ローマのトレッドホイール式クレーン模型の製作 ― 古代の建設機械

6 mmの広葉樹のダボから垂直なマストを切り出します。高さは約25 cmです。ベースボードの中央に開けた穴に垂直に接着します。マストからベースへ、反対側の両方向に約45度の角度で、約12 cmに切ったより短いダボの二本の斜め補強材を接着して補強します。これらの補強材は、ヴィトルウィウスが「retinaculae」と呼んだ支柱梁に相当し、荷重時にマストが倒れるのを防ぎます。マストは完全に垂直でなければなりません(小さな下げ振りで確認してください)。マストの上部には、ブーム(ジib)取り付け用のピボットピンを通すため、ダボを水平に貫く穴を開けます。実物大のローマ式クレーンのマストは、通常、高さ8〜12メートルの一本の木材で、三方または四方から控え綱で直立に支えられていました。

6 mmのダボルから、長さ約20 cmのブーム(ジブ)を切り出します。穴あけした孔にピンを通して、一端をマストの上部に取り付け、ブームが上下に回転できるようにします。ブームの先端(自由端)には複合プーリーブロックを取り付けます。直径2 cmの小さな木製円盤2枚に車軸用の穴をあけ、短いピンに並べて取り付けます。そのピンを小さな木製ブラケットでブームの先端に固定します。この対になったプーリーは、ウィトルウィウスが記述したトロクレア(プーリーブロック)を表しています。マストの上部付近には、もう一組のプーリーを取り付けます。ロープはこの2組のプーリーの間を交互に通し、機械的利点を生み出します。滑車(シーブ)が4つある実際の複合プーリーでは、機械的利点は4:1になります。つまり、1単位の引く力で、摩擦損失を除いて4単位の荷重を持ち上げることができます。

薄い合板から直径約12〜15 cmの円を切り出します。これがトレッドホイールのドラムを表します。中心に穴を開け、基板の後ろにある支柱に取り付けた2本の直立ブラケットで支えられた水平な車軸(釘またはピン)に取り付けます。トレッドホイールは車軸上で自由に回転しなければなりません。内周に沿って小さな木製のペグまたは細長い木片を貼り付け、踏み段を表します。実物大のローマのトレッドホイール(直径約4〜5メートル)では、作業員がハムスターの回し車のようにホイールの内側を歩き、その体重でホイールを回転させ、ロープを車軸ドラムに巻き取っていました。トレッドホイール自体の機械的利点は、ホイールの半径とドラム(車軸)の半径の比で、半径2.5メートルのホイールと半径15 cmのドラムの場合、約16:1の利点が得られ、これに滑車の比を掛け合わせます。

標準的な複滑車の経路に従って、ロープを滑車装置に通してください。一端を固定された上部滑車ブロックの金具に結び、下方へ導いて最初の下部(ブーム先端)滑車の周りを回し、再び上方の第二上部滑車へ戻し、下方の第二下部滑車へ通します。そして自由端を下ろしてトレッドホイールのドラムまで導き、そこで結んで車軸の周りに数回巻き付けます。荷物を吊るすための小さなフックまたはループを下部滑車ブロックに取り付けてください。ロープの経路は交差や絡まりなくすっきり通っている必要があります。トレッドホイールが回転すると、ロープがドラムに巻き取られ、滑車を通してロープが引かれ、荷物が持ち上がります。四連の複滑車では、ドラムに巻き取られる1メートルごとのロープが荷物を25センチメートル持ち上げます。これは力と距離のトレードオフであり、すべての単純機械を特徴づける原理です。

下側の滑車ブロックのフックに小さな重り（硬貨を入れた袋や釣り用のおもりなど）を掛けます。指で回してトレッドホイールをゆっくり回します。荷重はなめらかに上がるはずです。同じ重さを直接持ち上げる場合と複滑車を通して持ち上げる場合の必要な力を比べてみましょう。滑車装置を使うと荷物はかなり軽く感じられるはずですが、ロープは長い距離を引く必要があります。これは、ローマの技術者が大規模に活用した機械的利点の基本原理を示しています。ハテリイのレリーフ（ローマにある1世紀の墓碑）には、稼働中のローマのトレッドホイール式クレーンが描かれており、これらの機械の規模と複雑さがわかります。ウィトルウィウスは、複滑車とトレッドホイールを備えたクレーンなら、わずか数人で操作でき、ロープを直接引けば数十人の労働者が必要となるような荷重を持ち上げられたと記しています。