Дмитрий Журавский: человек-мост

Он рассчитал один из самых знаменитых железнодорожных мостов России, построил металлический шпиль Петропавловского собора и дал свое имя формуле, которую до сих пор изучают инженеры всего мира. Но Дмитрий Журавский (1821–1891) был не только выдающимся ученым и строителем. Он принадлежал к поколению российских государственных служащих, для которых технический прогресс, добросовестное управление и общественное благо составляли единую задачу.

13 ноября 1851 года, 175 лет назад, Николаевская железная дорога, третья в истории России, но самая главная и первая во многих смыслах, начала работу. В ее строительстве участвовало множество замечательных инженеров, в их числе исключительную роль сыграл Дмитрий Журавский.

Дмитрий Журавский родился 17 декабря 1821 года в селе Белый Колодезь Щигровского уезда Курской губернии, в небогатой дворянской семье. Его отец, участник наполеоновских войн, рано умер, и мальчик воспитывался в Нежине, где окончил физико-математический лицей князя Безбородко.

Это было замечательное учебное заведение. Здесь преподавали математику, механику, физику, иностранные языки; среди выпускников был Николай Гоголь. Журавский отличался математическими способностями, но, в отличие от большинства своих товарищей, решил посвятить жизнь не государственной службе в обычном ее понимании, а инженерному делу.

В 1839 году он поступил в петербургский Институт корпуса инженеров путей сообщения. Вступительные испытания позволили ему начать обучение сразу со старшего курса. Институт был одним из лучших технических учебных заведений Европы: его преподаватели соединяли французскую математическую школу с практикой строительства дорог, мостов и гидротехнических сооружений.

Окончив институт в 1840 году, девятнадцатилетний инженер попал на строительство Петербургско-Московской железной дороги — крупнейшего инфраструктурного проекта николаевской России.

Предстояло проложить более 600 километров пути через леса, болота и речные долины, построить десятки мостов и сотни водопропускных сооружений. Паровозы становились тяжелее, скорости увеличивались, а надежных методов расчета мостовых конструкций еще не существовало.

В этом и заключалась главная инженерная проблема эпохи: строить большие мосты уже умели, но далеко не всегда понимали, почему одни из них выдерживают нагрузку, а другие внезапно разрушаются.

Наиболее сложным сооружением Петербургско-Московской дороги стал мост через Веребью, приток Мсты. Высокий, многопролетный, с деревянными решетчатыми фермами, он должен был пропускать тяжелые железнодорожные составы над широкой и глубокой речной долиной.

Первоначально конструкции рассчитывали по американской системе инженера Уильяма Гау. В ней деревянные раскосы сочетались с железными вертикальными тяжами. Система уже применялась в США и пользовалась авторитетом благодаря своей простоте.

Но Журавский обнаружил принципиальную ошибку: он выяснил, что элементы фермы испытывают неодинаковые усилия. Возле опор нагрузки существенно больше, чем в середине пролета. Следовательно, делать все тяжи и раскосы одинаковой толщины — значит одновременно перерасходовать материал в одних местах и подвергать конструкцию опасности в других.

Американский инженер Джордж Уистлер, приглашенный консультировать строительство всей дороги, поначалу не поверил молодому русскому коллеге.

Тогда Журавский устроил демонстрацию. Он изготовил модель фермы, заменил железные тяжи проволоками одинаковой толщины, нагрузил конструкцию и провел по проволокам скрипичным смычком. Те зазвучали на разных частотах: возле опор тон оказался выше, поскольку натяжение было сильнее.

Математический вывод превратился в эксперимент, который можно было услышать.

Журавский не просто усовершенствовал существующую конструкцию. Он разработал методы определения усилий в отдельных элементах решетчатых ферм, в том числе неразрезных, перекрывающих несколько пролетов. Это позволило рассчитывать мосты гораздо точнее, экономить материалы и повышать надежность сооружений.

Результаты исследований он публиковал с 1850 года, а в 1855–1856 годах выпустил фундаментальный труд «О мостах раскосной системы Гау», удостоенный полной Демидовской премии Петербургской академии наук.

Работа получила известность за пределами России. Для молодого инженера это был международный научный успех, а для мостостроения — переход от эмпирических правил к расчету действительных усилий в конструкции.

Веребьинский мост стал одним из самых известных сооружений Николаевской железной дороги. Но еще важнее было то, что разработанные Журавским методы применялись и при проектировании других мостов магистрали.

С Веребьинским мостом связана знаменитая легенда, что Николай I якобы собственноручно чертил трассу железной дороги между Петербургом и Москвой. Император приложил линейку к карте и провел прямую линию, но карандаш наткнулся на его палец и оставил небольшую дугу. Придворные инженеры, не решившись исправить монарший чертеж, будто бы воспроизвели эту дугу на местности. Так возник Веребьинский обход — заметное отклонение от почти прямой линии Николаевской железной дороги.

В действительности все было наоборот. Первоначальная трасса проходила через Веребьинский мост, построенный при участии Журавского. Но крутые уклоны на подходах к долине Веребьи затрудняли движение тяжелых поездов, и в 1881 году, уже после смерти Николая I, открыли обходной участок, позволивший отказаться от опасного спуска и последующего подъема. Именно этот изгиб железной дороги и породил легенду о царском пальце. В 2001 году, после строительства нового Веребьинского моста, поезда вновь пошли по первоначальному направлению, а обход был закрыт.

Главное научное наследие Журавского не ограничивается расчетом решетчатых ферм.

В середине XIX века инженеры хорошо представляли, как балка сопротивляется изгибу: одни ее волокна растягиваются, другие сжимаются. Однако при изгибе возникают и касательные напряжения — силы, стремящиеся сдвинуть соседние слои материала относительно друг друга.

Именно их Журавский научился определять.

За этой короткой записью стоит принципиально важное открытие: напряжения распределяются внутри балки неравномерно, и наиболее опасные участки могут находиться вовсе не там, где их подсказывает житейская интуиция.

Сегодня формула Журавского входит в стандартные курсы сопротивления материалов. Ею пользуются при расчете балок, мостов, перекрытий, деталей машин и других конструкций.

Журавский не был кабинетным математиком. Он самостоятельно конструировал испытательные машины, исследовал прочность различных пород дерева и железа, проводил тысячи опытов. Его убеждение состояло в том, что расчет должен непременно проверяться экспериментом.

Ему приписывают выразительную формулу этого принципа: «Вычисления без контроля опыта часто уходят в область фантазии».

Современники особенно ценили его способность видеть за математическими выражениями реальную работу сооружения: движение, сопротивление и взаимодействие сил.

В 1850-е годы Журавскому поручили задачу совершенно иного рода.

Деревянный шпиль Петропавловского собора в Петербурге, сооруженный еще в XVIII веке, обветшал. Его состояние вызывало опасения: высочайший пик имперской столицы подвергался постоянному воздействию ветра и осадков, а деревянные конструкции нуждались в замене.

Журавский предложил вместо дерева использовать железо.

Задача была необыкновенно сложной. Требовалось создать высокую, легкую и прочную металлическую конструкцию, которая выдерживала бы ветровые нагрузки, сохраняла архитектурный облик собора и могла быть собрана на большой высоте.

Журавский разработал проект железного каркаса шпиля и организовал его изготовление на Камско-Воткинском заводе. В январе 1858 года он лично проверял там прочность железа, предназначенного для строительства.

На заводе провели предварительную сборку. Затем детали разобрали, погрузили на баржи, доставили по рекам в Тверь, а оттуда по железной дороге — в Петербург.

К лету 1858 года железный каркас был собран на колокольне. Конструкция состояла из вертикальных ребер и горизонтальных колец, соединенных болтами и заклепками. Размеры ее элементов уменьшались по мере приближения к вершине — именно там, где снижались действующие нагрузки.

Высота собора со шпилем достигла почти 122 метра. В то время это было одно из высочайших сооружений мира.

За успешную работу Журавский получил чин полковника и премию в 3000 рублей.

Примечательно, что он не счел свою задачу завершенной после монтажа конструкции. В 1859 году инженер составил инструкцию по наблюдению за состоянием шпиля, затем участвовал в его технических осмотрах. Для Журавского построить сооружение означало также обеспечить его долговременную безопасность.

В 1870-е годы перед российскими инженерами встала новая задача — соединить железнодорожные сети европейской части империи с линиями, уходившими на восток.

Волга оставалась огромным естественным препятствием. Грузы и пассажиров приходилось переправлять через реку, что затрудняло перевозки и удорожало торговлю.

Решением стал Александровский железнодорожный мост возле Сызрани — один из крупнейших мостовых проектов Европы того времени.

Его основным проектировщиком был выдающийся инженер Николай Белелюбский, непосредственным руководителем строительства — Владимир Березин. Журавский участвовал в проекте как консультант, предоставивший свой необыкновенный опыт расчета и сооружения больших мостов.

Строительство началось в 1875 году и сопровождалось исключительными трудностями. Весенние паводки оказались выше первоначальных расчетов, что заставило перерабатывать проект опор. Работы велись в условиях мощного течения, ледоходов и короткого строительного сезона.

Строительство моста было сопряжено с огромными техническими и хозяиственными проблемами. Быки строили кессонным способом: опускали в Волгу большои перевернутыи «стакан», выкачивали из него воду и в нем работали — вынимали грунт, выкладывали камень. Работа была очень тяжелои. В году только четыре месяца, с половины июня до половины октября, можно было вести монтажные работы. Причем необходимо, чтобы все начатое с половины июня оканчивалось в половине октября, иначе все неоконченное будет разрушено ледоходом. Все опоры были выведены из цельного известняка Жигулевских гор, ледорезы и передняя часть быков — на высоту 5,40 саженей (11,5 м) — облицованы гранитом твердои породы, доставленным из Финляндии и с берегов Шексны. На мост потребовалось уложить 50 тыс. кв. м каменнои кладки. Высота опор от основания достигает более 40 метров!

Металлические конструкции пролетов покупали в Бельгии и на Брянском заводе. «Входнои контроль» был очень строгим, нередко партии «заворачивали», 1,5 тыс. тонн конструкции вернули!

Около 6,8 тыс. тонн весило железо моста, один пролет — более 500 тонн, много для тогдашнего уровня науки и техники. Готовые пролеты задвигали на затопленные баржи, потом они, как понтоны, заполнялись воздухом, всплывали и подводились к быкам. Баржи вновь затоплялись, а пролет ложился на опоры. Полтора часа требовала такая операция, получившая в мире название «русскии способ».

Мост открыли в 1880 году. Его длина составляла около 1,5 километра. На момент открытия он был одним из длиннейших железнодорожных мостов Европы.

Это был не только инженерный триумф, но и событие экономической географии. Железнодорожная сеть получила надежное сообщение через Волгу, открыв более удобный путь к Уралу и далее на восток.

В биографии Журавского есть сторона, которой часто не видно за инженерными решениями и теоретическими формулами. Значительную часть жизни он посвятил государственной службе, занимаясь не столько отдельными сооружениями, сколько устройством всей российской транспортной системы.

В середине XIX века железнодорожное строительство в России развивалось противоречиво. Государство нуждалось в новых линиях, но не располагало достаточными средствами. Частные общества привлекали капиталы, однако нередко рассчитывали на казенные гарантии, стремились сократить расходы на строительство и оставляли государству будущие финансовые риски.

Журавский хорошо понимал эти проблемы. Его интересовали не только инженерные характеристики железных дорог, но и стоимость перевозок, тарифы, организация эксплуатации, качество материалов и экономическая целесообразность новых линий.

В статьях 1850–1860-х годов он обсуждал, какие дороги нужны России — конные или паровозные, как привлекать капитал, какие тарифы устанавливать, каким образом связать развитие транспорта с внутренней торговлей.

В 1860-е годы он занимал руководящие должности в железнодорожном ведомстве, а также активно участвовал в работе Русского технического общества. Здесь он последовательно отстаивал необходимость соединять научные знания с практикой промышленного развития.

Журавский принадлежал к числу инженеров, считавших, что развитие железных дорог не может определяться только интересами концессионеров. Транспортная сеть должна служить экономике страны.

В 1877 году Журавский вернулся к активной работе в Министерстве путей сообщения. Он руководил Департаментом железных дорог, участвовал в создании системы управления казенными линиями и в разработке технических правил для всей сети.

Это был период стремительного роста железнодорожного хозяйства. Дороги строились быстро, но качество рельсов, мостов и подвижного состава далеко не всегда соответствовало возрастающим нагрузкам. Журавский добивался единых требований к прочности материалов и безопасности движения.

В 1878 году под его руководством техническо-инспекторский комитет установил правила испытания и приемки железных и стальных рельсов, а также единые правила освидетельствования железнодорожных мостов.

Одна из проблем была особенно характерна для российского климата: стальные рельсы, выдерживавшие испытания летом, могли становиться хрупкими при сильном морозе.

Журавский предложил проводить испытания и при пониженной температуре. Для этого образцы рельсов охлаждали в смеси льда и соли, после чего проверяли их прочность. Так появилась возможность оценивать материалы не только в благоприятных лабораторных условиях, но и в обстановке, приближенной к реальной эксплуатации.

Результаты исследований были представлены международному инженерному сообществу, в том числе британскому Институту железа и стали.

На государственной службе Журавский сталкивался с проблемами, которые и сегодня хорошо знакомы транспортным ведомствам: недостаточная пропускная способность линий, нехватка подвижного состава, неэффективная организация перевозок, низкое качество материалов, конфликт между коммерческой выгодой и общественными потребностями.

Во время Русско-турецкой войны 1877–1878 годов железнодорожная система испытывала особенно высокую нагрузку. Требовалось перевозить войска, раненых, продовольствие и военные грузы, не останавливая хозяйственную жизнь. Министерство принимало меры по увеличению пропускной способности дорог, строительству вторых путей, расширению станций и пополнению паровозного парка.

Журавский участвовал в организации этой работы. Позднее, в 1880-е годы, он был причастен к созданию управления казенными железными дорогами и развитию линий, обслуживавших промышленность юга России.

Не менее важным направлением стала поддержка отечественного производства рельсов. Российские железные дороги долго зависели от импорта. Переход к собственному металлургическому производству требовал не только строительства заводов, но и разработки требований к качеству продукции.

Журавский выступал за применение стальных рельсов и их тщательную проверку. Он понимал, что дешевизна материала при закупке ничего не стоит, если этот материал быстро изнашивается или приводит к авариям.

В его деятельности трудно отделить ученого от чиновника. Он стремился перенести в управление государственным хозяйством те же принципы, которыми руководствовался при проектировании моста: точный расчет, проверка результатов и ответственность за последствия решений.

Дмитрий Журавский умер в 1891 году, оставив после себя научные труды, инженерные сооружения и заметный след в истории российского железнодорожного управления.

Его имя известно прежде всего благодаря формуле для определения касательных напряжений. Но значение Журавского шире.

Он был одним из тех, кто превратил мостостроение из искусства, основанного на опыте и интуиции, в инженерную дисциплину, опирающуюся на расчет и эксперимент.

Он показал, что математическая теория может не усложнять строительство, а делать его дешевле и надежнее. Что технический прогресс требует не только смелых проектов, но и строгих правил проверки материалов. Что чиновник способен приносить обществу пользу не распоряжениями ради распоряжений, а профессиональной компетентностью.

В этом смысле Журавский был ярким представителем особой традиции российской инженерной интеллигенции XIX века. Для нее служение государству не означало безусловного согласия с существующим порядком. Напротив, оно предполагало желание улучшать страну: строить дороги, развивать промышленность, распространять знания, делать управление более рациональным.

Журавский не был политическим реформатором. Он менял Россию другим способом: рассчитывал мосты, испытывал железо, составлял технические нормы, организовывал перевозки.

Его мосты перестраивали, его административные должности давно исчезли. Но формула Журавского по-прежнему остается в учебниках как свидетельство того, что хорошая инженерная мысль переживает и сооружения, и государства, которым она служила.