пропасти в отдельных высокогорных районах Гималаев и в стране инков в Перу. Даже вьючные животные с тяжелой поклажей балансировали над бездной на таких качающихся мостах, длина которых порой достигала 60 м. В Гималаях можно встретить более совершенную форму висячего моста, у которого настил из дощечек или стволов бамбука положен на два параллельных каната. Но такой настил все равно провисает. А вот у современных висячих мостов этот настил расположен горизонтально, и по нему можно даже проехать. Он подвешен на прочнейших стальных канатах к толстому стальному тросу, который подпирают высокие столбы — пилоны.
Что такое арочный мост?
Естественный арочный мост высотой 34 м через р. Ардеш на юге Франции. Вероятно, некогда это был вход в обрушившуюся пещеру
Образец более прочного, арочного моста тоже существует в самой природе — это проемы в скалах. Они образуются в местах, где река прокладывает себе дорогу под слоем особо прочной породы. Прилегающие части скалы постепенно разрушаются под воздействием воды. Такой естественный арочный мост возвышается на юге Франции над рекой Ардеш, в 60 км от города Ним. Ширина этой скальной арки составляет 59 м, а высота — 34 м, что равно высоте 10-этажного дома. Еще шумеры и египтяне около 5000 лет тому назад возводили арочные своды из кирпича. Арка долгое время была единственной возможностью создать из камня мост со сравнительно длинным пролетом. Объясняется это тем, что камни выдерживают большие силы давления, или сжимающие усилия, а сравнительно небольшие растягивающие усилия для камня разрушительны.
Консольная арка устойчива в каждой фазе строительства, традиционная арка — только после установления замкового, или ключевого, камня
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.
По мосту, положенному на заякоренные корабли, составленные борт к борту, войско персидского царя Дария пересекло Босфор
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».
