Создание модели римского кранадвижимого колесом — древняя строительная техника

Вырежьте вертикальную мачту из деревянного круглого стержня (шпильки) из твёрдой древесины диаметром 6 мм, высотой примерно 25 см. Вклейте её вертикально в отверстие, просверленное в центре основной доски, и укрепите двумя диагональными распорками (более короткими стержнями длиной примерно 12 см), приклеенными от мачты к основанию под углом около 45 градусов с противоположных сторон. Эти распорки соответствуют балкам-растяжкам, которые Витрувий называет 'retinaculae' — они не дают мачте опрокинуться под нагрузкой. Мачта должна стоять строго вертикально (проверьте с помощью небольшого отвеса). В верхней части мачты просверлите горизонтальное отверстие сквозь стержень для установки оси шарнирного крепления стрелы (джиба). Мачта натуральной римской подъёмной машины обычно представляла собой один брус высотой от 8 до 12 метров, удерживаемый в вертикальном положении растяжками с трёх или четырёх сторон.

Выпилите стрелу (гик) из деревянного штыря диаметром 6 мм длиной примерно 20 см. Закрепите один конец на верхушке мачты штифтом, проходящим через просверленное отверстие, так чтобы стрела могла поворачиваться вверх и вниз. На дальнем (свободном) конце стрелы установите сложный блок — просверлите отверстия для осей в двух небольших деревянных дисках (диаметром 2 см) и установите их рядом на короткий штифт, который крепится к концу стрелы небольшим деревянным кронштейном. Эта пара шкивов represents трохлею (блок с шкивом), которую описывает Витрувий. На мачте near верхушки установите ещё одну пару шкивов. Канат будет переплетаться между двумя парами шкивов, создавая механическое преимущество. В настоящем сложном блоке с четырьмя шкивами механическое преимущество составляет 4:1, то есть одна единица тянущей силы поднимает четыре единицы веса груза (за вычетом потерь на трение).

Вырежьте из тонкой фанеры круг диаметром примерно 12–15 см — это будет барабан ворота с педалями. Просверлите центральное отверстие и установите его на горизонтальную ось (гвоздь или штифт), закреплённую двумя вертикальными кронштейнами, прикреплёнными к основанию позади мачты. Ворот с педалями должен свободно вращаться на своей оси. Приклейте небольшие деревянные колышки или планки по внутренней окружности, чтобы обозначить ступени для шагания. В полноразмерном римском колесе с педалями (диаметр примерно 4–5 метров) рабочие шли внутри колеса, как в беличьем колесе, и их вес тела, вращая колесо, наматывал канат на барабан оси. Механическое преимущество самого колеса с педалями равно отношению радиуса колеса к радиусу барабана (оси): колесо радиусом 2,5 метра с барабаном радиусом 15 см дает примерно 16:1, умноженное на передаточное отношение блока.

Проденьте трос через систему блоков по стандартному пути сложного полиспаста: один конец закрепите на неподвижном верхнем кронштейне блока, проведите его вниз и вокруг первого нижнего (на конце стрелы) блока, затем обратно вверх ко второму верхнему блоку, вниз ко второму нижнему блоку, после чего выведите свободный конец вниз к барабану колеса-тредбана, где его завяжут и намотают несколько витков вокруг оси. Прикрепите небольшой крюк или петлю к нижнему блоку для подвешивания грузов. Путь верёвки должен проходить чисто, без перекрестов и запутываний. Когда колесо-тредбан вращается, оно наматывает верёвку на барабан, протягивая её через блоки и поднимая груз. При четырёхшкивном сложном полиспасте каждый метр верёвки, намотанный на барабан, поднимает груз на 25 сантиметров — компромисс между силой и расстоянием, который определяет все простые машины.

Подвесьте небольшой груз (например, мешочек монет или рыболовный грузило) на крюк нижнего блока. Медленно вращайте колесо-барабан пальцем — груз должен подниматься плавно. Сравните усилие, необходимое для подъёма того же груза напрямую и через сложный блок — система блоков должна заметно облегчить груз, хотя верёвку придётся тянуть на большее расстояние. Это демонстрирует фундаментальный принцип механического преимущества, который римские инженеры использовали в огромных масштабах. Рельеф Хатериев (погребальный памятник I века в Риме) изображает римский кран с ножным колесом в работе, показывая масштаб и сложность этих машин. Витрувий отмечает, что кран со сложным блоком и колесом, приводимым в движение всего несколькими людьми, мог поднимать грузы, для которых потребовались бы десятки рабочих, тянущих верёвку напрямую.