Grue & poulie

Une grue soulève une charge en échangeant de la distance contre de la force : une corde passe dans plusieurs poulies et s'enroule sur un tambour mû par un treuil ou une roue à cage, si bien que quelques personnes lèvent une pierre plusieurs fois plus lourde qu'elles. Les bâtisseurs grecs l'employaient dès la fin du VIe siècle av. J.-C., et ceux de Rome et du Moyen Âge s'en sont servis pour bâtir temples et cathédrales et pour charger les navires.

Ce que c’est

Une grue est une charpente qui tient une charge en l’air pendant qu’on la soulève, à bras ou au moteur. La grue antique comptait trois éléments : une charpente ou un mât tenu par des haubans, un jeu de poulies à son sommet et un treuil à sa base. Le treuil était un axe horizontal manœuvré avec des leviers, ou une grande roue dans laquelle marchaient des hommes, la roue à cage.

Chacun de ses éléments, le levier, la roue et la corde, est plus ancien que la grue. Elle les combine pour que la petite force de quelques personnes, appliquée sur une longue distance, devienne une grande force sur une courte distance.

Comment ça marche

Le palan le plus simple : deux brins portent la poulie mobile, et il suffit de tirer environ la moitié du poids.

Une poulie fixe seule ne fait que changer la direction de l’effort. Le gain apparaît quand la charge pend à une poulie mobile. La corde la tient alors par deux brins, et chacun porte la moitié du poids. Pour lever la pierre d’un mètre, il faut tirer deux mètres de corde, mais avec moitié moins d’effort.

Ajoutez des poulies aux deux moufles et la charge se répartit sur plus de brins. Vitruve, à la fin du Ier siècle av. J.-C., nomme les palans d’après leur nombre de poulies : trois pour le trispastos, cinq pour le pentaspastos, un grand nombre pour le polyspastos. Avec cinq brins, un effort égal au poids de 20 kg retient environ 100 kg, frottements non compris. Le frottement des axes reprend une partie du gain, et d’autant plus qu’on ajoute des poulies.

Le treuil multiplie la force une seconde fois. Une corde enroulée sur un axe mince tourné par de longs leviers agit comme un treuil à roue : si les leviers sont dix fois plus longs que le rayon de l’axe, la force sur la corde vaut dix fois celle exercée sur les leviers. La roue à cage fonctionne de même, avec pour effort le poids des hommes qui marchent dedans. Pour les charges très lourdes, Vitruve décrit un tambour assez large pour que des hommes y marchent, plus puissant qu’un cabestan.

Tenailles de levage grecques : en tirant sur l’anneau, on serre les pointes dans les encoches taillées dans le bloc.

Encore faut-il tenir la charge. Les bâtisseurs grecs taillaient dans leurs blocs des trous ou des rainures en U pour les cordes, utilisaient des tenailles de fer dont les pointes entraient dans des trous latéraux, ou plaçaient une louve, un coin de fer en queue d’aronde, dans un trou creusé sur le dessus. Ces entailles, encore visibles sur les pierres des temples, sont la principale preuve de l’emploi des grues. Vitruve décrit des tenailles de fer suspendues sous la moufle inférieure, dont les dents entrent dans des trous de la pierre. Les grues de chantier de ce type avaient peu de portée latérale : on déposait donc le bloc près de sa place et on l’y poussait au levier.

Comment la fabriquer

Une maquette de table montre comment poulies et treuil multiplient la force. Gardez-la petite : c’est une démonstration, pas un appareil de levage.

Monter la charpente. Liez près du sommet deux tourillons ou manches à balai d’environ 1 m, écartez leurs pieds d’environ 50 cm sur une planche de base et vissez-les. Serrez la planche sur une table solide avec des serre-joints pour que la maquette ne puisse pas basculer, et tendez deux cordelettes du sommet à des pitons à l’arrière de la planche, pour que la charpente penche légèrement vers l’avant tout en gardant la charge au-dessus de la planche.

Gréer le palan. Suspendez au sommet une petite moufle à deux réas et, en dessous, une moufle à un réa. Attachez une cordelette solide au haut de la moufle inférieure, passez-la sur un réa du haut, sous le réa du bas, puis sur le second réa du haut. Trois brins portent désormais la moufle inférieure.

Ajouter un treuil. Percez chaque pied près du bas et passez dans les deux trous un court tourillon qui tourne librement ; collez une manivelle à un bout ; l’extrémité libre de la cordelette sera attachée au milieu après le premier essai ci-dessous. Percez dans un pied un trou pour une cheville amovible : cheville en place, la manivelle s’appuie contre elle et retient la charge. Gardez la main sur la manivelle chaque fois que vous retirez la cheville pour continuer à enrouler.

Mesurer le gain. Faites ce premier essai avant d’attacher la cordelette au tourillon. Pesez la moufle inférieure, puis accrochez-y un sac de sable de 500 g au plus. Tirez lentement et régulièrement sur le bout libre avec un peson, en ne levant le sac que de quelques dizaines de centimètres : vous devez lire un peu plus du tiers du poids du sac et de la moufle réunis ; le reste est du frottement. Reposez le sac, attachez la cordelette au milieu du tourillon et comparez la course de la manivelle à la hauteur dont monte le sac.

Sécurité. Gardez la main sur la manivelle tant que la charge est levée : un simple axe repart en arrière dès qu’on le lâche. Placez la maquette là où un sac qui tombe ne peut atteindre ni mains ni pieds, et tenez les doigts à l’écart des poulies et de l’axe d’enroulement. N’agrandissez pas la maquette pour lever des objets lourds : un vrai levage exige du matériel homologué pour lever et descendre des charges suspendues, utilisé par des personnes formées à l’élingage.

Histoire et évolution

La poulie apparaît sur un relief assyrien du IXe siècle av. J.-C. Au VIIe siècle av. J.-C., des bâtisseurs grecs creusaient des rainures pour les cordes dans des blocs de 200 à 400 kg à Isthmia et à Corinthe, et certains chercheurs pensent qu’on essayait déjà des bâtis de levage. Les grues deviennent courantes sur les chantiers grecs vers 515 av. J.-C., quand apparaissent les entailles pour tenailles et pour louves sur des temples comme celui d’Apollon à Delphes. La première description écrite claire du palan se trouve dans les Problèmes mécaniques, un texte grec du début du IIIe siècle av. J.-C.

Les bâtisseurs romains utilisaient à la fois le treuil et la roue à cage. Un relief du tombeau de la famille des Haterii, à Rome, sculpté vers 100 apr. J.-C., montre une grue à roue en action. D’après des estimations modernes, qui supposent un palan de trois rangées de cinq poulies, la plus grande grue à palans, le polyspastos, levait environ 3 tonnes avec quatre hommes au treuil, et environ 6 tonnes avec une roue à cage. Les plus lourds blocs romains, comme les architraves de Baalbek, demandaient plusieurs grues ou d’autres moyens.

Une roue à cage médiévale installée au-dessus des voûtes : la corde descend du tambour par une ouverture du plancher.

Les roues à cage réapparaissent dans les comptes de chantiers français vers 1225, et des grues portuaires sont attestées à Utrecht en 1244, à Anvers en 1263 et à Bruges en 1288. Les bâtisseurs gothiques installaient souvent leurs treuils sur la charpente, au-dessus des voûtes en construction, et plusieurs roues à cage médiévales subsistent dans des tours d’églises anglaises. La grande grue du port de Gdańsk, bâtie en 1442-1444, a brûlé en 1945, et sa charpente a été reconstruite. En 1586, Domenico Fontana dressa l’obélisque du Vatican, estimé entre 330 et 360 tonnes, avec une tour de levage en bois. Dès 1801, deux machines à vapeur actionnèrent les grues du chantier des docks de Londres, et dans les années 1840 William Armstrong construisit des grues hydrauliques mues par l’eau ; le moteur électrique et les flèches d’acier vinrent ensuite, mais les grues lèvent toujours avec des moufles et un tambour.