В дополнение к тому факту, что вода поднимается в сифоне до своего первоначального уровня, древнеримские строители должны были учитывать действие в сифоне трех сил. Во-первых, это трение в трубах, которое замедляло течение воды настолько, что приходилось жертвовать высотой для того, чтобы обеспечить постоянный ток воды. Во-вторых, статическое давление в трубе, зависящее от глубины ее закладки относительно исходного уровня воды. Статическое давление создается самим присутствием воды и действует одинаково во всех направлениях.
Оно остается неизменным независимо от того, движется вода или нет. В-третьих, инерционный напор, создаваемый водой в перегибах трубопроводов при ее движении. Инерционный напор направлен вовне по отношению к изгибу. Вторая сила действует всегда, когда сифон наполнен водой. Все три силы находятся в действии, только когда сифон наполнен и пропускает воду.
Сифоны приходилось периодически освобождать от воды для чистки и ремонта. При наполнении труб водой инерционный напор может достигать критической величины. Воду нужно было впускать медленно и постепенно до наполнения трубы. Если же затворы открывали резко, вода, обрушиваясь с высоты и ударяя в первый перегиб трубы, могла ее разрушить. Отсечка воды для дренажа трубы также должна была производиться постепенно; в противном случае, т.е. при резком закрытии затвора, могло возникать явление гидравлического удара в результате распространения ударной волны в обратную сторону вдоль внезапно остановленного столба движущейся воды. Это также могло вызывать серьезные повреждения труб.
Мы не знаем, насколько полно понимали древние римляне эти принципы. Ясно, что они могли применять их эмпирически, поскольку известно, что сифоны работали успешно. Попытки отыскать подробное изложение теории сифонов в древних рукописях, к сожалению, не дали утешительных результатов. До нас дошел трактат о водопроводной системе Рима, написанный Секстом Юлием Фронтинусом, который в 97 г. н.э. был назначен управляющим водоснабжения Рима, однако он не упоминает сифоны может быть потому, что они не считались значительным элементом римской водопроводной системы. Единственным дошедшим до нас письменным свидетельством является описание сифонов, содержащееся в восьмой книге "Об архитектуре" (De Architectura) Марка Витрувия Поллио.
Некоторые записи Витрувия вполне ясны. Он понимал, что дренаж и наполнение сифона должны производиться с осторожностью, и рекомендовал укреплять сифонные трубы массивной каменной кладкой, чтобы усилить их сопротивление инерционному напору в перегибах. Однако он заблуждался в основных принципах и, вероятно, не вполне понимал, как работает сифон.
В его описании сифонной гидравлики наибольшее заблуждение проявляется во фразе: "Etiam in ventre colliviaria sunt facienda par quae vis spiritus relaxetur". Переводится она просто: "На дне сифона мы должны установить колливиарии, чтобы выпустить воздушное давление". Однако понять ее почти невозможно. Латинские слова понятны, но фраза сама по себе бессмысленна.
В этой фразе две загадки. Первая относится к "колливиариям". Слово нигде больше не встречается в латинских текстах, так что по нему невозможно судить об устройстве этого элемента сифонов. Приходится догадываться по контексту.
Вторая загадка связана с "воздушным давлением". Современные трубопроводы часто снабжаются выпускными клапанами для предотвращения образования воздушных мешков. Иногда высказывается предположение, что колливиарии были именно такими выпускными клапанами, однако при этом не учитываются несколько существенных моментов.
Во-первых, воздушные мешки могут образовываться только в верхних точках трубопровода, где и устанавливаются теперь выпускные клапаны, а вовсе не "на дне". Во-вторых, в римском сифоне не мог скапливаться воздух, так как трубы были заполнены водой. Растворенный же в воде воздух мог выделяться из нее только при низком давлении, тогда как давление в сифоне было довольно высоким по всей его длине. Увлеченный водой воздух обычно образует воздушные мешки при низком давлении и скапливается в верхних точках сифона, но не у дна. Кроме того, форма римского сифона была не подходящей для скопления захваченного водой воздуха: пузырьки воздуха должны были попросту увлекаться водяным потоком, проходить через изгибы труб и свободно выделяться из воды на конце сифона. В-третьих, так как воздушные мешки могут образовываться только при низком давлении и, следовательно, представляют собой частичный вакуум, функцией выпускных клапанов могло бы быть лишь выравнивание давлений путем впуска воздуха извне.
Предполагалось также, что Витрувий имел в виду клапаны не для воздушного, а для водяного давления. Но это предположение еще дальше от истины, чем первое. Даже если бы древние римляне и были в состоянии сконструировать клапан с пружиной или противовесом, который открывался бы при заданном давлении, все равно не было бы никакой возможности снизить статическое давление (как только путем изменения профиля сифона с уменьшением его глубины), и, следовательно, такой клапан оставался бы постоянно открытым, т.е. он функционировал бы не как клапан, а как дыра в трубе.
Учитывая вышесказанное, следует заключить, что в сифоне не могло быть воздуха и не было средств снизить водяное давление. Представляется наиболее вероятным, что термин "колливиарии" обозначал дренажные краны или отверстия для чистки труб, возможно, с помощью инструментов типа шарошки. Вода в древнеримских городах была обычно жесткой и на внутренних стенках труб могли образовываться отложения. Поэтому трубы приходилось регулярно чистить, чтобы избежать полного их забивания. Отложения могли образовываться и в узких сифонных трубах, и их тоже требовалось регулярно чистить или заменять.
Древние греки также применяли сифоны. Среди сифонов древности наиболее известен исключительно большой сифон в Пергаме в Малой Азии. Он относится ко времени правления эллинского монарха Евменеса Второго (197-159 гг. до н.э.), т.е., безусловно, к доримским временам, и состоит из одной трубы длиной 3 км, спускающейся на очень большую глубину – 190 м. Вода в сифоне создавала статическое давление примерно 19 ат.
В течение многих лет в наше время этот сифон был причиной многих заблуждений ученых. Поскольку многочисленные римские сифоны были неизвестны или не удостаивались должного внимания, пергамский сифон создавал ложное впечатление, что древние греки преуспели больше римлян в теории гидравлики и что они были более искусными инженерами, способными изготавливать трубы для больших давлений, тогда как римлянам это не удавалось.
Теперь очевидно, что это мнение ошибочно. Если сравнивать глубину самых больших римских сифонов с высотой самых больших построенных ими мостов, можно заметить, что все их сифоны были очень большими и в их трубах могли развиваться высокие статические давления. Это само по себе опровергает существовавшее мнение, что древние римляне принимали все меры к тому, чтобы устранить давление. Напротив, можно утверждать, что они применяли трубы (а не открытые каналы или мосты-акведуки) во всех случаях, когда давления оказывались высокими.
Можно сделать и другой вывод. Сравнивая высоту сифонов и мостов-акведуков, можно видеть, что они не перекрывают друг друга и граница проходит на уровне 50 м. При большей глубине ущелья римляне сооружали не мост, а сифон. Можно поэтому заключить, что они отдавали предпочтение мостам-акведукам и обращались к сифону как к вспомогательному средству в тех случаях, когда их инженеры не могли построить мост или виадук нужной высоты. Очевидно, они полагали, что высота 50 м – предельная безопасная высота моста.
Так как римляне строили только сложные сифоны, то совершенно ясно, что более широкому применению сифонов препятствовали вовсе не технические трудности. Наиболее вероятная причина была высказана Норманом А. Ф. Смитом из Имперского колледжа науки и техники в Лондоне, который утверждает, что все дело было в экономике. Очевидным фактом является то, что сифоны обходились римлянам дороже, чем мосты. Каменная кладка была дешевой, особенно если камень добывался на месте; дешевыми также были кирпич и известковый раствор. Дешевым был и свинец, который получали в избытке как побочный продукт рафинирования серебра.
Не было проблемой, очевидно, и свинцовое отравление, хотя некоторые современные ученые и усматривают в широком применении свинца римлянами причину бесплодия и другие аспекты деградации и упадка. Римляне знали об опасности свинцового отравления. Кроме того, так как кранов не было, вода текла непрерывно и поэтому была в контакте со свинцовыми трубами лишь недолгое время. Толстая же корка карбоната кальция, которая постепенно образовывалась в трубах, служила изоляцией, так что через некоторое время после установки сифонных труб прямой контакт воды со свинцом прекращался полностью.
Проблема со свинцом заключалась в его транспортировке. Огромные затраты и тяжелый труд по доставке 15000 т свинца в Лион, вероятно, послужили лучшим аргументом того, чтобы не повторять такой опыт чаще, чем это необходимо.
В наше время положение изменилось коренным образом благодаря чугуну. Этого материала не было в древности, так как тогда люди еще не научились развивать в печах достаточно высокую температуру для плавки железа. Все железо в древности было кричным железом, из которого нельзя было делать трубы. Сейчас сооружение сифона из чугунных труб обходится значительно дешевле, чем строительство моста. Интересно, что французы в Северной Африке часто подавали воду в приморские города по трассам древнеримских водопроводов, иногда реконструируя их: и во многих случаях там, где существовали древнеримские мосты, французы перекрывали пролет сифоном.