Томас Дерри
Краткая история технологий. Идеи, процессы и устройства, при помощи которых человек изменяет окружающую среду с древности до наших дней
Что касается новых техник орнамента, то в Европе в конце микенского периода появились первые образцы изделий с эмалью, когда расплавленным стекловидным веществом покрывалась металлическая подложка; в такой технике сделаны золотые кольца, найденные на Кипре. Они выполнялись оплавлением крошечных кусочков разбитого стекла, выложенных по кругу внутри круглых перегородок (клуазонов) из золота. Подобные небольшие фрагменты эмали наносили греки с VI или V века, а позже – кельты. Следует упомянуть знаменитые греческие статуи, покрытые золотом и слоновой костью, – Афина в Парфеноне и Зевс Олимпийский. Слоновая кость имитировала тело, драпировки из листов кованого золота снимались. В III веке до н. э. в технике репуссе украшались бронзовые пластины, положенные на каменные колонны для создания 40-метрового образа бога солнца, известного как Колосс Родосский. Греки мастерски отливали крупные бронзовые статуи в глиняных формах, готовые части статуи соединялись и склепывались.
О монетах, появившихся примерно в то же время, но независимо друг от друга в Дальневосточном регионе и на Ближнем Востоке, греческие купцы Малой Азии узнали от лидийских царей, по приказу которых ставили клеймо в виде головы льва на слитках электрума, имеющих стандартный вес и пробу. Согласно преданию, жители материковой Греции впервые отчеканили серебряные монеты вскоре после 700 года до н. э. в Эгине, где на куски серебра заданной массы ставилось клеймо в виде черепахи. Рисунок штемпеля для чеканки монет в зеркальном отображении наносился молотом и инструментами для резьбы на куске бронзы или железа на наковальне. Но за столетие поняли, что следует чеканить обе стороны монеты. Гладкие диски для чеканки отливались в мелкие углубления формы из обожженной глины или камня. Тем не менее удивительно, что традиции штампования и чеканки, в отличие от более сложных технологий металлообработки, не пережили падения Римской империи на Западе, предпосылки к которому появились еще в III веке из-за снижения металлургического производства.
Металлообработка в Средневековье
О рудодобыче в Темные века не известно практически ничего. Мы не знаем, отливались ли монеты во времена англосаксонской монархии и монархии Каролингов из старого металла или из вновь добытого. В эпоху Карла Великого крупные испанские рудники перешли в руки мавров; поначалу уровень добычи снизился, но мавры научились обрабатывать сульфидно-медные руды, из которых получали сульфат меди путем окисления. Когда сульфат растворяли в воде и переливали через железо, чистая медь выпадала в осадок. Из-за отделения Испании от средиземноморского христианского мира центр европейской добычи переместился в саксонские шахты в Центральной Европе. Саксонские шахтеры работали в горах Гарц до 1000 года, в Фрейберге – примерно в 1170 году, а в следующем столетии – в Венгрии.
По счастливой случайности методы горнодобычи позднего Средневековья аккуратно записал сторонний опытный наблюдатель. Им оказался врач Георг Бауэр (Агрикола) – саксонец, изучавший медицину в Италии, но практиковавшийся в богемском горнодобывающем районе Иоахимсталь. В свое время район славился серебром, найденным там в 1516 году в таком изобилии, что долина дала название серебряному талеру – эпониму современного доллара. Так как район давно славился добычей основных металлов (позже ураном), двенадцать книг «О горном деле и металлургии», опубликованные в 1556 году, – отличное руководство по методам добычи в позднее Средневековье.
Агрикола сообщает, что секция шахтного ствола обычно составляла примерно 3 метра на чуть более 30 сантиметров. Из его прекрасных иллюстраций оборудования видно, что оно не очень отличалось от оборудования прежних периодов, за исключением вагонетки для работы в выемке. Он считал лебедку обычным средством буксировки руды наверх по стволу и упоминал применение зубчатых передач и лошадей для больших нагрузок (рис. 44). Он знал о проблемах вентиляции шахт и опасных условиях работы, в которых «гасились горящие лампы», и о разработках, заброшенных из-за ядовитой «дымки» или плохого воздуха; он сообщал об использовании вращающихся лопастей и воздуходувных мехах. Очевидно, водяное колесо служило обычным источником энергии (рис. 45).
Наибольший интерес вызывает детальное изучение Агриколой проблемы шахтных вод, уровень которых вырос, особенно в Саксонии в предшествующем веке. Он упоминает как о «седьмом типе насоса, изобретенном десять лет назад» о трех последовательно расположенных всасывающих насосах, по очереди откачивающих воду; у каждого имеется поршневой шток, управляемый одним водяным колесом диаметром около 5 метров. Поскольку максимальная глубина выкачивания воды насосом была около 10 метров, применяли цепной насос, изобретенный давным-давно, ибо Агрикола описал шесть его разновидностей. Круглые ковши через интервалы закреплялись на цепи, при входе в ствол каждый ковш действовал как односторонний поршень, поднимая воду перед собой. Агрикола указывает на три таких насоса в Хемнице, в Карпатах; для выкачивания воды с глубины 200 метров использовали 96 лошадей. «Эти лошади спускаются к механизмам по наклонной плоскости с поперечным уклоном, которая извивается, как винт, и постепенно снижается». Такие сложные ухищрения свидетельствуют о том, что к концу Средневековья рудодобыча стала высокорентабельной отраслью. Кроме того, среди шахтеров были специалисты, знающие, как разрабатывать и эксплуатировать сложную технику.
Рис. 44. Использование лошадей в горнодобывающей промышленности. Агрикола, 1556 г.
Рис. 45. Наливное колесо для подъема воды из шахт. Агрикола, 1556 г.
В металлообработке, в отличие от добычи металлических руд, упадок наблюдался до краха Римской империи на Западе и продолжался в Темные века. Создается впечатление, что в основном обрабатывали железо: никакая тьма не избавит от необходимости производить инструменты и оружие. Навыки, которые практиковали в Римской Галлии, сохранились во Франции в эпоху Меровингов; в Западной Европе работали сирийские специалисты, а в VIII веке появились книги с описанием византийских методов. С огромным мастерством ковались мечи, украшались их рукояти и ножны. Самое замечательное изделие того времени – меч, сделанный по методу узорной сварки из полос железного прута толщиной около одной сотой дюйма и длиной одна восьмая дюйма; прутья извивались во всех направлениях и проходили по всей длине лезвия, образуя на поверхности червеобразные отметины. Такая сварка требовала большого мастерства; изделия бургундских и франкских кузнецов покупали даже арабы.
Начиная с возрождения западного христианского мира при Карле Великом металлы получили более широкое применение. Во-первых, строили церковные органы с трубами из меди или бронзы. Об органе хорошо знали в Древнем мире: проблема равномерного притока воздуха при помощи механических устройств привлекала внимание обоих выдающихся александрийских изобретателей – Ктесибиуса и Герона. Орган играл во время церковных служб в Константинополе в IV веке; а святой Иероним говорил об иерусалимском органе с накопителем воздуха из шкур двух слонов, орган был слышен за версту. Франки получили свой первый орган в подарок от византийского императора в 757 году, а к X веку органы распространились по Англии, Франции и Германии: святой Дунстан, например, установил два органа; один из них, в соборе Винчестера, имел 400 бронзовых труб и 26 мехов. Сначала трубы управлялись тяговыми стержнями; клавиатура появилась в соборе Магдебурга до 1100 года, педали – в конце Средневековья. Во времена Сэмюэла Пипса, жаждущего купить орган, в частных домах нередко были маленькие органы.
Отливка бронзовых церковных колоколов началась в VIII веке, их предшественники делались из листового железа, как небольшой римский настольный колокол. Вероятно, сначала для отливки применяли литой воск. Позже колокол отливался между сердцевиной и наружной крышкой литейной формы; первая закрывалась, а вторая выстилалась тщательно высушенной жирной глиной, смешанной с конским волосом и навозом. В XI веке колокол весом 1200 килограммов, в Орлеане, считался огромным, однако размеры литейной формы увеличились. Появились так называемые «колокольные поля» для отливки у больших церквей. Научившись отливать колокола, приступили к отливке пушек (рис. 46).
Рис. 46. Литейный цех для литья бронзовых пушек, работающий на энергии ступального колеса. XVI в.
Между тем современники Карла Великого поняли важность брони во время сражения, особенно для наездников. Немногие германские народы, завоевавшие Западную Римскую империю, изначально переняли доспехи и методы их создания у римлян, которые в основном сохранялись в Византийской империи: кольчуга – броня из переплетенных колец – пришла с Востока. Средневековый кузнец был прежде всего оружейных дел мастером, который экипировал феодального рыцаря кольчугой весом до 5 килограммов. Кольца из железной проволоки склепывались вместе, формируя кольчугу, закрывающую ноги, руки и даже голову (рис. 47); в XII веке голову почти полностью закрывал стальной шлем (открытыми оставляли глаза и нос). В XIV веке кольчугу сменили пластинчатые доспехи. Мастерство кузнеца оценивалось по отделке и инкрустации, но более всего по прочности сочленения пластин доспехов (рис. 48).
Рис. 47. Кольчуга с изображения Аймера де Валснса (ум. 1324) и Вестминстерском аббатстве
Ключевое событие времен Средневековья – постепенное заселение крупных восточных регионов Центральной Европы, где немцы и другие поселенцы развивали не только рудодобычу, но и металлообработку. Больше всего внимания уделяли руде, содержащей серебро. Но помимо добычи тугоплавких железных руд Штирии и Каринтии важные изменения коснулись добычи меди в Саксонии и Швеции, свинца, добываемого примерно в одинаковых объемах в Центральной Европе и Англии, олова Корниша и, наконец, цинка. Выплавка и купелирование чаще всего производились по старинке, а новые разработки главным образом внедрялись в железной металлургии.
Железо выплавляли старыми методами на протяжении всего Средневековья, часто на склоне холмов, где обеспечивалась хорошая естественная тяга. Выплавка шла в каталонских и довольно простых корсиканских печах, а также в кричных печах (нем. Stuckofen, Stuck – крич, кусок; Ofen – печь) римского происхождения в Штирии и Рейнской области. Высота кричной печи составляла 10 или более футов; в ней руда непрерывно преобразовывалась под действием древесного угля. Во время ковки применяли молоты с водяным приводом, а в XIV веке появилась толчея с водяным приводом – для измельчения руды. Поскольку для работы мехов крупных печей требовалась гидроэнергия, индустрия перемещалась от районов добычи поближе к быстрым рекам – изменение, препятствовавшее использованию каменного угля в кузницах. Очень много каменного угля использовали в Льеже до 1200 года; в позднее Средневековье на каменном угле работали чугуноплавильни и кузницы в Англии и других странах Западной Европы, но как топливо каменный уголь всегда использовался реже древесного. В XIIIXV веках научились отливать чугун благодаря более высокой температуре в печи и производству железа с относительно высоким содержанием углерода: чугун «вступил в свои права» с развитием артиллерии. Процессы экстракции оставались очень неэффективными, из руды редко извлекалась половина объема железа. Между тем начиная с VIII века сталь особенно успешно выплавляли (главным образом за счет науглероживания) в Штирии и Каринтии, откуда продукция продавалась в Турцию и Англию.
Рис. 48. Оружейный цех начала XV в.; показаны некоторая продукция и рабочие инструменты
Средневековые железные орудия для земледельцев и ремесленников и оружие для солдат обычно делались по старинке. Лучшие мечи, например, в свое время ковались на севере Италии, и это мастерство распространилось оттуда в Золинген в долине Рейна в результате итальянских войн Фридриха Барбароссы. А вот косы делались в Штирии; железные иглы (поначалу с крючком, а затем с ушком) впервые сделали в Южной Германии, где в XIV веке на гидроэнергии изготавливали железную проволоку фильерным способом. Гвозди изготавливал специальный мастер (рис. 49). Слесарь-инструментальщик производил более сложное оборудование для каменщика и плотника, в частности сверла и коловороты. Средневековое оружие делали кузнецы в кузницах, из-за высокой стоимости дальних перевозок они имитировали изделия друг друга и конкурировали между собой.
Искусство сложной металлообработки греков и римлян сохранялось в эпоху образования варварских государств-преемников на Западе, о чем убедительно свидетельствуют сокровища закопанного в землю корабля середины VII века в Саттон-Ху, Суффолк. Среди них подвесные чаши с эмалью; кошелек из золота, слоновой кости и граната – величайшая драгоценность того времени; гранаты в золотой оправе, выполненные с таким мастерством, что даже на дне каждой ячейки оправы выложена узорная золотая фольга для усиления блеска камней; не менее десяти круглых чаш диаметром около 20 сантиметров, сделанных за счет вращения на токарном станке листового серебра, прибитого гвоздями к основе из куска дерева. Искусство инкрустации имеет давнюю историю, начиная с инкрустированного меча Хильдерика V века, эмалированных пластин на короне императора Конрада II в 1027 году и заканчивая бронзовыми дверями, инкрустированными серебром, в больших средневековых соборах Германии и Италии.
У найденных изделий эмаль нанесена не только по принципу клуазоне (фр. cloisonne – перегородчатая эмаль); участок под эмаль делался вогнутым, резным и даже дополнительно раскрашивался эмалью, хотя последний метод стали применять к концу XV века. Лучший пример раннего мастерства – превосходная чаша Арда с эмалированным основанием серебряных выступов и эмалированными панелями на ножке, но самое знаменитое произведение – «драгоценность Альфреда». Эмалью в основном покрывали церковные сокровища для придания им солидности; подобная практика применялась сначала в мастерских при монастырях; особенно изысканные изделия создавались в Лиможе и долинах Рейна и Мааса. Позже изделия из позолоченной меди выпускались на резервных заводах мастерами, которые, как и литейщики колоколов, мигрировали из одного региона в другой, стимулируя спрос предложением.
Рис. 49. Немецкий изготовитель гвоздей. Конец XV в.
Рис. 50. Позолоченный бронзовый подсвечник из церкви Святого Петра. Глостер, начато XII в.
Литье золота и бронзы непрерывно продолжалось с римского периода. Литейные формы эпохи викингов, найденные на Оркнейских островах, представляют собой два глиняных оттиска деревянной модели меча; после долгого обжига их погружали в литейную яму для заполнения расплавленной бронзой. В начале XII века с использованием литейного воска с помощью одной формы отлили бронзовый подсвечник Глостер высотой 50 сантиметров с очень сложной резьбой, чеканкой и золочением (рис. 50). Впоследствии возникла проблема обработки расплавленного металла в нужном количестве. Говорят, ювелир, отливший бронзовые болванки статуй английского короля Генриха III и его невестки Элеоноры Кастильской, толщиной 10 сантиметров, обращался за помощью к литейщикам колоколов. Спустя столетие спрос на изделия из литого металла заставил перейти на современный метод литья в песчаные формы и с помощью соединенных ящичных форм. Как и многие изобретения, внедрение данного метода отсрочилось из-за непостоянного производства – литейщик переезжал с места на место и не хотел таскать на себе литейные формы.
Грубая чеканка монет раннего Средневековья – свидетельство остановки преемственности мастерства тонкой гравировки императорского Рима. В 850 году чеканить золотые монеты в Западной Европе перестали, и, хотя по-прежнему расплачивались серебряными фунтами, серебряные пенни остались в обращении единственной западной монетой. Клише производили на местных монетных дворах в основном неквалифицированные работники (рис. 51); и клише, и тиснение формировались ударным способом, диапазон форм был ограничен. На монете чеканился невыразительный, легко сминаемый рельеф; чтобы не пробить монету насквозь, на многих крупных тонких монетах чеканили только одну сторону. В XIII веке любовь к геральдике и демонстрации богатства вынудила мастеров совершенствовать свое искусство, а увеличение поставок серебра позволило чеканить больше монет; к середине XIV века все богатые государства чеканили золотые монеты, подражая Флоренции, которая выпустила первый флорин в 1252 году. Но гравировка клише вернулась только в эпоху итальянского Возрождения.
Рис. 51. Чеканка монет. С норманнского резного изображения XII в.
Черная смерть (1348–1350) спровоцировала дефицит рабочей силы, кризис заработной платы и рост цен, что ускорило спад производства металлов, который продлился до середины следующего века. Столетняя война 1337–1453 годов сильнее усугубила ситуацию, по крайней мере во Франции, и привела к истощению наиболее легкодоступных шахт. Но именно в этот период металлообработка стала максимально значимой и сохраняла позиции вплоть до изобретения огнестрельного оружия. Помимо уже упомянутой брони кузнец изготавливал средневековым рыцарям высококачественные мечи. Значительный вклад индустрии металлообработки в старинное военное искусство – появление в 1370 году стального арбалета, чрезвычайно мощного оружия с механическим натяжителем. Пистолет не мог вытеснить арбалет с поля боя примерно 100 лет, с арбалетом охотились даже в начале XVII века.
Рис. 52. Пушка XIV в.
Описание средневековой металлургии завершим рассказом об изобретении пушки, которая широко применялась со второй четверти XIV века. Ее непосредственным предшественником вполне могло быть железное ведро с небольшим отверстием в днище, использовавшееся маврами, возможно, уже в 1250 году для придания ускорения груде камней взрывом заряда из 0,5–1 килограмма пороха. Поначалу пушки были очень небольшими, весом всего 18–20 килограммов, но примерно в середине века их стали отливать из бронзы, а также из меди или латуни. Потом появились железные кованые пушки, какие Ричард II приобрел для лондонского Тауэра, они могли весить целых 300 килограммов; их делали из железных прутьев, выложенных вдоль болванки-сердцевины и соединенных вместе ковкой: после удаления болванки ствол закрепляли железными обручами (рис. 52). В начале XV века железные пушки отливали в форме – нововведение пришло из Западной Германии с появлением высокотемпературных печей. Стало понятно, что феодальное рыцарство и каменные замки обречены; современное государство, опирающееся на артиллерию (не говоря уже о пистолетах), стремилось развивать металлургию.
Рост спроса на металлы в 1500–1750 годах
В начале современной истории в металлургии мало что изменилось. Наоборот, рост капитала стимулировал массово применять уже известные методы. Рассмотрим ситуацию в Германии в XVI веке. В стране увеличились поставки серебра из-за масштабной ликвации медных руд, практиковавшейся римлянами. В глубоких шахтах работали на гидроэнергии, применяя наземную систему шатунов от колес в нижележащей долине. Кроме того, немцы распространили свои технические навыки в другие регионы Европы: в царствование Елизаветы I они добывали и переплавляли медь в Кесвике, поэтому до начала гражданской войны в горах английского Лейк-Дистрикта работало 4 тысячи иностранцев; в 1623 году они начали масштабную добычу серебра в Конгсберге – отдаленной дикой местности Норвегии. В Новом Свете также работали по старинке, как, например, после обнаружения ртути в Перу примерно в 1550 году, что способствовало экстракции серебра амальгамацией. Появилось много описательной литературы. Раньше знаменитой книги Агриколы «О горном деле и металлургии», опубликованной после его смерти в 1556 году, вышла «Пиротехния» итальянца Бирингуччо, вслед за которой, менее чем через 20 лет, появилась книга немецкого металлурга Лазаря Эркера «Трактат о рудах и анализе» с более подробным описанием принципов определения металла в руде. Однако о железе в этих книгах говорилось мало. Только в 1722 году процессы обработки железа подробно описал Реомюр в работе «Искусство превращения кузнечного железа в сталь и искусство отжига железа».
В этот период чаще применялись не слишком распространенные металлы. Приготовление полуметалла мышьяка впервые подробно описали в 1641 году, хотя египтяне делали мышьяковую бронзу; мышьяк вместе с медью и оловом использовали для изготовления металлических зеркал. Сурьма легко выплавлялась из антимонита – ее основной руды – и была хорошо известна в Древнем мире; она часто присутствовала в бронзе, но ее долго путали со свинцом. Висмут вошел в состав сплавов для печатных шрифтов до 1500 года.
Свинец широко применялся не только в строительстве, как прежде, но и для изготовления дроби (часто в сплаве с мышьяком), а после 1670 года для обшивки судов, где оказывал нежелательный эффект – из-за него корродировали железные рулевые крепления, как впоследствии из-за меди. Олово часто использовали при производстве различных мелких изделий, а также при лужении листового железа для получения жести, которую впервые сделали немцы; с переменным успехом ее имитировали во Франции во времена Кольбера. В начале XVIII века она производилась в Понтипуле прокаткой раскаленного полосового железа различной толщины; из жести в основном делали пищевые контейнеры и корабельную посуду. Британцы лудили железо так: они замачивали листы железа в растворе хлористого аммония (нашатыря), затем ставили их в смесь отрубей и воды, потом листы погружали в расплавленное олово (покрытое пленкой китового жира или сала против окисления поверхности), окончательные неровности удаляли холодной прокаткой. Из расплавленного свинца или олова формовали литые листы, пропуская расплав по песчаной подушке; но в XVII веке производство равномерного листового свинца стало дешевле – его пропускали через прокатный стан. Из золота чеканили монеты или, например, делали сусальное золото, но в основном драгоценные металлы входили в сплавы.
Оловянно-свинцовый сплав использовался для пайки, но больше ценился певтер – сплав с максимальным содержанием олова, с примесью латуни и висмута. Такой сплав легко отливался в глиняные или песчаные формы, далее изделие из сплава дорабатывалось молотом. Из-за простоты процесса литья первые печатные шрифты отливались из певтера в формы из мягкого камня или металла.
На протяжении всего Средневековья и эпохи Возрождения латунь производилась в тиглях, содержащих каламин, древесный уголь и медный лом, нагреваемых конической подземной печью. Цинк для сплавов с медью и получения латуни импортировали из Дальневосточного региона, в основном голландцы, или собирали как побочный продукт из печей, где переплавлялись серебро и свинцовые руды. Прошло удивительно много времени, прежде чем цинк признали существенной составляющей каламина. В XVI веке Парацельс называл цинк гибридной формой меди; только в начале XVIII века в металле, «отвоеванном» у каламина, признали калаем (calaem – индийский и китайский цинк. – Пер.), привезенный с Востока. Выплавка цинка началась в Суонси примерно в 1720 году, в Бристоле – в 1740 году, в Силезии и Бельгии – позже в том же веке.
Из Германии и Фландрии – основных центров производства латуни – поступала листовая латунь для украшения английских церквей позднего Средневековья; производство латуни началось в Англии во времена правления Елизаветы I. Несмотря на заманчивое сходство с золотом, латунь масштабно не применялась: в книге Бирингуччо 1540 года описывается латунно-литейный завод в Милане, где в одной форме отливаются 1200 маленьких изделий – интересный пример массового производства. Добавляя 5 процентов латуни и 8 процентов олова к меди, получали бронзу. Бронза издавна использовалась для крупных отливок, вроде статуй и колоколов; из бронзы отливали пушки, ибо медные сплавы корродировали и трескались быстрее имевшегося тогда железа. Для выплавки больших объемов металла в XVI веке создали отражательную печь, в которой тепло отражалось от низкой кровли, поэтому топливо не контактировало с металлом.
Медь вместе с драгоценными металлами и их сплавами шла на чеканку монет. Количество монет и качество их чеканки стали весьма острой проблемой в XVI веке, когда испанцы спровоцировали быстрый рост цен по всей Европе, импортируя неимоверное количество серебра из Вест-Индии, Мексики, а в 1553 году из Перу. Пришлось пойти на беспрецедентные меры. Например, Генрих VIII постоянно снижал содержание драгоценных металлов в золотых и серебряных монетах в последние 20 лет своего правления. Эдуард VI и Мэри попытались восстановить ценность монет, но только Елизавете I удалось изъять из обращения основную денежную массу и начать перечеканку. Хотя финансовые проблемы королевства, ставшие одной из главных причин гражданской войны, не решились, новая английская валюта 1561 года была умело отчеканена и соответствовала своей стоимости. На некоторое время грубую чеканку ковкой заменили чеканкой на винтовом прессе. Процессом руководил француз Элой Местрел, прежде служивший при Парижском монетном дворе; от пресса отказались после казни Местрела по обвинению в фальшивомонетничестве в 1573 году. Пресс заработал в середине следующего столетия, на нем чеканили монеты двое крепких мужчин.
Качественные монеты содержали определенную часть примесей. Например, в немецкой золотой кроне было 6–7 процентов примесей, что считалось приемлемым, если сплав состоял из двух частей серебра и одной части меди. Стерлинговое серебро Елизаветы I несколько столетий включало 7,5 процента примесей других металлов. Самой маленькой елизаветинской серебряной монетой было полпенса, медные монеты появились в 1613 году, они были в обращении в Ирландии в XV веке.