Les Romains sont connus pour leurs remarquables exploits d'ingénierie, qu'il s'agisse de routes, de ponts, de tunnels ou de leurs impressionnants aqueducs. Leurs constructions, dont beaucoup sont encore debout, témoignent de leurs compétences supérieures en ingénierie et de leur ingéniosité. Les ingénieurs romains ont amélioré des idées et des inventions plus anciennes pour introduire un grand nombre d'innovations. Ils ont mis au point des matériaux et des techniques qui ont révolutionné la construction des ponts et des aqueducs, perfectionné les armes anciennes et en ont développé de nouvelles, tout en inventant des machines qui exploitent la puissance de l'eau. Les réalisations de l'ingénierie romaine ont généré beaucoup de richesse et de prospérité, améliorant la vie quotidienne des Romains et aidant Rome à maintenir sa domination en Europe et en Méditerranée pendant des siècles.
Aqueducs
Les aqueducs existaient déjà au Proche-Orient depuis des siècles avant la construction du premier aqueduc de Rome, l'Aqua Appia, en 312 avant Jésus-Christ. Les Romains ont toutefois introduit de nombreuses innovations qui leur ont permis de construire des aqueducs à une échelle sans précédent. Les aqueducs consistaient en des conduits, des tunnels et des canalisations amenant l'eau de sources et de montagnes lointaines vers les villes et les villages. Ils alimentaient en eau les fontaines des villes, les latrines, les bains publics et les maisons des riches Romains. Ils étaient également utilisés pour alimenter des moulins et d'autres machines.
Les aqueducs romains utilisaient la gravité, et non des pompes, avec une légère inclinaison vers le bas pour que l'eau s'écoule. Parmi les autres innovations, citons l'utilisation d'arcades pour transporter l'eau au-dessus des vallées et des terrains bas, avec l'utilisation intensive de béton et de revêtements en ciment imperméable. Une autre innovation était l'utilisation de bassins de décantation à intervalles réguliers pour réguler l'approvisionnement en eau.
Les aqueducs pouvaient avoir une longueur de plus de 100 kilomètres (62 miles). Par exemple, l'aqueduc de l'Aqua Marcia, construit en 144-140 avant J.-C., était souterrain sur environ 91 km (57 miles), puis parcourait 10 km (6 miles) en surface sur des sous-structures et des arcades avant d'atteindre la ville de Rome.
Les aqueducs devaient être régulièrement entretenus car les débris s'accumulaient dans leurs conduits et les fuites se développaient au fil des ans. Au milieu du Principat, Rome disposait d'un réseau d'eau vaste et complexe avec des liaisons transversales entre les aqueducs qui garantissaient un approvisionnement continu en eau même si un aqueduc était en réparation.
Ponts
Dès le deuxième siècle avant Jésus-Christ, les Romains ont construit de grands et magnifiques ponts en pierre, comme le Pons Aemilius à Rome, long de 135 mètres (443 pieds). Les premiers ponts en pierre utilisaient des blocs de pierre maintenus ensemble par des pinces en fer. Au milieu du IIe siècle avant J.-C., les Romains ont fait un usage intensif du béton : les ponts étaient souvent construits avec une base en béton et un parement en blocs de pierre. L'utilisation du béton augmentait considérablement la résistance et la durabilité des ponts. Le béton était également utilisé pour construire des piliers solides. Lorsque les piliers ne pouvaient pas être construits dans la roche, les Romains utilisaient des "batardeaux", des enceintes temporaires faites de pieux en bois scellés avec de l'argile. Les batardeaux étaient enfoncés dans le lit de la rivière et remplis de béton, afin de construire des piliers.
Les bâtisseurs romains ont également été les premiers à comprendre pleinement les avantages structurels d'un arc. Les ponts avaient des arcs composés de pierres individuelles (plus longues d'un côté que de l'autre) appelées voussoirs, qui répartissaient efficacement le poids des ponts. Ces structures en arc rendaient les ponts plus solides et permettaient des portées beaucoup plus longues. Par exemple, le pont d'Alcántara, qui existe encore aujourd'hui, mesure 182 m de long, avec des arches de 29 m de large et d'énormes voussoirs pesant jusqu'à huit tonnes chacun. Les centaines de ponts romains qui existent encore dans toute l'Europe témoignent de leur incroyable force et de leur fiabilité.
Tunnels
Les Romains creusaient également des tunnels pour leurs aqueducs et leurs routes lorsqu'ils rencontraient des obstacles tels que des collines ou des montagnes. La construction de tunnels était un défi non seulement parce que l'excavation pouvait prendre des années, mais aussi parce que les arpenteurs devaient s'assurer que les deux extrémités d'un tunnel se rejoindraient correctement au centre.
La méthode de construction de tunnel la plus courante était la méthode du qanat, développée par les Perses au début du premier millénaire avant notre ère. Le tunnel était rendu rectiligne en utilisant une ligne de poteaux posés sur une colline et en creusant des puits verticaux à intervalles réguliers. Les puits garantissaient que le tunnel ne déviait pas de sa trajectoire et assuraient la ventilation des ouvriers.
La méthode de contre-excavation était une méthode utilisée pour creuser à travers les hautes montagnes. Les ouvriers creusaient le tunnel depuis les deux côtés d'une montagne et se rejoignaient en un point central. Cette méthode de construction exigeait une plus grande planification et une meilleure connaissance de l'arpentage et de la géométrie. Les constructeurs devaient constamment vérifier la direction dans laquelle le tunnel avançait, par exemple en regardant en arrière la lumière qui pénétrait par la bouche du tunnel. La ventilation, en particulier pour les longs tunnels, était également un problème, car les puits ne pouvaient pas être facilement creusés depuis le sommet d'une montagne. Les temps de construction requis dépendaient du type de roche à creuser et du type de tunnel. Les tunnels comportant des puits, par exemple, pouvaient être construits beaucoup plus rapidement.
Lorsque la roche était dure, les Romains utilisaient une technique de processus thermique. Cela consistait à chauffer la roche avec du feu, puis à la refroidir brusquement avec de l'eau froide pour qu'elle se fissure. La construction des tunnels pouvait prendre des années, voire des décennies, même avec des milliers d'esclaves. Par exemple, le tunnel de 6 km de long que l'empereur Claude fit construire en 41 de notre ère pour drainer le lac Fucin (Lacus Fucinus) nécessita 11 ans de construction et l'intervention d'environ 30 000 ouvriers.
Routes
Les Romains disposaient d'un vaste réseau routier s'étendant du nord de l'Angleterre au sud de l'Égypte, avec une longueur totale de pas moins de 120 000 km (74 565 miles) sous l'Empire. Les routes romaines étaient destinées aux déplacements, au commerce et au maintien du contrôle des vastes territoires de l'Empire. Elles facilitaient le déploiement rapide des armées en cas de besoin.
L'objectif principal d'une route était de relier de la manière la plus rectiligne possible deux villes souvent distantes de plusieurs centaines de kilomètres. La Via Appia, construite à partir de 312 avant J.-C., reliait Rome à Capoue (190 km de distance ou 118 miles), tandis que les villes importantes situées sur son parcours n'étaient accessibles que par des routes secondaires. La construction des routes romaines impliquait des travaux d'ingénierie colossaux car il fallait construire non seulement des ponts et des tunnels, mais aussi des viaducs, partout où les routes rencontraient des obstacles majeurs. La construction des routes impliquait également l'excavation massive de terrains, le transport de matériaux pour le remblayage et le nivellement sur de longues distances, ainsi que d'énormes projets hydrauliques pour le drainage de l'eau et la bonification des terres.
Les routes romaines étaient construites en posant d'abord les pierres de bordure, en creusant entre elles une longue fosse qui faisait toute la largeur de la route, puis en la recouvrant de pierres ou de gravier. La couche de gravier était compactée et une couche de gravier plus fin était ajoutée. La route était ensuite pavée de grandes dalles de pierre polygonales. Grâce à la couche de gravier située en dessous, les routes romaines étaient capables de résister au gel et aux inondations et nécessitaient relativement peu d'entretien. En outre, la surface de la route présentait de légères inclinaisons, de sorte que l'eau de pluie pouvait s'écouler vers les bordures de chaque côté.
Des jalons (de milia passum en latin signifiant 1 000 pas) étaient également placés le long de la route à des intervalles d'un mille romain (1472 mètres) . Il s'agissait de lourdes colonnes de 1,5 m (5 pieds) de haut qui indiquaient le numéro du mille, la distance jusqu'à Rome et les noms des fonctionnaires qui avaient construit la route.
Béton romain
L'une des plus importantes contributions romaines à la technologie du bâtiment fut l'invention du béton. Le béton permit la construction de bâtiments impressionnants tels que le Panthéon et eut un impact sur la construction de ponts et de ports. Le béton romain ou opus caementicium fut inventé à la fin du troisième siècle avant Jésus-Christ, lorsque les constructeurs ajoutèrent une poussière volcanique appelée pozzolana à un mortier composé d'un mélange de briques ou de morceaux de roche, de chaux ou de gypse et d'eau. La pozzolana, qui contient à la fois de la silice et de l'alumine, crée une réaction chimique qui renforce considérablement la cohésion du mortier.
Rome connut une période appelée "révolution du béton" qui vit des avancées rapides représentées dans la composition du béton. Par exemple, les constructeurs romains ont découvert que l'ajout de terre cuite broyée au mortier créait un mélange hydraulique solide qui pouvait être utilisé comme matériau étanche pour les citernes ou d'autres constructions exposées aux intempéries. Les Romains maitrisaient également le béton sous-marin dès le milieu du premier siècle de notre ère, ce qui permit la construction de ports tels que celui de la ville de Césarée. Le béton sous-marin était obtenu en mélangeant une part de chaux avec deux parts de cendres volcaniques, et en plaçant le mélange dans du tuf volcanique ou dans de petites caisses en bois. Le mélange était ensuite hydraté par l'eau de mer pour déclencher la réaction chimique de dégagement de chaleur et de durcissement du béton.
On peut se demander si le béton romain était meilleur que le béton moderne ou que le ciment Portland d'aujourd'hui. Des recherches récentes menées par des scientifiques américains et italiens ont montré que le béton romain était largement supérieur. En analysant les ports romains de la Méditerranée, ils ont découvert que le béton romain était resté intact après 2 000 ans de martèlement constant par la mer. En revanche, le ciment Portland commence à s'éroder après 50 ans d'exposition à l'eau de mer. Selon ces scientifiques, le ciment Portland ne se lie pas aussi bien que le béton romain et commence à se fissurer après quelques décennies car il ne contient pas les mélanges de chaux et de cendres volcaniques du béton romain.
Moulins et dispositifs à eau
Les Romains avaient des moulins qu'ils utilisaient pour moudre le grain et produire de la farine. Ces moulins étaient généralement dotés d'un axe horizontal relié à un arbre qui traversait une meule inférieure et faisait tourner une meule supérieure. L'espace entre les meules était soigneusement ajusté par un mécanisme de basculement afin de contrôler la finesse de la poudre produite. Les moulins les plus simples utilisaient la force humaine ou animale. Par exemple, la mola asinaria datant de 300 avant Jésus-Christ était un moulin rotatif de base actionné par des esclaves ou des chevaux, des ânes ou des mules aux yeux bandés.
Les Romains ont également inventé le moulin à eau avec une roue hydraulique horizontale ou verticale au milieu du troisième siècle avant Jésus-Christ. Les moulins à eau utilisaient une rivière ou de l'eau à haute pression provenant d'un grand réservoir (ou d'un aqueduc à proximité). La puissance de l'eau frappant les roues était souvent ajustée par un système de réservoirs et de tuyaux. Les roues hydrauliques verticales étaient les plus complexes, car elles convertissaient la rotation verticale de la roue hydraulique en rotation horizontale de l'arbre qui faisait tourner la meule supérieure. L'aqueduc et les moulins de Barbegal, construits à la fin du premier siècle de notre ère, faisaient passer l'eau par un chemin descendant de 19 mètres, entraînant 16 roues à eau individuelles. Le moulin était capable de traiter environ 3 tonnes de grain par heure. Il employait des centaines de personnes et produisait suffisamment de farine pour approvisionner jusqu'à 40 000 personnes par jour.
Les Romains avaient d'autres dispositifs hydrauliques utilisés pour scier le bois, les pierres et pour broyer les minerais métalliques. Les scieries avaient des scies à pierre actionnées par des roues à eau, au moyen d'une manivelle et d'un axe de liaison. Les marteaux-pilons, qui utilisaient des roues à eau, des cames et des marteaux, étaient utilisés dans les régions minières pour broyer le minerai en petits morceaux.
La technologie minière
Les Romains furent les premiers à utiliser une technologie avancée dans les opérations minières. Les sites miniers romains étaient souvent entourés d'aqueducs, de réservoirs géants et de machines fonctionnant à l'eau, telles que les bocards et les marteaux à bascule. Les réservoirs géants étaient utilisés dans une méthode d'exploitation minière appelée "hushing" (lessivage du sol). Cette méthode consistait à déverser de grandes quantités d'eau afin d'enlever la terre et d'exposer les roches minérales précieuses situées en dessous. Dans une autre méthode d'exploitation minière, comme le processus thermique, l'eau de ces réservoirs était libérée pour fracturer la roche qui avait été préalablement chauffée.
Des bocards et des marteaux à bascule actionnés par l'eau étaient utilisés pour broyer le minerai extrait en petits morceaux avant de le traiter ultérieurement. On trouve encore des traces de la technologie minière utilisée par les Romains sur des sites tels que Las Medulas en Espagne et Dolaucothi en Grande-Bretagne. Le site de Dolaucothi ne comptait pas moins de cinq longs aqueducs.
Armes
Les Romains disposaient d'armes redoutables qui, pendant des siècles, leur ont donné un avantage sur le champ de bataille et leur ont permis de conquérir de vastes territoires. Les armes d'artillerie telles que la baliste et l'onagre, utilisées à la fois dans un rôle défensif et offensif dans la guerre de siège, étaient les armes les plus terrifiantes et les plus avancées technologiquement de l'arsenal romain.
La baliste (du grec ballistra, qui signifie arbalète), originaire de Grèce, se composait de deux bras horizontaux en forme d'arbalète insérés dans une corde torsadée faite de tendon, de crin ou de boyau, fixée à un cadre rectangulaire en bois. Elle était munie d'un chariot fixé à un support vertical traversant le cadre rectangulaire, que les soldats chargeaient de fléchettes de plomb ou de lourdes pierres sphériques. La baliste était mise en position armée en tirant sur la corde de l'arc à l'aide d'une paire de treuils.
Les ingénieurs romains ont considérablement amélioré la conception de la baliste en ajoutant un certain nombre de composants métalliques qui ont non seulement rendu la baliste plus légère et plus facile à assembler, mais aussi amélioré sa précision en augmentant sa puissance d'environ 25 %. Les plus grandes baliste étaient également les plus puissantes. Elles pouvaient avoir des bras de 1 à 1,2 m de long, et lancer des fléchettes à une distance d'environ 450 m. La baliste était très précise, surtout à courte distance. Elle pouvait facilement percer l'armure d'un soldat avec suffisamment de puissance pour le tuer instantanément. Les ingénieurs romains ont également inventé le carroballista, une baliste montée sur un chariot qui ajoutait de la mobilité à l'arme. Cela donnait à chaque légion une incroyable puissance de feu sur le champ de bataille, puisque chaque légion poussait 55 de ces balistes mobiles dans la bataille.
L'onagre était une catapulte à torsion à un bras qui pouvait lancer des projectiles beaucoup plus lourds que la baliste avec précision, bien qu'avec une portée moindre (environ 300-400 m). Alors que la baliste comportait de nombreuses pièces mobiles susceptibles de se briser ou de tomber en panne, l'onagre était de conception plus simple, ce qui le rendait plus fiable et plus facile à utiliser. Il se composait d'un grand cadre horizontal fermement placé sur le sol et d'un cadre vertical avec un butoir rembourré à l'avant. Le cadre horizontal était équipé de cordes tendues et tordues, faites de poils ou de tendons d'animaux. Un bras muni d'une fronde retenant le projectile était placé sur le faisceau de cordes torsadées et poussé vers le bas contre la tension des cordes à l'aide d'un treuil. Le bras était ensuite libéré par un mécanisme de déclenchement qui relâchait la tension et projetait le gros projectile (il pouvait s'agir d'une pierre sphérique pesant jusqu'à 25 kg), généralement enflammé par une substance combustible. Son impact et les incendies qui s'ensuivaient pouvaient frapper les fortifications ennemies et causer de grands dégâts.
La conception de l'onagre romain est même considérée par les scientifiques comme plus ingénieuse que celle des catapultes à un bras du Moyen Âge, en raison de sa fronde qui augmentait la longueur effective du bras lanceur sans ajouter de poids significatif. Les Romains ne pouvaient pas transporter ces grands onagres au combat car ils pesaient jusqu'à quatre tonnes. Ils étaient plutôt construits sur place, sur des plates-formes rembourrées, afin que leur recul ne broie pas la terre en dessous et ne les rende pas instables.
