Как подняли Александровскую колонну? Физика 7-го класса

Сторонники альтернативного взгляда на историю утверждают, что ни колонны Исаакиевского собора, ни Гром-камень, ни Александрийский столп не могли установить в технологически отсталом XIX веке.

"Технологическую отсталость" XIX века рассмотрим в будущих публикациях, а сейчас вспомним физику 7-го класса, раздел "Статика", "Простые машины". Пройдемся по нескольким устройствам, в основе которых лежит древнее изобретение – шкив (ролик) и попробуем понять, возможно ли было без современного оборудования справиться с 600 тонной колонной?

Как получить выигрыш в усилии

Силовой полиспа́ст – система роликов для увеличения подъёмной силы, состоит из нескольких подвижных и неподвижных блоков и троса, проходящего через них.

Считается, что составные шкивы изобрел Архимед, "полиспаст" с древнегреческого переводится как "многотяг". Принцип работы устройства показан на схеме:

Выигрыш в усилии дают движущиеся ролики, закреплённые на грузе или на тросе, идущего от груза. Стационарный ролик служит для изменения направления движения троса. Простые полиспасты дают выигрыш в силе 2:1, 3:1.

Использование комбинации из нескольких блоков (сложный полиспаст) дает возможность увеличить тяговое усилие в несколько раз, при этом, чем больше блоков, тем медленнее двигается груз, что в некоторых случаях тоже является плюсом, например, опускаемая колонна встанет на подготовленное место медленно, что исключает какие либо повреждения.

Применение полиспаста для перемещения гранитной колонны хорошо видно на рисунках Адамини:

Пример шкивов, применяемых при поднятии Александровской колонны, изображение из альбома Монферрана:

Кто не верит в возможности этого элементарного устройства, отправляйтесь в интерактивный детский клуб-музей науки и техники. Здесь вы сможете опробовать "многотяг" в деле. Ниже пример аттракциона для детей, в котором ребенок может почувствовать себя силачом и поднять автомобиль потянув за канат:

Полиспасты хорошо знакомы альпинистам и строителям, а автомеханикам его разновидность – "цепная таль" (шкив Вессона, изобретение 1854 года).

Ворот – это двойной блок, грузоподъемное устройство с ручным приводом, состоящее из барабана, насаженного на ось. Наиболее известный пример данного простого механизма – устройство для поднятия ведер с водой из колодца:

Действие механизма основано на принципе, что и рычаг: плечом силы является рукоятка, а плечом груза – радиус барабана. Чем длиннее рукоять относительно радиуса барабана, тем больше выигрыш в силе. Получается, что малая сила, приложенная к ободу колеса (к рукоятке), порождает большую силу, приложенную к объекту закрепленному на оси.

Примером ворота служит обычная отвёртка: при вращении отвёртки мы получаем выигрыш в силе, равный отношению радиуса рукоятки к радиусу стержня.

Кабестан – является горизонтальным воротом. Конструкция кабестана позволяет сделать длиннее рукоять относительно радиуса барабана, а соответственно подать бóльшую силу. Например, кабестаны, использовавшиеся при поднятии Александровской колонны, приводили в движение шестнадцать человек (+ восемь сменщиков).

Справка: при установке колонны применялись, как пишет Монферран, "железные кабестаны", изготовленные на заводе Берда - это лучшее литейно-механическое предприятие в России того времени, где выполнялись самые сложные заказы. Каждый кабестан прошел испытания, выдержав нагрузку в 60000 фунтов (27 тонн). Канаты сделали на фабрике Сазонова, изготавливались из пеньки с помощью машины. Эксперименты показали, что канаты могли выдержать нагрузку в 93960 фунтов (42 тонны).

Конечно, одного устройства для подъема многотонного груза, такого как Александровская колонна, недостаточно, тогда было задействовано 60 кабестанов, которые в свою очередь соединялись с направляющими блоками и сложными полиспастами, а сами кабестаны крепились к сваям. Построенная система давала многократный выигрыш в силе, но конструкция была очень громоздкая, её сооружали полтора года (чтобы попользоваться 40 минут).

Современные технологии и материалы позволили поднимать значительные по массе грузы при незначительных габаритах техники, которая работает на сложных механизмах, в основе которых простейшие. Рекорд на сегодня – подъем 20133 тонн.

С точки зрения физики осуществить подъем Александровской колонны возможно без применения супер технологий, было бы желание и время. В сети Интернет можно найти инженерный расчет подъема колонны, сделанный энтузиастом по рисункам Монферрана.

Автор расчета выделил несколько серьезных проблем, возникающих при подъеме, но сделал заключение, что они не делают подъём колонны невозможным, однако, шансы на удачное стечение обстоятельств оценил как крайне низкие.

Автор расчета упрекает Монферрана в неточностях, технических несостыковках на рисунках. А почему их не должно быть? Разбирая альбом Монферрана нужно помнить, что он в первую очередь был рисовальщиком. Без таких инженерных гениев как Бетанкур и Адамини (которые остались в тени француза) мы никогда не увидели бы ни Исаакия, ни столпа, не знали бы и Огюста.

Немного о технологии установки колонн

Технологию установки колонн и обелисков с момощью лесов разработал Доменико Фонтана. Она была применена в 1586 году при установке обелиска на площади Святого Петра в Ватикане.

Обелиск укладывался горизонтально на специальной платформе и с помощью лебёдок и катков подтягивался к месту установки. При помощи лесов обелиск медленно поднимали на пьедестал. По аналогии ставили Александровскую колонну, процесс детально зарисовал Антонио Адамини в 1835 году:

Технология со временем совершенствовалась, но сам принцип оказался настолько эффективным, что им пользовались вплоть до начала XX века.

Подводя итог, соглашусь с конечным выводом инженера-энтузиаста, если бы колонна рухнула при установке... Удача явно присутствовала, Монферран очень рисковал, не только своей головой, но и жизнями сотен людей. Взятые на себя риски сделали его знаменитым.