古罗马时期起重机原理简介

（作者李聪：山西航天清华装备有限责任公司 工程师 研修方向机械装备制造与工业技术创新）

在德国炎热高温天气刚刚过去的周日，我与小伙伴们一起拜访了位于北莱茵-威斯特法伦州（NRW）西部的城市Xanten，中文译名也很有意思，叫仙藤。仙藤是一个仅有两万余人的小城，但却声名赫赫，原因是其为众多古罗马遗址的所在处，尤其以古罗马博物馆和考古公园而知名。该城市还有一座用以进行各种水上活动的大型人工湖（Nordsee-südsee），每年都有相当数量的游客参观。在我们一行五人参观过后，都觉得小城名不虚传。

走出小城火车站不远就到了圣维克多大教堂，又名Xantener Dom(仙藤大教堂),据称该教堂的起源为烈士的坟墓。该教堂于1263年制造的，建筑历时281年，于1544年建造完成，该教堂也为小城的地标建筑，如下图示：

图1 圣维克多大教堂

在教堂以北大约一公里处就来到了著名的仙藤考古公园（DerArch?ologische Park Xanten）。该公园是德国最重要的罗马定居点之一，公园内遗留的主要景观为罗马竞技场和海港寺庙如图2和图3所示。现公园内的罗马竞技场遗址为16世纪下半叶，而海港寺庙可以说是希腊神庙，单从外观看，这两处遗址也颇有罗马斗兽场及雅典卫城的神韵，蔚为壮观。

图2 罗马竞技场

图3 海港寺庙（DerHafentempel）

闲话少叙，本文章的目的在于主要介绍古罗马时期的起重设备。在参观罗马竞技场后，很不经意的看到了位于竞技场一角的很高的木制结构，初看以为是武器系统，如下图4所示。走近仔细观察后竟是中世纪的起重机，甚为惊喜，必须要了解下几百年前的同行是怎么设计起重机的。

图5 起重设备远观

在起重机旁的一边有一个起重设备的简图，如下图6所示

如上图所示，古罗马人在起重货物的过程中采用了双组动滑轮、大半径过绳轮、三角形稳定架以及人推型磨轮的结构，从以上简图中我们不难得出以下几条要素：

1.采用两组动滑轮减少了起重货物的拉力，初始拉力只需货物重力G的1/4即可；

2.由于起重高度的要求，设置了较大型的三脚架，即保证了稳定性，又保证了在起重货物的过程中不至于整体倾覆；

3.大半径的过绳轮使绳索在绕滑轮时产生小的角度，保证绳索与滑轮的接触面积，提高了效率及稳定性；

4.在输入端采用常规的磨坊式推力，进一步减少了起重所需的推力。

古罗马起重机整体框架结构如下图7所示

图7 起重机外观

下面我们来一起计算下究竟可以至少多大推力可以起重货物。

假设货物重力为G，四人推动，人两手中心距磨坊中F2心距为L1，磨坊旋转轴半径为L2，人推力为F1且四人推力相同，输入端拉力F2，图示如上图示，可得出如下公式：

4 F1L1= F2L2，G/4= F2

可最终得出如下结论，每人的推力F1=G L2/(16 L1)，初步假设3L1= L2，在不考虑工作效率及摩擦的情况下，最终可得出每人所需的推力F1 =G/48。即使考虑摩擦及工作效率的损失，人最终的推力仅为所起重货物重力的2.5%，这在几百年前的社会中已是了不起的科技进步。最后几位小伙伴还体验了一把摇磨坊的乐趣，如图8所示。

图8 起重石头体验

即使在如今的起重设备中，滑轮组也是必不可少的装置，依靠简单力学原理实现起升力的大幅缩小，古人在几百年前就可利用此类装置，他们的智慧是值得敬畏的。

旅途总是充满惊喜的，往往是不经意间就带给了人最真挚的感动，历史的发展是一面镜子，人类在历史发展过程中所做出的辛勤与努力，值得我们每个人铭记与尊敬。

来源：中德合作山西信息平台