Cette page retrace l'histoire des grues, machines servant dans la construction, les carrières et l'industrie, à élever de lourds fardeaux.
Vocabulaire Tympan Le tympan, quelquefois appelé par abus de langage cage d'écureuil, est une roue en bois qui sert à mouvoir un treuil ou cabestan dans un engin de levage, dans laquelle un ou plusieurs hommes ou animaux marchent pour la faire tournerJ.M. Morisot, Tableaux détaillés des prix de tous les ouvrages du bâtiment (charpente), Carilian, 1814. Les Grecs l'ont appelé γέρανον (terme qui peut aussi désigner une échelle) et les Romains, majus tympanum. À d'autres époques, on l'a appelé roue, treuil à tambour ou plus simplement tambour. Parfois, l'intérieur du tympan est muni de planches ou de lattes, formant des marches qui favorisent le déplacement des hommes. Le tympan peut être à simple ou double tambour. Le chantier d'archéologie expérimentale à Guédelon a montré que dans un double tambour, deux hommes pouvaient hisser à de mortier ou de pierres en une seule chargeGuédelon, Fiche pratique trop fort le château ! , avril 2011..
Grue La machine de levage elle-même est appelée grue, gruau, engin, machine ou chèvre, quelquefois aussi « tympan »Définition du CNTRL: roue et tympan. Toutefois certains archéologues la nomment tour à tour « machine de levage », « machine de levage à roue motrice », « machine élévatrice médiévale », « roue de carrier »Jean-Pierre Adam, La Construction romaine. Matériaux et techniques, sixième édition, Grands manuels picards, 2011. Dans la grue, le tympan est associé à une pièce de bois verticale terminée en pointe, à laquelle est attachée une flèche soutenue par des écharpes fixées par des liens de fer. Les arbres principaux de ces grues peuvent atteindre des dimensions importantes (de 15 à 16 m de hauteur, pour des flèches qui pouvaient atteindre les 12 m), si bien qu'elles réclamaient des pièces métalliques de renfort. La poulie à l'extrémité de cette flèche est munie d'un cliquet anti-retour qui évite que la charge n'inverse le sens du tambour. De la graisse et du savon étaient utilisés pour lubrifier les mécanismes. Le déplacement des hommes ou des animaux dans le tambour provoquait l'enroulement de la corde ou du câble autour de la poulie..
Roue de carrier La roue de carrier était une grue utilisée par les carriers. Le travail des maçons nécessitant l'usage intensif de la pierre naturelle, on peut supposer que l'emploi de la roue est passé indifféremment d'un métier à l'autre.
Cage d'écureuil La cage d'écureuil désigne la cage qu'on fabriquait pour l'animalComtesse de Ségur, Les Malheurs de Sophie. L’écureuil, Hachette, 1929, p. 87-100) , dans laquelle était posée une cage tournante appelée originairement « tournetteDéfinition du CNTRL tournette ». Par analogie avec la cage, on a nommé abusivement le tympan, cage d'écureuil. De nos jours, on trouve couramment cette cage tournante dans les cages pour hamster.
Science mécanique grecque
Lorsqu'Archimède doit faire la démonstration devant le roi Hiéron du bénéfice réalisé par l'utilisation de palans dans le déplacement de charges lourdes, il n'a pas à aller très loin car les poulies et les cordages sont déjà d'un emploi courant dans les travaux portuaires de sa Syracuse natale. Et le champ d'application de celui-ci le porte plus naturellement vers le halage des bateaux. Il est très probable, bien qu'aucun de nos textes ne l'affirme expressément, qu'Archimède a, sinon inventé de toutes pièces le palan (πολύσπαστον), la moufle à plusieurs poulies, du moins amélioré la machine, en augmentant notamment le nombre des poulies et en renforçant ainsi sa puissance, et il est sûr qu'il a été le premier à se servir de cet appareil avec une pleine conscience des lois physiques qui y entraient en jeuMugler Charles. Archimède répliquant à Aristote. In: Revue des Études Grecques, tome 64, fascicule 299-301, Janvier-juin 1951. pp. 59-81. Lire en ligne. Aristote pose le premier les bases d'une véritable théorie mécanique, la Mèkané (μηχανή) est la partie de la technique qui vient à notre secours chaque fois qu'il faut faire quelque chose contre la nature, et que l'on est embarrassé par la difficulté;
Avant d'être une science ou une technique, la mécanique est l'attitude de l'homme en opposition avec la nature, en opposition avec les autres hommes pour essayer de les dépasser par une ingéniosité supérieure. En tant que théorie, la mécanique ancienne s'attache à l'explication des lois de l'équilibre (la statique, la scientia de ponderibus médiévale) et traite des principes de la balance (la balance romaine) et du levier, du principe du cercle et de l'axe de rotation. En tant que technique, la mécanique concerne la construction de tous les types de machines quelle que soit leur fonction: il s'agit d'être « supérieur à la nature » en levant des corps que la force de l'homme ne peut soulever mais aussi en forçant l'eau à monter alors que la nature la fait descendre, en envoyant des projectiles plus loin que le bras de l'homme ne peut le faire, mais également ce qui touche à la conception du stratagème (Qui est passé dans le terme « machination ») ; Partes ipsius architecturae sunt très : aedificatio, gnomonice, machinatio, Vitruve fait de la mécanique une partie de l'architecture. Au terme grec Mékanika (Μηχανικά) correspond en grec tout un corpus d’œuvres du même nomFleury Philippe. Le De architectura et les traités de mécanique ancienne. In: Le projet de Vitruve. Objet, destinataires et réception du De architectura Actes du colloque international de Rome (26-27 mars 1993) Rome : École Française de Rome, 1994. pp. 187-212. (Publications de l'École française de Rome, 192) lire en ligne lorsque le monde romain n'en connait qu'un seul, le De architectura de Vitruve. Vitruve utilise le terme machinatio pour désigner la troisième partie de l'architecture, mot qui n'est attesté en latin qu'à partir du milieu du , c'est-à-dire à peu près à l'époque où Vitruve doit commencer à rédiger son traité. Vitruve est donc le seul auteur latin connu à employer machinatio pour désigner une discipline mécanique qu'elle soit scientifique ou technique.
On attribue à Archimède le principe de quelques autres machines simples : le levier, le plan incliné. Il imagine une multitude de machines composées mais néglige de les décrire, et il en reste la seule rumeurCharles Bossut. Histoire générale de mathématiques depuis leurs origines jusqu'à l'année 1808. (Consulter en ligne). Vitruve reporte quelques exemples spectaculaires et astucieux systèmes mis en place par Chersiphron, Métagénès ou Peionius, dont l'historicité n'est pas absolument avérée et fait une large part à une autre catégorie de « machines de charpente », les engins de siège, qu'on voit se multiplier à partir du et pour lesquels les ingénieurs poliorcéticiens rivalisent d'originalité technique et de gigantisme: La tortue d'Hégétor, l'hélépole - huit roue avec inverseur -; mais l'intérêt des traités conservés réside principalement dans la précision des descriptions relatives au montage et à l'agencement des ouvrages, de leur roulement, de leurs techniques de déplacementGeorges Raepsaet. Transport de tambours de colonnes du Pentélique à Éleusis au IVe siècle avant notre ère. In: L'antiquité classique, Tome 53, 1984. pp. 101-136. Lire en ligne. Une tablette de marbre garde la trace (Mèchanè d'Éleusis) d'une lourde machine de charpente ayant servi à transporter des tambours de pierre de à Éleusis.
Le développement de la technique grecque semble s'être arrêté avec les derniers représentants de l'école d'Alexandrie. La primauté de la science sur les techniques et le mépris du travail manuel et, par conséquent, de la technique, le fait d'une certaine aristocratie intellectuelle, sont invoqués comme cause et il semble bien que les Romains ne furent guère des novateurs en matière techniqueGille Bertrand. Histoire des techniques. In: École pratique des hautes études. 4e section, Sciences historiques et philologiques. Annuaire 1974-1975. 1975. pp. 697-728. Lire en ligne.
Principe des machines selon Vitruve
Le monde antique distingue deux espèces de machines : les machines simples, que Vitruve appelle organa (ὀργανικῶς), et les machines composées, machina (μηχανικῶ, mekaniko). Il y a six machines simples, auxquelles toutes les autres peuvent se réduire : la balance et le levier, dont on ne fait qu'une seule espèce, le treuil, la poulie, le plan incliné, le coin et la vis. On pourrait même réduire ces six machines à deux, le levier et le plan incliné : car le treuil et la poulie agissent comme le levier; et le coin et la vis comme le plan incliné. Les machines composées sont celles qui sont formées de plusieurs machines simples, combinées.
« Les deux moteurs ou puissances qui les font agir, différents l'un de l'autre, ne se ressemblent pas; ils concourent pourtant à produire les principes de deux actions : l'une est la force de la ligne droite que les Grecs appellent εὐθεῖα; l'autre, celle de la ligne circulaire qu'ils nomment κυκλωτή. Il n'en est pas moins vrai que la ligne droite ne peut agir sans la circulaire, ni la circulaire sans la droite, dans l'élévation des fardeaux. »
Trois poutres composent l'assemblage des machines dont l'emploi est nécessaire pour la construction des temples et des édifices publics, que nous nommons aujourd'hui une chèvre. Ce nombre est nécessaire pour qu'elle puisse se tenir dressée, et s'appuyer sur elle-même en formant le trépied. Les autres machines à tirer, décrites par Vitruve, sont de même composées de trois poutres, à l'exception d'une seule, qui consiste en une pièce de bois retenue par des cordes. Les différentes dénominations qu'elles ont, viennent uniquement du nombre de poulies qu'on y a adaptées.
Le mot trochlea désigne ce que l'on appelle une moufle. On a donné ce nom à toute la machine, bien qu'il ne s'applique qu'à une de ses parties. Trochlea, en latin, τροχαλία, en grec, signifie proprement une poulie qui est appelée dans le texte de Vitruve orbiculus. Or, le nom d'orbiculus, aussi bien que celui de trochlea, qui signifie une roue, convient mieux à une poulie, qu'à la moufle qui est carrée et qui enferme les poulies dans des mortaises. L'une des moufles étant attachée au haut de l'engin, et l'autre au fardeau, la corde produit son effet, en faisant s'approcher la moufle mobile de celle qui reste fixée au haut de la machine; elle facilite par là l'élévation du fardeau, par la raison que le câble faisant deux replis sur les poulies des moufles, fait le double du chemin que fait la moufle inférieure, en s'approchant de l'autre et, par conséquent, il n'a besoin que de la moitié de la puissance qui serait nécessaire.
Pour prendre les pierres et les attacher à la moufle qui devait les lever, les anciens se servaient d'une espèce de tenaille qu'ils nommaient forcipes et que l'on appelle louve. On rencontre trois espèces de louves, celle des anciens, dont parle ici Vitruve, celle dont Guillaume Philandrier dit qu'on se servait à Rome de son temps, et celle qu'on employait en France du temps de Claude Perrault. Celle des anciens était composée de deux pièces en fer, jointes par un clou au milieu.
La roue de carrier
La grue antique est constituée d'un essieu autour duquel s'enroule un câble. On la fait tourner avec des leviers ou un grand tambour à l'intérieur duquel se déplacent une ou plusieurs personnes. Largement utilisée dans le travail de la pierre elle est appelée "roue de carrier". Des environs de 500 av J.-C jusqu'à la révolution industrielle, la cage d'écureuil est le moteur usuel des grues de quai ou pour l’édification des grands édifices, fortifications, aqueduc, pont, etc..
La machine, appelée majus tympanum (Grand tambour) par les Romains, est décrite dans le Livre X du De architectura de Vitruve :