Арки Колизея, купол Пантеона и ... локтевые желоба водяной мельницы в Барбегале? Римская архитектура известна своей элегантностью и изобретательностью. Любопытный артефакт, собранный по частям в подвале музея, показал, как римское проектирование смогло повысить эффективность древнего производственного комплекса, построенного для практической работы, а не просто для впечатления.

Комплекс водяных мельниц 2-го века в Барбегале, юг Франции, не являлся возвышающимся памятником, внушающим трепет простым смертным. Но сооружение и не представляло из себя заурядную мельницу. Это была самая грозная концентрация механической силы, которая когда-либо существовала в древнем мире. Массив из 16 водяных колес, способных ежедневно перемалывать около 55 000 фунтов муки (прим. около 25 000 кг).

Чтобы такой массив эффективно работал, тысячи лет назад потребовалось тщательное проектирование. А в наши дни, когда комплекс мельниц давно превратился в руины, потребовалась международная группа экспертов в области археологии, геологии и гидродинамики, чтобы собрать воедино ключи к системе деревянных желобов, которые когда-то эффективно направляли воду через комплекс. Ключевым компонентом, обнаруженным учеными, являлся водосточный желоб, имеющий необычную форму и уникальную конструкцию: локтевой желоб.

Эффективная инженерия

Максимизация эффективности комплекса водяных мельниц в Барбегале могла бы стать для римлян хитроумной головоломкой, потому что созданная ими система была и так очень продуманной. Серия акведуков доставляла воду из ближайшей реки к вершине холма, на котором был построен мельничный комплекс. Затем вода стекала по водяным колесам, расположенным в два ряда по восемь штук и идущим параллельно вниз по склону. Сами водяные колеса были вставлены в бассейны, высеченные в скале.

«Это особенная мельница», — говорит Кес Пасшир. Он является ведущим автором исследования, а также почетным профессором структурной геологии и тектоники в Майнцском университете в Германии. «Это единственный известный нам пример римского многомельничного сооружения. Обычно встречаются только маленькие мельницы».

Обычная мельница имеет единственный резервуар. Вода из резервуара течет по каналу к водяному колесу, расположенному ниже по потоку. Глубиной воды в резервуаре легко управлять с помощью плотины и шлюзового затвора. Это означает, что поток воды уже находится под полным контролем до того, как он попадет в канал, а сам канал может быть простым прямым желобом, направляющим воду к колесу.

Но в многоярусном комплексе в Барбегале не было единого резервуара. Вместо этого использовались вырезанные ряды бассейнов, выстроенные в линию, идущую вниз по склону. Бассейны служили двум целям: принимать воду, падающую с одного колеса, и одновременно быть источником воды для следующего колеса. По сравнению с одиночным резервуаром, глубину воды в этих бассейнах труднее контролировать. Пасшир и его коллеги считают, что локтевой желоб тщательно продуманной формы — прямой желоб длиной примерно семь футов (прим. около 2 м), загнутый вверх на одном конце, как кончик хоккейной клюшки - был разработан для решения именно этой уникальной задачи.

«Такие формы не известны ни в современных, ни в средневековых мельницах» — сообщает Пасшир.

Реконструкция мельницы

Увы, сами мельницы в Барбегале не дали ученым никакой новой информации. От всего производственного комплекса остался только скелет. Деревянные водяные колеса и другие механизмы давно сгнили, забрав с собой тайну внутренней работы мельниц. Но ключи к разгадке системы остались, потому что богатая минералами вода в этом районе кое-что сохранила: карбонат кальция, давний союзник археологов.

«Даже несмотря на то, что сама древесина была полностью разрушена, потому что это органический материал, минеральные отложения — по сути, твердые керамические - остались», — говорит Джон Ламбропулос, профессор машиностроения в Рочестерском университете, не участвовавший в исследовании.

С годами эти карбонатные отложения (прим. отложения на деталях мельницы, контактировавших с водой) превратились в камнеподобную корку, образовавшуюся в каменных бассейнах и сформированную на деревянных механизмах. Когда в 1930-х годах мельничный комплекс был впервые раскопан, некоторые из этих карбонатных отложений помогли исследователям сделать выводы о внутреннем устройстве, например о размерах и размещении водяных колес. Но многие карбонатные образцы представляли собой не более чем фрагменты, расколотые за прошедшие столетия. К счастью, даже они были спасены — покорно вывезены и доставлены в археологический музей в ближайшем городе Арле.

«80 лет эти фрагменты хранились где-то в гигантском подвале музея», — сообщает Пасшир. Несмотря на то, что они были сломаны, карбонатные фрагменты все еще содержали ключ к формам деревянных механизмов, на которых они сформировались. Пасшир и его коллеги очистили и организовали фрагменты. «Мы обнаружили, что некоторые фрагменты, совмещенные вместе, образовывали изогнутую форму. И это явно была часть водосточного желоба».

Чтобы понять, как этот странный желоб вписывался в общую конструкцию комплекса, исследовательская группа изучила структуру карбонатных слоев, предоставляющую информацию о том, как текла вода, а также размеры фрагментов и самого комплекса. Ученые смоделировали различные варианты, рассчитав, как вода могла протекать через мельницу, и пришли к выводу, что локтевой желоб использовался для направления воды из бассейна в основании одного водяного колеса к вершине следующего нижнего водяного колеса. 

Но с колеблющейся глубиной воды в нескольких бассейнах сооружения простого направления воды было недостаточно — желоба в Барбегале необходимы для регулирования потока. По словам Пасшира, желоба должны быть крутыми, чтобы вода достигала большой скорости при падении из бассейна. Но в то же время они должны быть пологими, чтобы вода падала на колесо под правильным углом.

«У вас не может быть крутого и пологого желоба одновременно, поэтому решение — сделайте его изогнутым».

Сделайте его изогнутым

Резкое падение около того места, где вода выходила из бассейна, обеспечивало ускорение для потока. Затем изгиб в форме локтя регулировал его, вода двигалась почти горизонтально по более длинной части желоба, пока не достигала следующего колеса. 

Это был простой и элегантный ответ на сложную дизайнерскую головоломку. По словам Хьюберта Шансона, старшего профессора гидротехники в Квинслендском университете в Австралии, это говорит о том, что древние римляне лучше разбирались в механике жидкостей и гидротехнике, чем иногда предполагают ученые.

«[Пасшир и его коллеги] в основном выдвигают идею о том, что римляне на самом деле имели некоторое понимание того, как улучшить свою эффективность в общем», — говорит Шансон. Он просмотрел ранний вариант рукописи о локтевом желобе, но в остальном не участвовал в исследовании.

В наши дни открытие локтевого желоба вряд ли окажет большое влияние на текущее управление водными ресурсами — за последние два тысячелетия технологии вышли далеко за рамки мельниц в Барбегале. Но по словам Пасшира, обнаружение утерянных технологий имеет смысл. 

«[Локтевой желоб] не изменит нашего взгляда на мир, но в археологии могут быть и другие вещи, которые могут помочь нам найти некоторые простые решения наших проблем«, — говорит Пасшир. «Это показывает, что и в древности люди были творческими. У них имелась проблема, и им пришлось найти креативной решение».

Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.