Les engins de levage de La Roque Saint-ChristopheDescription de la construction et du fonctionnement des engins de levage que l’on peut voir sur le site de La Roque Saint-Christophe.Claude Parisel, Juillet 2013

1. Avant propos

La Roque Saint-Christophe est un site occupé de façon ininterrompue depuis plus de 55 000 ans par l’homme de Neandertal et de Cro-Magnon. Abri naturel dans la falaise surplombant la Vézère, transformé en forteresse au Moyen-âge, il fut détruit en 1588, victime des guerres de religion.

Cet abri naturel sous roche a été rendu accessible au public par près de 80 ans de travaux d’aménagement par la famille Touron, actuelle propriétaire.Il a été classé Monument Historique..

On trouve sur ce site des reconstructions d’engins de levage du Moyen-âge qui m’ont fort intéressé lors de ma visite.

J’ai voulu en faire la description, pour le bénéfice de tous, tant de leur construction que de leur fonctionnement. N’ayant pas les documents de fabrication et les mesures exactes, j’en ai fait un modèle théorique alliant la forme spécifique à l’endroit et les techniques de construction de l’époque.

Claude Parisel,Professeur Émérite, Université de Montréal

Fig. 1: Vue de la terrasse principale

La seule force disponible en dehors de l’eau et du vent, était la force animale et plus précisément humaine. Il était donc essentielle, pour lever ou déplacer de grosses charges, de démultiplier cette force relativement limitée. L’utilisation du levier existe depuis le paléolithique dont le propulseur est un exemple. Mais c’est Archimède qui a compris et maitrisé ses possibilités en disant:« Donnez-moi un point d’appui et un levier, je soulèverais le monde ».

Le principe du levier permet en effet de multiplier la puissance en autant que l’on dispose d’un point d’appui et d’un levier. Il est connu et utilisé depuis la plus haute antiquité.

Une force F1 exercée sur un levier soulèvera une force F2 dans la proportion de la longueur du levier entre F1 et le point d’appui par rapport à la longueur entre le point d’appui et F2. Ainsi un point d’appui situé au 1/4 du levier permettra d’exercer en F2 3 fois la force exercée en F1 (Fig. 2).L’exemple le plus courant est celui du pied de biche. Un appui à une extrémitédu levier donne le même résultat. C’est le cas de la brouette, du décapsuleur ou du casse-noix.

Le même principe peut s’exercer autour d’un axe qui joue le rôle de point d’appui. La différence de rayon entre deux roues représente la différence de longueur du levier. C’est ainsi que l’on applique ce principe dans tous les treuils dont le « treuil à roue », similaire àune « cage d’écureuil » (Fig. 3 & 4) ou pour le cabestan.

Par contre l’envers de la médaille est que le déplacement de la force F1 est inversement plus grand que celui de la force F2. Ainsi dans un rapport de 3 à 1 il faudra déplacer la force F1 sur une distance L1 trois fois plus grande que celle, L2, de la force F2 (Fig.4).

F1

F2

Point d’appui

Levier

2. Principe du levier et du treuil

Levier2

Axe ou Point d’appui

F1

F2

Fig. 2: Principe du levier

Fig. 3: Principe du levier appliqué au treuilfig. 5: Différentes matérialisation du principe du treuil

Levier1

F1F2

Levier

Point d’appui

F1

F2

L1

L2

Fig. 4: Rapport de déplacement des forces

3. Le treuil à roue ou à tambour

Roue

Châssis

Frein

Chèvre inclinable

Poulie

Blocage

Plateau de chargement

Balcon

Glissière de blocage

Chaines de sécurité

Corde de Hallage

Fig. 6 Composantes de l’engin

3.1. Composantes principales de l’engin

Fig. 7 PlanFig. 8 Élévation vue de la falaise

Fig. 9 Élévation de gauche Fig. 10 Perspective

3.2. Construction de l’engin

Le sol est particulièrement raboteux et demande d’installer une assise solide au moyen de cales en bois ou en pierre selon les dénivelés, le tout bien ancré dans la pierre.

L’assise de l’engin a donc nécessitéune mise à niveau avec, principalement, deux pièces de bois plus ou moins insérées et ancrées dans la pierre du sol.

Fig. 11 état du solFig. 12 Exemple de mise à niveau sur le treuil horizontal Fig. 13 Assise de l’engin

3.4. Construction de la base du châssis

La base du châssis est faite avec de grosses pièces de bois formant un cadre triangulé. Les assemblages illustrés ne correspondent pas nécessairement à ceux utilisé à la Roque Saint-Christophe mais aux façons de faire classique au Moyen-âge.

Tenons et mortaises ou assemblage à mi-bois avec des gougeons sont utilisés pour l’assemblage des pièces de charpente.

Dans plusieurs cas des contreventements extérieurs supplémentaires sont placés pour rigidifier la poutre de traverse avec le châssis rectangulaire.

Fig. 14 Éclaté de la base du châssis

Fig. 15. Châssis assemblé

Fig. 16 Type d’assemblage par tenon et mortaise

3.5. Construction du châssis

Le châssis proprement dit doit être monté avec le treuil et donc la roue. Les deux poteaux verticaux sont contreventés par rapport à la base par trois étais chacun.

On trouve à La Roque Saint-Christophe une pièce de liaison supplémentaire entre le poteau et un des étais qui n’existe pas normalement, sans que l’on ai pu en découvrir la raison (fig. 19-1).

Le jointement des pièces se fait par des gougeons (fig.19-2).

Un trou sur les poteaux semble indiquer un point de graissage du treuil qui ne serait pas accessible autrement (fig.20-3).

1

2

3

Fig. 19 Détails Fig. 17 Éclaté du châssis

Fig. 18 Assemblage du châssis

Fig. 20 Graissage

3.6. Construction de la roue

La roue est faite de 12 morceaux de bois assemblés à mi-bois et riveté(fig. 22). Le cercle ainsi formé est solidifié par 2 paires de madriers, eux aussi assemblés à mi-bois, solidarisés et contreventés.

On remarquera que la partie encochée des madriers est solidifié par une lame de métal pour rétablir la solidité du bois (fig. 21).

Les deux roues ainsi formées sont enfilées sur le treuil et réunie par des planches servant de chemin pour le déplacement de l’homme.

On peut trouver en alternative une seule roue traversés par une série de grands gougeons que l’homme parcourait de l’extérieur comme une échelle.

Fig. 21 Lame de métal

Fig. 22 Rivetage Fig. 25 Assemblage final Fig. 24 Roue assemblée

Fig. 23 éclaté de la roue

3.7. Construction du balcon

Fig. 26 Éclaté du balcon

Fig. 27 Image du balcon

Le balcon est la partie qui surplombe la falaise et reçoit les marchandises.

Construit en porte à faux il est assujetti au châssis par deux madriers et une lise de bord. On peut voir aussi deux support en équerre qui peuvent être rivés à la roche ou plus simplement encavé dans un trou pratiqué dans la falaise.

Le garde fou vient s’ajouter avec une ouverture contrôlée par deux portes pour entrer ou sortir le plateau de chargement. Ces portes sont fermées au moment du levage. Elle ne s’ouvrent que pour des charges très volumineuses.

Les barrières sur le bord de la falaise sont juste indicatives d’une protection nécessaire pour ne pas tomber.

3.8. Construction de la chèvre

La chèvre, connue depuis la plus haute antiquité, sert à supporter une poulie pour soulever des poids lourds.

Elle peut être à 1, 2 ou 3 pieds, le plus souvent à 2 pieds comme ici. On trouve cependant sur une autre machine de levage, une chèvre à 1 pied et deux poulies, très commune au Moyen-âge (fig. 31 )

La chèvre est simplement appuyée sur le châssis pour pouvoir pivoter mais pourrait aussi y être retenu par un cordage lâche.

L’arrondi dû à son mouvement est prévu parfaitement dans le modèle, un peu moins à La Roque saint-Christophe (fig. 29 ).

Deux chaînes assure une avancée maximum à la chèvre. On remarquera que la chaîne de gauche relie la chèvre au poteau de gauche du châssis alors que la chaine de droite est assujettie au contreventement de droite du châssis. Cette différence est due à l’encombrement de la roue.

Fig. 29 Usure de la chèvre

Fig. 28 Installation de la chèvre

Fig. 30 Image de la chèvre Fig. 31 Chèvre à 1 pied et 2 poulies

3.9. Fonctionnement de la chèvre

A

B

Treuil

Glissière

ChainesBlocage

La chèvre peut prendre deux positions extrêmes:

[A], la position la plus avancée sur la falaise. Sa limite d’inclinaison est assurée par un ensemble de 2 chaînes tendues et permet de descendre et monter le plateau de chargement.

[B], la position la plus relevée. Elle est fixée par un gougeons d’acier sur le bras de la glissière et permet de ramener le plateau de chargement sur le balcon.

Le mouvement est contrôlé par le blocage, disque fixé à la corde à un endroit stratégique. Lorsque le blocage atteint la poulie de la chèvre, la remontée est bloquée. L’action du treuil entraine donc aussi la chèvre qui se relève. Le bras de la glissière recule dans sa rainure et la position finale est stabilisée par un gougeons d’acier.

On peut, alors, relâcher la corde du treuil et déposer le plateau de chargement sur le balcon.

Fig. 32 Fonctionnement de la chèvreFig.33 Image du blocage et de la glissière

3.10. Fonctionnement du frein

Fig. 34 Image du frein

Le frein utilisé est relativement primitif. Il a été rajouté par la suite. Le freinage principal est effectué par la position de l’utilisateur dans la roue qui marche à reculons. Celui-ci ne sert qu’à stabiliser la roue.

Il est assuré par un madrier inséré sous un des cercles de la roue et manœuvré au pied par un simple effet de levier (Fig.34).

En appliquant le poids d’un homme sur le levier, on soulève le madrier qui vient frotter sur la roue et ralentir ou stopper sa rotation.

Ce frein aidait à ralentir la descente du plateau de chargement en plus de l’effet du poids de l’homme dans la roue qui s’exerçait dans le sens inverse. D’autres systèmes à patin double sur le même genre de machine sont nettement plus sophistiqués (fig.35)!

Fig. 35 Frein à double patins. Chantier de Gédelon. Wikipédia

4. Le treuil de puits

4.1. Composantes principales de l’engin

Ancrage

Châssis

BalconBaril

Seau

Roue àinertie

Roue à treuil

Chaîne de retenue

Diabolo

Fig. 36. Composantes de l’engin

Fig. 37. Plan

Fig. 39. Vue de face

Fig. 38. vue de droite Fig. 40. Vue de gauche

4.2. Accrochage au roc

La configuration particulière du site a permis d’accrocher la machine au roc.

Un renfoncement dans la falaise [A] a été mis à profit pour fixer les deux poutres du châssis alors que deux autres ont été fixés par des entailles dans le roc [B]. Cette solution est unique au site.

[B]

[A]

Fig. 41. Accrochage de l’engin à la pierre

4.3. Construction du châssis

Le châssis est monté et installé.

Deux câbles d’acier rejoignent un piton inséré dans le roc et viennent sécuriser le tout (fig. 42).

La structure du plancher du balcon est retenu par deux chaînes et accroché au châssis (fig. 43).

Fig. 42. Retenue au roc Fig. 43. Retenue du plancher

4.4. Construction des roues

Une roue à échelons, agrémentée de 8 manivelles de chaque côtépour faciliter la manœuvre du treuil, sert à lancer le mouvement. La roue à inertie, pleine et ferrée, munie d’une manivelle, est un volant d’inertie et permet d’entretenir et accélérer le mouvement. Elles ne sont pas utilisées en même temps.

Fig. 44. Roue d’inertie Fig. 45. Roue à manivelle pour la manœuvre

Fig. 46. Fixation de la roue àmanivelle sur le treuil

4.5. Installation du treuil

Le plancher est posé sur la structure et dispose de deux trous pour le passage des seaux d’eau.

Le treuil est installé dans sa coche et fixé avec un sabot sur le châssis.

Les roues peuvent alors être enfilées sur l’axe du treuil et fixées.

Fig. 47. Construction du plancher Fig. 49. Installation des roues

Fig. 48. Installation du treuil

4.6. Installation des cordes

Il reste à installer le système de poulies et de corde (fig. 50).

Un « diabolo » central permet d’inverser les mouvements de la corde.

Le parapet et deux tonneaux assurent la sécurité autour de la plateforme et des deux trous de passage des seaux (fig. 51).

Fig. 50. Installation des poulies et cordages Fig. 51. Installation des protections

4.7. Principe de fonctionnement

Le principe consiste à n’avoir qu’une corde faisant un tour et demi autour du diabolo aux extrémités de laquelle sont attachés deux seaux.

Tourner la roue dans un sens fait monter un seau et descendre l’autre.

Dans l’autre sens c’est l’inverse.

Lorsqu’un seau atteint l’eau de la rivière, il se rempli de lui-même alors que l’on vide celui qui est remonté.

On amorce alors la rotation dans le sens inverse pour descendre celui qui a été vidé et remonter celui qui est plein.

Diabolo

Fig. 52. Description du fonctionnement.

Fig. 53. Remplissage du seau

4.8. Images

Fig. 54. vue générale Fig. 57. Roue à inertieFig. 56. DiaboloFig. 55. Vue de proche de la roue à échelon

Fig. 59. Vue de gaucheFig. 58. Vue de droite

5. La grue à balancier

5.1. Composantes principales de l’engin

Châssis

Flèche

Contrepoids

Tourelle

Axe de balancement

Cordes de direction

Cordes de levage

Axe de rotation

Corde de direction

Fig. 60. Vue générale

Fig. 62. Vue de face

Fig. 64. Vue en plan

Fig. 61. Vue de gauche

Fig. 63. Vue de droite

5.2. Le châssis

C’est le châssis qui assure la stabilité de la grue. Il demande donc une assise solide et difficile à renverser.

C’est assuré par un empattement assez large et quatre contreventements

L’axe de rotation de la tourelle présenté ici reste une interprétation car il n’est pas visible sur place.

Fig. 65. Construction du châssisFig. 66. Photo du châssis

5.3. La tourelle

5.4. La flèche

C’est la partie qui tourne horizontalement sur le châssis et supporte la flèche. L’axe vertical en fer sur lequel repose la tourelle, risque de faire éclater le bois s’il y a un effort latéral. C’est la raison de la «cage » de fer qui enrobe le bas de la tourelle.

C’est la partie qui assure le transport de la charge et s’ajuste sur la tourelle. Formée de 2 pièces de bois cerclées par deux bande de fer, elle dispose d’une traverse pour assujettir des cordes de levées et des anneaux pour les cordes qui permettent le positionnement de la grue. On remarquera que l’utilité est toujours une occasion d’expression artistique avec cette magnifique sculpture de tête de dragon.

On remarquera deux encoches sur la pièces du bas qui permettent de bloquer l’inclinaison de la flèche sur la tourelle.

Traverse

Cage de fer

Fig. 67. Construction de la tourelle

Fig. 69. Photo de la sculpture de la flèche

Fig. 68. Construction de la flèche

5.5. Le contrepoids

La dernière partie de la grue est le contrepoids. C’est une sorte de panier dans lequel on peut disposer des poids variables. Le plus souvent il s’agit de l’eau, du sable, des pierres ou des billes de plomb.

Il faut s’assurer de pouvoir le remplir et le vider facilement. Pour cela le sable semble un matériel pratique tant pour le remplissage que pour vider le godet par un trou fermé par un bouchon.

5.6. Alternatives

Cette grue possède un mouvement d’inclinaison et de rotation ce qui limite passablement la zone de travail. Un mouvement de translation supplémentaire assuré par des roues accroitrait de beaucoup ses possibilités.

On trouve cependant une étrange machine qui a remplacé le mouvement d’inclinaison par l’ajout d’une cage à écureuil pour monter et descendre la charge et qui sert en même temps de contrepoids (fig. 71).

Fig. 70. Construction du contrepoids

Fig. 71. Grue à cage d’écureuil. Abbaye de Hambye. Wikipédia

5.7. Principe de fonctionnement

HD

elta

H

D

Axe

L1 L2K1 K2

Axe

La flèche repose sur un axe de rotation tant horizontal que vertical. Le rapport entre les leviers de part et d’autre de l’axe (L1 & L2) détermine le rapport de force (F1 & F2). Ainsi un rapport de 2 pour 1 demandera une force double du poids àlever.

Un changement dans l’inclinaison de la flèche ne change pas ce rapport (L1/L2 = K1/k2) quelque soit l’inclinaison.

La force F2 est le cumul de celle du contrepoids et des personnes qui tirent sur les cordes.

La zone de dépôt de la charge (D) selon l’inclinaison dépend de l’angle maximal d’inclinaison et de la longueur de la corde qui doit être tendue. On ne peut dépasser facilement 40 à 45 degrés ce qui laisse une zone relativement étroite (fig. 72).

F1

F2

On peut aller chercher une charge à l’extérieur de la zone de dépôt avec une corde inclinée.

Mais le balancier devra lever et tirer la charge jusqu’à la verticale induisant une force FF de friction sur le sol et une force équivalente FR de renversement de la grue. La corde subira une traction (F3) plus grande que le poids de la charge (fig. 73).

FF

FR

F1

F1 F3

Fig. 72. Principe général

Fig. 73. Cas d’un charge éloignée

Zone de dépôt

Fig. 74. Délimitation de la zone de dépôt.

Axe

D

A

L

D

H

Que la charge soit en dehors de la zone de dépôt à l’extérieur ou à l’intérieur ne change rien aux forces en présence. Seul le sens de renversement de la grue change (fig. 75).

Il faut beaucoup d’expérience pour amener une charge au bon endroit de la zone de dépôt.

Pour l’amener à une distance [A] de l’axe de rotation, il faut calculer la différentielle [D] entre la hauteur de la flèche [H] et la longueur de la corde [H+D].

C’est en effet la longueur de la corde qui détermine la distance de dépôt par rapport à l’axe de rotation et l’inclinaison de la flèche:

[A]x[A] = [L]x[L] – [D]x[D]

Selon le théorème de Pythagore…

(fig. 76)

Fig. 75. Cas d’une charge proche

Fig. 75. Calcul de la longueur de la corde

5.8. Images

6. Le treuil horizontal

6.1. Composantes principales de l’engin

Ecoperche

Blocage

Corde de treuil

Charge

Corde de retenue

Système de cliquet

Poulie longue

Châssis

Ancrage au roc

Treuil

Fig. 76. Vue générale

Fig. 78. Vue en plan

Fig. 77. Photo de l’engin

Fig. 80. Vue de côtéFig. 79. Vue de face

6.2. Le châssis

Ancrage

Coin

Berceau du treuil

Dessus duberceau

Goupilles de fixation

Chevilles

Le châssis est une structure simple, contreventée, construite à tenons et mortaises. Sa fixation au plafond de pierre se fait par un ancrage mobile inséré dans les poteaux verticaux. Une fois le châssis monté, en remonte l’ancrage dans une cavité du plafond par le biais d’un coin. La remontée dans la pierre est faible mais suffisante pour assurer la stabilité.

Le berceau du treuil est fixé par tenons et mortaises au châssis. Une fois le treuil déposé, on fixe le dessus du berceau à l’aide de goupilles de fixation ce qui permet de le retirer pour démonter l’ensemble ou pour effectuer le graissage.

Fig. 81. Construction du châssis

Fig. 82. Fixation au plafond

Fig. 83. Assise du treuil

6.3. L’écoperche

L’écoperche ou grande perche est une forme courante utilisée dans beaucoup de machines différentes, Le bout de la perche comprend deux poulies pour la corde de levage.

L’écoperche est rattachée au châssis par de simples cordages permettant un ajustement fin de l’alignement avec le treuil. Des calles règlent l’horizontalité et le blocage se fait sur le châssis.

Fig. 84. Construction de la perche

Fig. 85. Photo de l’arrimage de la perche sur le châssis

6.4. Le treuil et le système de cliquet

Le treuil est un simple arbre horizontal équipé de deux paires de leviers pour être manœuvré par deux personnes.

Deux paires de goupilles limitent l’enroulement de la corde à une partie déterminée du treuil.

Le cliquet comprend deux parties, une roue dentée et un bras d’arrêt mobile sur son axe.

Quand le treuil tourne dans le sens des aiguilles de montre le bras se soulève légèrement et saute d’une dent de la roue à l’autre. Par contre il empêche tout mouvement de la roue en sens contraire, bloquant ainsi la redescente de la charge.

Pour débloquer le treuil, on retire la bras libérant ainsi son mouvement pour descendre la charge au sol.

Goupilles de limite d’enroulement de la corde.

Leviers

Fig. 87. Cliquet en position anti-descente

Fig. 88. Cliquet libéré

Roue dentée

Bras d’arrêt

Cliquet

Fig. 86. Photo du système de cliquet

Fig. 90. composantes du cliquet

Fig. 89. Construction de l’axe du treuil

6.5. Le fonctionnement

En position de montée de charge, l’écoperche est retenue dans les cordes de retenue jusqu’à temps que le blocage arrête la corde de levage et remonte la perche. La perche relevée, les cordes de retenues sont devenues trop longues. Il suffit de les retendre en modifiant leur trajet pour maintenir la perche dans cette nouvelle position. On peut alors dégager le cliquet et redescendre la charge sur le sol.

Blocage

Corde de retenue en position de montée de

charge

Cordes de retenue en position retendues après la levée de la perche

Fig. 91. Fonctionnement de l’engin

6.6. Images

Fig. 92. Photo du treuil horizontalFig. 93. Perspective en image de synthèse

Fig. 94. Perspective en image de synthèse

7. Le treuil vertical ou cabestan

7.1. Composantes principales de l’engin

Treuil vertical

Pince

Corde de halage

Bras de leviers

Base

Fig. 95. Vue générale

7.2. Le treuil 7.3. La pince

C’est la machine la plus simple, appelée cabestan sur les bateaux et qui sert à remonter les ancres. Treuil vertical qui est ici ancré sur le sol et le plafond de pierre. Des bras de leviers plus ou moins long sont fixés sur le treuil. Plus long pour plus de démultiplication de la force, plus court pour moins de trajet, plus nombreux pour plus de manœuvres.

Il sert ici à tirer des charges sur le sol. Il n’a donc pas besoin de frein, le frottement étant suffisant pour stabiliser la situation.

Pour tirer la charge on peut utiliser des patins. Ici on utilise un outil courant, un sorte de pince qui se referme sur la charge à la traction. La traction se transmet sur les chaines qui se décompose aux bras de la pince en traction et serrement. Le pourcentage de l’un et de l’autre dépend de l’angle de la chaine avec la corde. Plus la traction est forte, plus la pince se referme sur la charge.

Fig. 96. Construction du treuil

Fig. 100. utilisation de la pince

Fig. 98. Photo de la pince

Fig. 99. forces sur la pince

Fig. 97. Photo de l’ancrage

7.3. Images

Fig. 101. Image se synthèse du treuil Fig. 102. Photo du treuil

Fig. 103. Cabestan sur la rive gauche de l’Adour, à Urt, construit par l’association Val d’Adour Maritime.

Fig. 104. Cabestan sur le voilier Balclutha

7.4. Alternatives

Ce cabestan très spécial, servait à la pêche sur l’Adour. Les leviers sont remplacés par une sorte de roue horizontale permettant d’accepter beaucoup de personnes en même temps.

C’est le cabestan typique de la marine qui servait principalement à abaisser ou relever les ancres. On remarque les encoches pour fixer plus ou moins de leviers

Hommage à l’ingéniosité des gens du Moyen-âge et bonne visite Fig. 105. L’homme de Vitruve