Не подмажешь, не поедешь: как китайцы катали камни в Запретный город

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Принято считать, что в Китае уже около 1500 года до н.э. колёсные транспортные средства были хорошо развитыми (а именно, появились диски со спицами), поэтому на волокушах (хорошо скользящих санях) камни в Китае уже не возили. Однако мы с детства знаем, что то, что написано пером, не вырубить топором. Видимо, китайские учёные эту премудрость также знают. Они и решили снова проверить её на практике :о)

Ледяная смазка для перемещения тяжелых камней в Запретный город в Китае в 15-16 веках

Совсем кратко: Как оказалось, в некоторых древних книгах содержатся краткие упоминания о том, что большой резной камень в Запретном городе (в Пекине) был доставлен ​​на площадку санями, скользящими по искусственной ледяной дороге. Учёные изследовали китайский способ на основании исторических документов и результатов проведённых экспериментов. Опыты показали, что скольжение дерева по льду является более надежным и эффективным, чем применение других методов смазки, а для того, чтобы этот вид транспорта был осуществим, необходима заливка воды на контактную поверхность.

При транспортировке тяжёлых предметов, начиная от 60-тонной статуи в Древнем Египте до 15000-тонного здания в наши дни, смазка играет решающую роль в снижении трения. Хотя в Китае колеса со спицами появились ок. 1500 г. до н.э., в 15 и 16 веках новой эры скользящие сани все ещё изпользовались китайцами для перевозки огромных камней в Запретный город в Пекине. Учёные показали, что вместо обычных древних практик, таких как скольжение по дереву или использование брёвен в виде катков, при скольжении дерева по льду  изпользовалась технология смазывания льда водой. Древнейшая технология в полной мере использовала природные свойства льда, такие как достаточная твердость, плоскостность и низкое трение при наличии водной плёнки. Это движение по льду более эффективно для таких тяжелых и низкоскоростных перевозок, которые проводились для перемещения камней Запретного города. Транспортировка огромных камней является ранним примером смазки льда и дополняет современные изследования скоростного режима, относящиеся к видам спорта на льду.

В ранней истории применения смазки есть две хорошо документированные вехи транспортировки тяжелых камней (1): (а) смазка использовалась для скольжения дерева по дереву в Саккаре (Saqqara) Египет ок. 2400 до н. э. и (б) применение бревенчатых катков было использовано в Коюнджик (Kouyunjik) Ассирия ок. 700 год до н. э.; обычно для древних случаев качение считается более совершенным способом по сравнению со скольжением. Хотя в Китае колёса со спицами появились ок. 1500 до н. э., было обнаружено, что в 15-м и 16-м веках скользящие сани всё еще использовались для транспортировки огромных камней (весом более 100 тонн) в Запретный город.

Рисунок 1. Запретный город и огромные камни. (A) Дворцы в Запретном городе. Здания деревянной конструкции были построены на широких и высоких каменных основаниях, с каменными лестницами, ведущими к входу в каждое здание. (B) Большая камень с резьбой, самый тяжелый камень в Запретном городе, находится за нынешним Залом Сохранения Гармонии (Баохэ Дянь) между двумя дорожками каменной лестницы; обычно считается, что он был более 300 тонн весом, когда его впервые доставили на место в 1407–1420 годах. (C) Расстояние между Запретным городом (a) и карьером Dashiwo в Fangshan (b) составляет около 70 км. Двойные линии на карте (8) представляют реки, а одиночные линии - дороги.

Запретный город является уникальным историческим символом Китая; он не только представлял Верховную имперскую власть династий Мин и Цин в течение примерно 500 лет до 1911 года, но и предоставляет огромную и ценную информацию об истории и культуре Китая в течение 15-19 веков. Огромное количество крупных камней было добыто и перевезено в Запретный город (рис. 1A) для его строительства в 15-м и 16-м веках, включая крупный резной камень, весивший более более 300 тонн (рис. 1b). В некоторых книгах кратко упоминается, что большая резной камень был доставлен на место глубокой зимой на санях, скользящих по искусственной ледяной дороге. Этот транспорт  никогда не изследовался подробно или с научной точки зрения. Учёные не смогли найти никаких исторических записей о деталях транспортировки этого (резного) камня. Тем не менее, переведя 500-летний китайский документ, содержащий аналогичную информацию, они узнали, что в 1557 году другой большой камень размером 9,6 × 3,2 × 1,6 м (≈123 тонны) был перевезен на 70 км в течение 28 дней в Запретный город на скользящих санях, которые тащила команда мужчин. На карте 1573-1620 годов, показан примерный путь транспорта от карьера до Запретного города (рис. 1С).

Поскольку эта транспортировка такого большого камня находится в противоречии с общим видением истории машиностроения, которое заключается в том, что «перевозка колоссальных статуй человеческими массами не появляется ни в каком виде древнего китайского представления» [видимо, имеется в виду отсутствие письменных упоминаний, скульптурных и художественных изображений] потому что ок. четвёртого века до н.э. в Китае были большие автомобили с «элегантно спроектированными спицами».

Как пишут учёные, "Следовательно, нам стало любопытно задать три вопроса: (а) Почему скользящие сани (далее - волокуши - Взор) всё ещё использовались, когда в течение приблизительно 2000 лет в Китае хорошо были развиты большие колёсные транспортные средства? (б) Был ли это хороший выбор для перевозки огромных камней с санями, скользящими по дорожке искусственного льда, по сравнению с другими методами смазки? (в) Каковы были особенности технологии смазывания льда, используемой в Пекине (широта 40 ° с.ш.)?"

Короче, они изследовали способ транспортировки с точки зрения техники, основываясь на ограниченной информации из современной литературы и исторического документа, и продемонстрировали, что метод водяной смазки льда при скольжении дерева по льду был, вероятно, применён древними китайцами, как более надёжный, по сравнению с качением.

Скольжение или качение?

На самом деле, в 15-м и 16-м веках для перевозки тяжелых камней в Запретный город изпользовались как санки, так и колёса. Например, при планировании доставки огромных камней для строительства Запретного города около 1596 года велись споры о том, изпользовать ли санки или колёсные транспортные средства. Хотя для перевозки на санях требовалось гораздо больше наёмных крестьян, времени и денег, чем для доставки на колёсных транспортных средствах, которые тащили бы мулы, сани были более безопасным и более надёжным методом для доставки огромных камней, добыча которых уже и без того была дорогой. Фактически, учёные утверждают, что санки были необходимы для огромных камней, которые были запредельными для грузоподъемности колёсных транспортных средств того времени (на колёсах к 1596 году перевозили до 95 тонн). Смазка сделала возможной эту перевозку на санях.

Для уменьшения трения при использовании саней существует два типичных метода смазки: скольжение с помощью смазки и перемещение с помощью (смазанных) роликов. Типичные примеры изпользования различных методов смазки для перевозки тяжелых предметов с помощью скользящих саней приведены в таблице 1, где μ - коэффициент кинетического трения, оцененный по известным данным в таблице (материалы и методы), m - масса объекта, и s - расстояние перевозки.

  Учёные включили в таблицу 1 (случай 2) данные экспериментальных результатов по скольжению японских саней пятого века, которые были реконструированы в 1978 году. Хотя значение μ для прокатки в случае 2 немного ниже, чем для скольжения в случае 1, оказалось трудно контролировать направление движения с помощью скользящего бревна, когда маршрут движения не прямой, потому что брёвна остаются позади салазок и поэтому должны быть перемещены вперёд и выровнены по нормали в направлении продвижения по всему маршруту транспортировки. Кроме того, применение роликов из бревен, будучи аналогичным применению колёсных транспортных средств, будет ограничено состоянием дороги, например, её ровностью и способностью выдерживать нагрузку.

Поэтому, учитывая транспортировку на санях по льду на большое расстояние в 70 км (случай 3), смазанное скольжение должно быть более практичным и надёжным для самых тяжёлых грузов, чем качение в древние времена, что может быть причиной того, что китайцы выбрали скольжение вместо качения.

Поскольку транспортировка огромных камней в Запретный город произходила в конце декабря после зимнего солнцестояния до конца января, температурные условия должны были позволить создать искусственную ледяную дорожку на земле. Например, средняя температура в Пекине в январе 15-16 вв. была около -3,7 ± 0,5 ° C. Хотя вдоль маршрута для транспортировки не было ни реки, ни канала (рис. 1C), каждые полкилометра вдоль дороги выкапывали колодцы, чтобы подавать воду для полива и управления санями. Эти выводы согласуются с современной литературой, согласно которой выливание воды на землю обеспечивает поверхность льда для транспортировки. Кроме того, прочность искусственного ледяного пути на земле будет достаточной для поддержки саней с 300-тонным камнем. В подтверждение этого приведён последний успешный случай перемещения всего 1200-тонного здания железнодорожного вокзала Анды (широта 45 ° северной широты) по пути из искусственного льда в период с 14 января по 4 февраля 2013 года в провинции Хэйлунцзян Китай.

Учёные оценили количество людей, необходимое для буксировки саней с 123-тонным камнем при различных условиях смазки, и результаты приведены на рис. 2.

Рис. 2.Оценка количества людей, необходимых для волочения саней с  123-тонным камнем, соответствующего четырем различным условиям смазки: (A) скольжение по грунтовой дороге (12), (B) скольжение по мокрой древесине (1), (C ) скольжения по ледяной дорожке без плёнки смазочной воды (15) и (D) скольжение по обледенелой дороге с помощью плёнки смазочной воды (15). F - буксирная сила. (E) Сравнение коэффициента трения μ и количества людей n, необходимых для условий A – D.

Хотя трение на льду обычно очень низкое, как показывают такие виды спорта, как катание на коньках и керлинг, коэффициент трения на льду варьируется от 0,01 до 0,43 при разных конфигурациях . На величину μ на льду влияют многие факторы, включая температуру, скорость скольжения, материалы, площадь контакта и шероховатость.

Учёные подсчитали (изходя из срока доставки камня и расстояния от карьера до дворца), среднюю скорость перемещения камня, она оказалась 8 см/сек. А при маленькой скорости перемещения лёд не успевает подтаивать от разогрева трением и сопротивление скольжению выше, чем при наличии тонкой плёнки талой воды. Китайцы это понимали, потому просто поливали воду на дорогу перед санями.

Китайцы получили ответы на свои три вопроса. Движение на санях было более надёжным и простым, погода была подходящей и древние китайцы её изпользовали намеренно, да ещё и применяли смазку в виде воды. А движение дерева по смоченному льду - самая эффективная техника. В результате для доставки понадобилось меньше народа.

С опорой на материалы