LA MACHINE A VAPEUR DE WATT... ET LES AUTRES

Et dans le même temps, Mozart composait ses concertos...

Qui, mieux que lui pouvait illustrer le début de cette ère nouvelle ?

Voici son Concerto n° 9 en mi majeur dont vous avez certainement dû déjà apprécié le modernisme !

Vous pouvez l'arrêter en cliquant ci-dessus sur le symbole :

Machine à vapeur en mouvement.gif

Lors de notre passage en Australie début 2017 nous avons eu l’occasion de visiter le musée des techniques de Sydney où j’ai aperçu une antiquité qui a rappelé avec émotion le petit garçon passionné de « Meccano » que j’étais… Quel bon souvenir !

C’était une toute petite machine à vapeur jouet allemande Wilesco qui trônait là dans une vitrine !

Tout gamin, un jouet du même type m’avait été offert, en kit, un jour, par Monsieur GONTARD, l’appariteur de l’école des Mines d’Alès avant-guerre qui a abrité chez lui mon père pendant ses études.

« Tonton Guite » comme on l’appelait à cause de son épouse qui se prénommait Marguerite, nous gâtait chaque fois que nous passions à Alès.

Le couple s’était pris d’affection pour mon père, issu d’une famille d’ouvriers bâtisseurs immigrés Italiens de Saint-Mandrier dans le Var qui avait réussi à sortir du rang, à entrer à l’école des Mines et à se hisser au rang de major de l’école (on l’appelait alors « le Papès »).

J’ai précieusement conservé pendant des années cette petite machine que j’ai fini par offrir à un jeune garçon passionné de technologie en souvenir de celui que j’avais été…

Mais dans le Musée des Techniques de Sydney nous avons pu découvrir aussi une vraie machine à vapeur de WATT qui provenait d’une grande brasserie Australienne qu’elle a fait fonctionner pendant des années à la fin du XVIIIème siècle.Nous aurons d'ailleurs la surprise d'en découvrir paar la suite toute une collection dans le Musée consacré au sucre Saint Louis à la Réunion (cf. mon article à ce propos)

La machine à vapeur de Watt

Telle qu'on peut la voir fonctionner dans le musée des techniques de Sidney...

Et elle fonctionne encore, comme le prouve la petite vidéo d’une minute qui suit !

Mais nous en reparlons dans le détail plus loin.

Avant le 18^ème siècle, seule l’énergie hydraulique pouvait subvenir aux besoins des moulins puis des ateliers de l’époque, avec la nécessité de disposer d’un accès à un fleuve et des courants puissants.

Nous en avons la brillante démonstration lorsqu’on se promène à Avignon le long de la vieille rue des teinturiers où fonctionnaient des dizaines de roues à aube actionnées par la force de l'eau des Sorgues, les bras de la rivière issue de la Fontaine de Vaucluse pour faire fonctionner des ateliers de tissage dont les métiers à tisser la soie dès le Moyen Âge (depuis 1440!) ont contribué durablement à la réputation des toiles indiennes qui avaient succédé à l'usage de la soie sous le règne de Louis XIV et ont fait la prospérité de la région jusqu'au XIXème siècle.

Roues à aube de la rue des teinturiers à Avignon à la din du XIXème siècle...

C’est avec la machine à vapeur que l’industrialisation a pu s’affranchir de cette contrainte qu'était l'approvisionnement en eau...

La possibilité de créer une force par la détente de la vapeur est connue depuis l‘antiquité Grecque. L'éolipyle (du latin æolipila, = « boule d'Eole, sphère de vent ») est une machine à vapeur à réaction conçue par Héron d'Alexandrie au 1er siècle après J.-C.

L’Eolipyle de Héron d’Alexandrie est, en fait, une chaudière hermétique remplie en partie d’eau, placée sur le feu.

l'Eolipile de Héron d'Alexandrie

De cette chaudière sortent deux tubes reliés à une sphère pouvant tourner autour d’un axe horizontal. De cette sphère, deux autres tubes perpendiculaires à l’axe laissent sortir la vapeur qui, par propulsion à réaction, fait tourner la sphère.

Ce principe tout simple de force de la vapeur avait donné l'idée à Héron d'Alexandrie de l'ouverture et la fermeture mécanique des portes de certains temples, dont voici le mécanisme :

À Pékin en 1672, le tout premier prototype d'un véhicule mû par la vapeur est dessiné par Ferdinand VERBIEST, un père jésuite en mission.

Chariot de Ferdinand VERBIEST

Il faut attendre le XVIIème siècle pour que Denis PAPIN, en 1690 conçoive une machine à vapeur en condition atmosphérique. Il s’agit de la première réalisation combinant un cylindre (liée à une chaudière à vapeur) et un piston, guidé dans un sens par la pression de vapeur, et dans l’autre sens par la pression atmosphérique, une fois la vapeur condensée.

Un système composé d’une crémaillère et de roues dentées relaie ce mouvement, permettant ainsi d’actionner n’importe quel mécanisme. On inverse ensuite le processus pour ramener le piston en place.

Malheureusement, on ne peut recommencer qu’au bout de quelques minutes (le temps de laisser se refroidir le cylindre), alors qu’une véritable machine doit pouvoir fonctionner en continu. La « machine atmosphérique à piston flottant » de Papin n’est donc qu’une ébauche.

Trois anglais géniaux vont s'intéresser à la vapeur et enrichir leurs inventions les uns les autres...

Thomas SAVERY (1639 - 1715) / Thomas NEWCOMEN (1663 - 1729) / James WATT (1736 - 1819)

En 1698, Thomas SAVERY, utilise le même principe pour construire une machine dont le but est de pomper l’eau des mines inondées. C’est une machine sans piston, qui fonctionne grâce à un jeu de robinets : on amène la vapeur d’eau depuis une chaudière jusqu’à un récipient contenant une partie de l’eau à épuiser, et l’irruption de la vapeur expulse l’eau vers le haut ; puis un jet d’eau froide condense cette vapeur et crée un vide partiel.

L’eau située plus bas dans la mine est alors aspirée dans le récipient, et le cycle peut recommencer. Ce qui fait l’originalité de la machine de SAVERY, par rapport à celle de PAPIN, c’est la condensation accélérée de la vapeur, par arrosage extérieur du récipient, qui permet de réaliser une pompe foulante et aspirante efficace (quoique sujette à de nombreux accidents, en raison de l’absence de soupapes de sûreté). Elle est pourtant surnommée l'AMIE DU MINEUR pou toutes les vies qu'elle a pu sauver de la noyade...

La première Pompe à eau de mine à vapeur de Thomas SAVERY...

Surnommée l'Amie du Mineur !

En 1705, Thomas NEWCOMEN, améliore le design de SAVERY ce qui aide à la diffusion de la technologie. La vapeur provenant de la chaudière est introduite via une vanne dans un cylindre ouvert au-dessus.

Le piston se soulève sous l’effet de l’augmentation de la pression jusqu’à ce qu’un jet d’eau froide extérieur vienne condenser la vapeur, ce qui crée un vide, et l’action de la pression atmosphérique force le piston a redescendre dans le cylindre, actionnant la pompe. Ces premiers modèle étaient inefficaces, en particulier car il n’était pas possible de fabriquer les composants avec précisions (cylindre, piston).

Cependant en 1711, une société est créée pour perfectionner les aspects mécaniques et l’invention (toujours une pompe), devient répandue dans les mines de charbon du Nord Est de l’Angleterre. Avec la capacité de pomper de l’eau à de grande profondeur, les pompes de NEWCOMEN permettent de travailler dans des mines plus profondes.

Une pompe de Newcomen et son schémas de principe de l'époque !

Dans les années 1770, une centaines de ces machines étaient installées essentiellement dans les mines de charbon, mais également pour l’approvisionnement en eau.

L'ingénieur militaire français Nicolas Joseph CUGNOT applique pour la première fois la machine à vapeur au déplacement d'un véhicule. Cette expérience marque le point de départ de la lente motorisation des transports, qui cesseront peu à peu de dépendre des forces naturelles aux XIXe et XXe siècles.

Un prototype unique, le fardier de CUGNOT !

Vers 1760, plusieurs savants pensent à utiliser la vapeur pour actionner des roues de voiture. CUGNOT étudie les emplois de la vapeur pour le matériel militaire. Soutenu par le ministre de la Guerre, le duc de CHOISEUL, il réalise d'abord une maquette puis le prototype de chariot à vapeur que nous connaissons. Mais CHOISEUL quitte ses fonctions et l'expérience est interrompue avant les essais. Elle se révèle pourtant une étape décisive dans l'histoire des transports.

Le premier véhicule automobile… est un fardier.

C'est en fait un chariot pour lourdes charges, telles les pièces d'artillerie. Celui de CUGNOT dispose de trois roues et d'une chaudière à haute pression placée à l'avant de la roue motrice.

Celle-ci est actionnée par deux pistons et peut pivoter autour d'un axe vertical manipulé à l'aide d'un guidon. L'engin dispose d'une marche arrière et peut transporter une charge de cinq tonnes à 4 km/h. Mais il n'a pas de véritable frein et sa chaudière devait s'épuiser rapidement.

En fait, cette première automobile est abandonnée sans avoir jamais fonctionné.

NB : La silhouette de la machine de CUGNOT a été adoptée pendant des années jusqu’en 2000 comme logo du poinçon dont se servait le service des Mines en France pour attester le contrôle technique périodique de sécurité des appareils présentant un danger, avant l'adoption par la DRIRE du poinçon à tête de cheval :

La tête tournée vers la gauche indiquait que l'épreuve avait été faite en présence de l'ingénieur de la DRIRE,

La tête tournée vers la droite indiquait que l'épreuve n'avait été réalisée que par un technicien non assermenté.

En 1763, James WATT, un ouvrier mécanicien qui travaillait à l'entretien d'une machine de NEWCOMEN pour la réparer, est frappé par son manque d’efficacité, en particulier vis à vis de l’injection d’eau froide sous le piston pour condenser la vapeur, qui gaspillait énormément de la capacité thermique.

A cause de cela, WATT, passionné par son travail, invente tout d’abord un condenseur séparé. WATT isole ensuite le cylindre ouvert pour que la vapeur soit introduite alternativement d’un côté, puis de l’autre du piston et expérimente une « boite à injection » pour un plus grand rendement.

Voici comment cela fonctionne à l'aide de deux soupapes et d'un arbre à came :

Avant, la vapeur ne poussait que d'un coté du piston (à gauche),

Après elle pousse des 2 cotés (à droite)

Une première société fut créée à partir de 1769, mais la production des machines soulève de nombreux problèmes techniques, ce qui mène rapidement la société à la faillite.

James WATT est pugnace et 4 ans après, en 1774, il s'associe avec de nouveaux partenaires, dont Matthew BOULTON, un industriel inventif dont l'activité principale était de frapper des pièces de monnaie (il réalisa des millions de pièces de toutes sortes de métaux pour le Royaume-Uni mais aussi pour d'autres pays), WATT relance une activité, en s’appuyant sur des compétences fortes en fabrication, et en utilisant les techniques de précision déployées tout récemment pour la réalisation de canons !

Si l’entreprise BOULTON & WATT devient florissante avec la reconduction des brevets en 1775 et 40 machines construites les 5 années suivantes, l’invention de WATT ne concerne encore à l’époque qu’une pompe.

C’est le développement du mouvement circulaire en 1781, qui va transformer la pompe de WATT en un vrai moteur. Il convenait en effet de transformer un mouvement de va et vient vertical en mouvement circulaire.

De son côté un employé de la société BOULTON & WATT passionné par la technique, arrive à mettre au point pendant ses heures de repos un véhicule qui fonctionne à la vapeur, et ça fonctionne, mais par à-coups du fait de la transmission, alors il imagine quelque chose de bien plus sophistiqué avec ce qu'il va appeler un réducteur planétaire à engrenage !

Le chariot à vapeur de William MURDOCK et sa projection sur l'avenir !

Grâce à lui, l’invention de WATT va pouvoir être perfectionnée en utilisant la trouvaille imaginée par MURDOCK, le « réducteur planétaire », que James WATT s'est empressé de breveter en octobre 1781.

Le balancier bleu entraine le lourd volant vert grâce à la « planète » rouge et au « soleil » jaune...

Observez que le soleil tourne 2 fois plus vite que la « planète » !

Le « réducteur planétaire » ou « transmission par engrenage soleil et planète » était ainsi utilisé pour convertir un mouvement de translation verticale de la bielle du piston (la manivelle du balancier) en un mouvement de rotation en souplesse et sans à-coups à la sortie d'une machine à vapeur à balancier.

C’est ainsi que démarre réellement la diffusion de la technologie du moteur rotatif à vapeur.

Avec le monopole des brevets sur la technologie de 1775 à 1800, BOULTON & WATT auront construit près de 300 machines, mettant la technologie du moteur rotatif à l’honneur en remplaçant petit-à-petit les moulins à eau. Celle que nous avons vu à Sydney fût la première importée d'Angleterre en Australie en 1782, pour faire fonctionner une brasserie !

La machine de WATT visible dans le Musée des Techniques de Sydney...

Au final, l’invention mettra plus d’un siècle à devenir opérationnelle et sous l’influence de plusieurs personnages et connaitra de nombreuses évolutions et perfectionnement les années et siècles suivants.

Mais comme toutes les inventions ne se sont pas faite en un jour et en un lieu, des Français talentueux ont aussi fait leurs expériences... Et le système se perfectionne sans cesse !

Ainsi, de nombreuses entreprises se sont lancées sur la fabrication de moteurs à vapeur modeste de 5 à 50 cv pour actionner toutes sortes de machines à l'aide de courroies en cuir qui transmettaient le mouvement rotatif à partir du lourd volant qui pouvait entraîner soit des machines agricoles dans les champs, soit des axes de transmission avec courroies débrayables dans des ateliers de toutes sortes.

La société MERLIN dès le début du XIXème a imaginé la première ce type de moteurs et les a rapidement montés sur des charriots à quatre roues tirés par des chevaux pour leurs permettre de faire tourner des machines agricoles dans les champs.

J'ai trouvé une petite vidéo amateur d'un agriculteur qui avait une machine Merlin dans un entrepôt agricole et s'est amusé à la faire tourner... qui montre son fonctionnement...

La société Millot, fondée à Gray en 1804 en Haute-Saône, se lance également dans la construction de moteurs à vapeur mobiles du même type auxquels elle donne le non de "locomobile" !

Elle n'arrêta sa production de machines à vapeur que dans les années 1890 pour se consacrer à la construction de moteurs thermiques beaucoup plus sophistiqués qui seront utilisés sur les premières automobiles dont les Peugeot, leurs voisins à Montbéliard...

Mais la machine à vapeur gardera ses lettres de noblesse pour faire fonctionner des usines nécessitant beaucoup d'énergie, ce qui est le cas des sucreries jusque dans les années 1970.

Dernièrement lors d'une escapade à l'Ile de la Réunion en mai 2018 nous avons visité le Musée « Stella Matutina » à Saint Paul qui retrace l'épopée du sucre de canne, et nous avons remarqué dans cette ancienne sucrerie 7 machines à vapeur dont deux « BOULTON & WATT » et 5 autres construites dans le nord par les « Constructions Mécaniques de FIVES-LILLE » datant de 1924 à 1938, dont deux fonctionnaient encore lors de la fermeture de l'usine avant sa transformation en Musée !

De même la machine à vapeur conservera ses lettres de noblesse pour la traction des trains avec des locomotives à vapeur de plus en plus perfectionnées jusque dans les années 1980.

M'intéressant à cette révolution qu'a représenté la machine à vapeur pour les chemins de fer, je me suis vite rendu compte que cela peut faire plusieurs articles spécifiques tant le sujet est vaste et a aussi été traité par des amoureux fanatiques de la locomotive à vapeur... Alors pour aujourd'hui je m'en arrêterai là !

Dans le musée des techniques de Sydney est ainsi exposée une rame complète d'un train à vapeur ainsi qu'une gare en vraies dimensions provenant de la voie ferrée de la ligne qui rejoignait dès 1857 les villes de Sydney et de Melbourne...ainsi que différentes autres locomotives...