Pour la réalisation des chantiers de construction ou l’exécution de nombreuses tâches, agricoles ou artisanales, voire industrielles, l’homme a éprouvé très tôt le besoin de soulever de lourdes charges. Dès l’Antiquité, les Grecs ont étudié les principes de la mécanique. Ils développèrent une machine de levage, dénommée geranon. Les savants grecs découvrirent que l’usage d’une poulie permet de diviser par deux la force à exercer pour lever une masse.
Archimède (né vers 287 av. J.-C et mort en 212 av. J.-C.) utilisait à Syracuse des poulies et des cordages et mit au point le palan. Par abus de langage, le terme tympan est souvent appelé cage d'écureuil. Le tympan 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 tourner. Les Grecs l'ont appelé geranon (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.
La machine de levage elle-même est appelée grue, gruau, engin, machine ou chèvre, quelquefois aussi « tympan ». Toutefois certains archéologues la nomment tour à tour « machine de levage », « machine de levage à roue motrice », « machine élévatrice médiévale », « roue de carrier ». 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.
L'évolution des treuils et des engins de levage
Au Moyen Âge, on utilisait quotidiennement des grues en bois, constituées d’un arbre et surtout d’une large roue, le câble s’enroulant autour de son essieu. La roue était actionnée par des hommes marchant à l’intérieur, d’où le nom de « cage à écureuil ». La cage tournante se nommait « tournette ». La roue de carrier était une grue utilisée par les carriers. De construction simple, en bois, démontable pour être transportée et montée sur les constructions, la grue à tympan fut utilisée jusqu'au XVIIe siècle par Vauban qui l'installa dans ses places fortes pour tirer l’eau des puits-citernes.
Une cage, d’un diamètre de 2 à 3 mètres, montée sur un axe entraîne un tambour solidaire. Sur ce tambour vient s’enrouler la corde qui tire une charge à soulever. À l’intérieur de la cage, un ou plusieurs hommes marchent pour assurer la rotation. Un cliquet ou tout autre dispositif de sécurité empêche l’inversion accidentelle du mouvement dû à la charge. Un homme pouvait soulever un poids de 180 kg à 4 mètres sans fatigue et pouvait même aller jusqu'à soulever 500 kg de charge (homme de 70 kg, R=1,50 m, r= 0,15 m et un rendement de 0,7).
Pour manoeuvrer cette roue de carrier, un ou plusieurs hommes montaient sur les barreaux comme ils l’auraient fait sur une échelle. Les roues ont progressivement fait place à des engins utilisant la force des chevaux au lieu de celle des hommes. Il s’agit de cabestans ou de treuils à manège. Dans le cas du cabestan, le câble s’enroule autour d’un axe vertical.
Au haut du puits, les carriers ont eu recours à des treuils. En 1670, on utilisa les treuils à grandes roues, capables de hisser des charges sur 25 mètres en moins d'une heure ! Les treuils à chevaux sont alors accolés au puits, ainsi que la plate-forme de chargement. Ces engins pouvaient soulever des charges allant jusqu'à plusieurs tonnes. Les treuils anciens, souvent en bois, n'ont pas toujours résisté au temps, mais il est possible d'en trouver encore quelques-uns en pierre.
Dans les années 1900, à Clamart, on utilisait des treuils à roue. Ces machines vont peu à peu remplacer les hommes qui actionnaient la roue. Les années 1950 voient disparaître le travail avec les chevaux, remplacés par des moteurs. Cette évolution n'est pas une exception ; le cheval est remplacé par un moteur. Le filin s'enroulait autour d'un tambour en bois ou métallique, fixé à une poutrelle métallique.
Alentour des années 50, apparaît le pont roulant métallique, facilitant le transport et le chargement des matériaux du puits sur un véhicule. L'ensemble de ces engins permettait de hisser des charges sur une hauteur de 35 mètres, grâce à un système d'engrenages d'angle et de démultiplication.
La mécanique et les machines simples dans l'Antiquité
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 »).
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 nom lorsque le monde romain n'en connaît 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 Ier siècle, c'est-à-dire à peu près à l'époque où Vitruve doit commencer à rédiger son traité.
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 rumeur. 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 IVe siècle av. J.-C. et pour lesquels les ingénieurs poliorcéticiens rivalisent d'originalité technique et de gigantisme : La tortue d'Hégétor, l'hélépole - huit roue avec inverseur.
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 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.
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.
Le halage et le remorquage des bateaux
Depuis des temps immémoriaux le halage des bateaux, en toutes régions, se faisait à bras d’homme ou, en terme marinier, « à la bricole »; d’autres formes de halage ont pris la relève tel le halage animal, puis, des essais de mécanisation furent entrepris dès le début du 20e siècle. Le halage à la bricole consistait à se placer dans un harnais appelé « bricole », bande de tissu tressée de dix centimètres environ de largeur que l’on plaçait vers les épaules et qui était lié à une cordelette elle-même reliée à la péniche à déplacer. Ce cordage partait du « grand mât » haut de huit à neuf mètres ou du « mât de canal » haut de trois mètres, afin de ne pas accrocher les roseaux ou branchages du rivage et de ne pas traîner dans l’eau, afin d’obtenir le rendement maximum. Le long des canaux et des rivières, se trouvaient des haleurs spécialisés pour ce travail, recrutés pour le parcours au kilomètre ou à la journée.
Le halage mécanique a été utilisé sur les canaux du nord et de l’est de la France où il s’est progressivement substitué au halage animal. Le procédé de propulsion apparaît à la fin du XIXe siècle avec la vulgarisation du moteur électrique qui permet la construction de tracteurs très puissants de petite taille. Ces tracteurs sont équipés à l’origine, de roues à bandages pleins roulant sur le chemin du halage. À partir de 1902, ils circulent sur rails. Ce dernier dispositif permet la généralisation du procédé qui sera complété, pour les voies à faible trafic, par des tracteurs sur pneumatiques, d’abord électriques, puis à moteur diesel. La « traction » mécanique sera définitivement supprimée en 1973.
Le touage mécanique naît de la conjonction de plusieurs technologies, celle des anciens « aquamoteurs », celle de la machine à vapeur (puis du moteur électrique), celle des câbles métalliques souples et des chaînes calibrées. Il a été très utilisé dans notre pays qui s’en est fait une véritable spécialité. Le principe du touage est simple, il consiste en un « bateau-treuil», le toueur, qui se tire lui-même ainsi que les bateaux porteurs qu’il remorque, sur un câble ou une chaîne fixée à terre à son extrémité. Ce principe a connu trois applications différentes successives : L’aquamoteur utilisant la force motrice du courant lui-même, le touage à chaîne continue, le touage à câble à relais. L’aquamoteur n’a connu que des applications limitées à cause des qualités médiocres des câbles de chanvre, seuls disponibles à la fin du XVIIIe et au début du XIXe siècle.
Le remorquage a été utilisé exclusivement en milieu fluvial, pour remorquer des chalands fluviaux de gros tonnage et les bateaux de canal, péniches, flûtes, etc. lorsqu’ils naviguaient en rivière. Les bateaux remorqués étaient disposés en « train », les uns derrière les autres en nombre plus ou moins grand, selon la taille des écluses de la voie fréquentée : cinq bateaux de canal sur l’Oise, quinze sur la Seine entre Conflans et Paris, etc. La puissance du remorqueur est donc fonction du service qui lui est demandé. Comme le touage, le remorquage est complémentaire du halage en canal, ces trois dispositifs de traction couvrant tous les cas de propulsion de bateaux uniquement porteurs, dits sous cet angle « bateaux tractionnés ».
Comprendre le système Bielle-Manivelle – Animation 3D
C’est l’invention du moteur à combustion, le moteur diesel, à la fois puissant, léger et peu encombrant qui va permettre la généralisation de l’automoteur. Le terme d’automoteur recouvre deux catégories distinctes de bateaux : le chaland automoteur de rivière et l’automoteur de canal. L’automoteur de canal est un bateau de gabarit Freycinet, comme la péniche traditionnelle en bois. L’adaptation d’une hélice et d’un moteur à explosion sur un bateau de canal posait de difficiles problèmes techniques ; de plus, il entraînait une modification radicale des aménagements intérieurs et du mode de vie des mariniers. Plusieurs solutions sont expérimentées au lendemain de la première guerre mondiale. Deux techniques vont être utilisées : l’hélice mobile en hauteur, dite « monte et baisse », et l’hélice fixe avec dispositif de ballastage. Pour les anciens bateaux de canal tractionnés, c’est le système dit « motogodille » qui va être le plus utilisé. C’est en Belgique, dans les années trente que l’automoteur de canal atteint son apogée. Les chantiers sortent des bateaux rivés de grande qualité, très recherchés par les mariniers français.
Le poussage : le principe de cette innovation introduite en France à partir des États-Unis est simple ; un bateau moteur et directionnel, le « pousseur », propulse devant lui des unités exclusivement porteuses, les « barges », assemblées de façon rigide. Les avantages, par rapport au remorquage, sont nombreux : les barges n’ont, contrairement aux péniches tractionnées, pas besoin d’équipage… Le « convoi poussé » se comporte comme un vrai bateau et gagne en manœuvrabilité. La résistance à l’eau est également fortement diminuée.