Vanaf de vroegste beschavingen tot de industriële revolutie gebruikte de mensheid spierkracht, organisatie en innovatieve mechanica om gewichten op te tillen die de meeste krachtkranen tegenwoordig niet aankunnen.
Krachtigste handkraan vermenigvuldigde de kracht van de machinist 632 keer
De populairste torenkraan van vandaag kan 12 tot 20 ton hijsen. Dit type kraan was ontoereikend voor veel oude bouwwerkzaamheden.
Het merendeel van de stenen in de meer dan 140 gevonden Egyptische piramiden weegt “slechts” 2 tot 3 ton elk, maar al deze gebouwen (gebouwd tussen 2750 en 1500 voor Christus) bevatten ook blokken van 50 ton. De tempel van Amon-Ra in Karnak heeft 134 zuilen van 23 meter hoog die dwarsbalken van 60-70 ton dragen.
18 hoofdblokken van de zuil van Trajanus in Rome wegen 53 ton en zijn 34 meter hoog (111 voet). De Romeinse Jupiter-tempel in Baalbek heeft bakstenen van 100 ton van 19 meter hoog (62 voet). Voor 50 tot 100 ton heb je zo’n kraan nodig.
Onze voorouders tilden af en toe grotere stenen op. De grafsteen van 275 ton van Theoderik de Grote in Ravenna (ongeveer 520 na Christus) werd 10 meter gehesen. De tempel van farao Khafre in Egypte bestaat uit monolieten van 425 ton.
De hoogste Egyptische obelisk woog meer dan 500 ton en was meer dan 30 meter hoog, terwijl de grootste Ethiopische obelisk (4e eeuw na Christus) 520 ton woog. De Kolossen van Memnon, twee beelden van 700 ton, werden 18 meter hoog opgetild, en het Romeinse tempelcomplex van Baalbek (1e eeuw voor Christus) bevat ongeveer 30 monolieten van 300 tot 750 ton.
Alleen de sterkste kranen konden deze stenen optillen.
Constructievoorwerpen werden gemakkelijk tot grote hoogten getild. De vuurtoren van Alexandrië uit de 3e eeuw voor Christus was 80 meter hoog. Egyptische piramiden bereiken 147m. Tijdens de middeleeuwen werden 80 kathedralen en 500 kerken gebouwd tot 160 meter hoog, onbereikbaar voor de nieuwste topmodel rupskranen.
Fysieke kracht
Hoe konden onze voorouders zulke zware lasten dragen zonder moderne kranen? Ze hadden geavanceerde apparatuur. Mensen dreven deze kranen aan in plaats van fossiele brandstoffen.
Mensen kunnen met spierkracht onbeperkt gewicht tillen. Dit gewicht kan onbeperkt worden opgetild. Kranen op fossiele brandstof verhogen alleen de hijssnelheid.
Dit betekent niet dat één persoon of genoeg mensen iets tot elke hoogte kunnen tillen. Meer dan 5.000 jaar geleden bouwden uitvinders mechanismen die de tilkracht verhoogden.
Hijswerktuigen werden gebruikt voor de bouw, maar ook voor het laden en lossen van producten, het hijsen van zeilen en de mijnbouw.
Alleen door fossiele brandstoffen aangedreven kranen kunnen sneller heffen.
Aanvankelijk hadden hijsmachines een lage hijssnelheid en was er veel mankracht nodig. Voordat stoomkracht de controle overnam, werden door mensen aangedreven hefsystemen zo geavanceerd dat één man een vrachtwagen van 15 ton met één hand kon optillen.
Voordeel mechanisch
Elk hefmechanisme heeft een mechanisch voordeel (MA), dat de invoerkracht vermenigvuldigt met de uitvoerkracht. De snelheidsverhouding is de verhouding tussen invoerkracht en uitvoerkracht over afstand (VR).
In een machine met een mechanisch voordeel van 2: 1 is de invoerkracht de helft van de uitvoerkracht, maar moet deze over twee keer de afstand worden uitgeoefend. Wrijving vermindert het mechanische voordeel van een machine.
Oprijplaten/hendels
De meeste historici zijn het erover eens dat de Egyptenaren eenvoudige hellende vlakken (hellingen en hefbomen) gebruikten om op te tillen (het principe van een wip of wipplank, afbeelding rechts). Hellingen (vermoedelijk) verhoogde obelisken.
Het verplaatsen van een object op een helling vermindert de benodigde kracht, maar vergroot de afstand die het moet verplaatsen. Lengte gedeeld door hellingshoogte is het mechanische voordeel van een vliegtuig. Mechanisch voordeel van een hefboom is de afstand tussen het steunpunt en het krachtuitoefeningspunt gedeeld door de afstand tussen het steunpunt en het op te heffen gewicht.
Hoewel de methoden van de Egyptenaren een mechanisch voordeel boden ten opzichte van het eenvoudig verticaal trekken van de last met een touw, bleef de benodigde mankracht hoog: niet alleen om de stenen te slepen of om te draaien (er moeten 50 mannen zijn geweest om een stenen blok van 2,5 ton te slepen), maar ook om de enorme aarden hellingen te bouwen en te verwijderen.
Historici zeggen dat 20.000 tot 50.000 mannen een piramide hebben gebouwd. Moderne krachtkranen en een klein team zouden in een paar jaar een piramide kunnen bouwen, maar de meeste hadden tientallen jaren nodig.
De katrol van de kraan
De eerste kraanvogels verschijnen in Griekenland rond 600 voor Christus. Romeinen, die graag enorme monumenten wilden bouwen, vonden de technologie uit. Vroege kranen gebruikten een touw en katrol. De enkele katrol werd voor het eerst gebruikt om water uit putten te halen in de 8e of 9e eeuw voor Christus (de shaduf).
Een enkele katrol heeft geen mechanisch voordeel, maar verandert de trekrichting: omlaag is makkelijker dan omhoog. Een verticale opwaartse duw met één hand genereert 150 Newton, terwijl een neerwaartse duw 250 Newton genereert (bron).
Technologie versterkte geleidelijk het mechanische voordeel van kranen. De samengestelde katrol, uitgevonden rond 400 voor Christus, combineert enkele katrollen in een blok. Katrollen gelijk mechanisch voordeel.
Een “Trispastos” kraan heeft twee gekoppelde katrollen en een derde vrije katrol. Mechanisch is het 3-tegen-1. Een “Pentaspostos” kraan heeft een mechanisch voordeel van 5 op 1.
Een complexe katrol helpt een man meer op te tillen. Een enkele man die aan een touw trekt, kan 1 . optillen
50 kg met een Trispastos en 250 kg met een Pentaspostos. Touw is vergelijkbaar. Een touw van 50 kg kan 150 kg hijsen met 3 katrollen en 250 kg met 5 katrollen.
Een kraan met vijf katrollen kan vijf keer meer hijsen, maar het touw moet vijf keer verder worden geduwd.
Samengestelde katrollen verminderen de hefsnelheid en afstand. Trispastos heeft 9 m touw nodig om een last van 3 m te hijsen, Pentaspastos heeft 15 m nodig.
Oude systemen waren vanwege wrijving beperkt tot vijf katrollen. Als er meer hefkracht nodig was, gebruikten de Romeinen twee of meer sets met 3 of 5 katrollen met verschillende bendes (een “Polyspastos”). Aan elk touw kan door meerdere mannen worden getrokken. Romeinse (en middeleeuwse) kraanvogels verliezen 20% van hun kracht door wrijving (bron).
Lieren/kaapstanders
De ankerlier (of lier) en kaapstander vervangen touwtrekken. Ze zijn uitgevonden met de samengestelde katrol. De horizontale as van de lier is anders dan de verticale as van de kaapstander.
Beide gebruiken handspikes of hendels die in drumsleuven worden gestoken om mechanisch voordeel te behalen in cirkelvormige rotatie, geleverd door handspike-radius tot drum- of asradius. Mechanisch voordeel van de lier is de radius van de as tot de radius van de handspike.
De foto van het Australian Maritime Museum toont zeelieden die een kaapstander bedienen om de zeilen te hijsen op de Magdalene Vinnen.
Een as van 5 cm met handspikes van 30 cm heeft een mechanisch voordeel van 6 op 1. Een lieroperator kan 6 keer meer optillen dan met een touw. Om 1 meter touw op te winden, draait u de handspikes 6 meter.
De tredwielkraan duurde tot 1899.
Lieren of kaapstanders bieden uitstekende prestaties met een samengestelde katrol. Een man die een Pentaspostos bedient en 25 of 50 kilogram aan de lier uitoefent, kan 750 tot 1500 kilogram tillen (25 of 50 kg x 6 x 5 = 750 of 1500 kg), terwijl de Egyptenaren 30 tot 60 man nodig hadden om een steen van 1500 kilogram te slepen een oprit blokkeren.
Meerdere personen kunnen touwen, lieren en kaapstanders bedienen (lieren door twee personen, kaapstanders door veel meer). Trekdieren kunnen kaapstanders draaien. Vier mannen die een kaapstander besturen met een vergelijkbaar mechanisch voordeel als de bovengenoemde lier, kunnen 3 tot 6 ton tillen (100 of 200 kg x 6 x 5 = 3000 of 6000 kg) zonder wrijving. In beide gevallen moeten ze 30 meter touw intrekken voor elke meter opgetilde last.
Loopwielen
Het tredwiel was sterker dan een lier of kaapstander. Het werd oorspronkelijk genoemd in 230 voor Christus en bleef invloedrijk tot het midden van de 19e eeuw. Omdat loopwielen een grotere radius hebben dan lieren of kaapstanders, hebben ze een sterker mechanisch voordeel.
Arm- en schouderkracht worden vervangen door loopkracht (niet rennen) in het wiel. Een tredewiel van 7 voet met een trommel van 0,5 voet heeft een mechanisch voordeel van 14 op 1. Dit is een 456 cm loopvlak: 2 x 213 cm wielradius Plus 2 x 15 cm trommelradius (diameter = 2 x radius). (bron).
Een man in een tredmolen die een Pentaspastos gebruikte en 50 kg uitoefende, kon 3,5 ton tillen. Hij kon niet zoveel tillen met een katrol.
Sommige kranen (met name havenkranen uit de middeleeuwen en later) hadden twee loopwielen die aan dezelfde as waren gekoppeld, waardoor het totale hefvermogen op 7 ton kwam.
Omdat veel tredewielen breed genoeg waren om met twee personen naast elkaar te lopen, kon een kraan met twee tredewielen door 4 personen worden aangedreven, wat een hijsvermogen van 14 ton opleverde, gelijk aan een moderne torenkraan. Zelfs met 20% wrijvingsverlies is dat 11,2 ton.
Groot loopwiel heeft 14-tegen-1 mechanisch voordeel.
Een mechanisch voordeel van 14 tegen 1 betekende dat de jongens 140 meter in het wiel moesten lopen om een last van 10 meter op te tillen. Als ze 5 km/u lopen, wordt het gewicht opgetild met 0,35 km/u of 6 m/min (wielradius gedeeld door laststraal).
.
Torenverhogend
Hoewel het hefvermogen van een tredwielkraan groot is, gebruikten Romeinse constructies veel zwaardere stenen blokken.
De Romeinen importeerden tientallen obelisken uit Egypte en bouwden de zwaarste in hun steden. Hoe deden kranen van 6 of 12 ton dat? Door een groot aantal hefwerktuigen te combineren, beheren we enorme lasten.
Een gigantische hijstoren aangedreven door grondkaapstanders was één manier. Kaapstanders hebben een kleiner mechanisch voordeel dan tredwielen, maar meer mensen kunnen ze aandrijven, waardoor er minder machines nodig zijn.
Ze gebruikten ook trekdieren.
Sommige Romeinse bronnen beschrijven heftorens, maar Domenic Fontana, bouwmeester van het Vaticaan, geeft precieze details.
Paus Sixtus V verplaatste de 344 ton zware obelisk van Circus Maximus naar het Sint-Pietersplein in 1586. De massieve steen moest 256 meter verder worden neergelaten, verplaatst en opgetrokken.
Fontana documenteerde het project in “De beweging van de Vaticaanse obelisk”. Tegen die tijd waren het optillen van materialen, gadgets en methoden sinds de Romeinse tijd zelden veranderd, daarom kunnen we aannemen dat ze dezelfde steen hebben opgetild.
De klus vereiste een 27,3 meter hoge houten constructie, 220 meter lange touwen, 40 kaapstanders, 800 arbeiders en 140 paarden (bij het neerlaten van de obelisk bestond het personeelsbestand uit 907 mannen en 75 paarden).
Het hele project nam meer dan een jaar in beslag, inclusief het transporteren van de obelisk (op rollen) en het monteren van de toren, kaapstanders en andere hijsapparatuur, maar
de steen werd in 13 uur en 52 minuten opgeheven. Vanwege deze prestatie werden veel meer obelisken verplaatst rond Rome, één met een gewicht van 510 ton.
De obelisk werd verhoogd met een houten toren van 27,3 meter, touwen van 220 meter, 40 kaapstanders, 800 mannen en 140 paarden.
Onder dreiging van de dood hebben de autoriteiten toeschouwers opgedragen niet te praten of lawaai te maken. Stilte was nodig om de communicatie tussen torenwachters en kaapstanderoperators in stand te houden. Een trompet gaf een draai aan; een bel gesignaleerd stop. (bron).
