MACHINE A VAPEUR DE WATT

 

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 m’a rappelé de bons souvenirs du petit garçon passionné de « Meccano » que j’étais…

 

C’était une toute petite machine à vapeur jouet allemande Wilesco.

JOUET WILESCO sur fond jaune.jpg

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 et 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 (que l’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…

 

Dans le Musée des Techniques de Sydney nous avons pu voir aussi une 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. 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 18ème 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.

 

ROUE A AUBE AVIGNON.jpg

 

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.

Eolipyle de Héron d'Alexandrie (fond jaune).jpg

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, fait tourner la sphère. Ce principe simple a servi pour l'ouverture et la fermeture des portes de certains temples.

 

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.

 

Machine de Ferdinand VERBIEST en 1678.jpg

 

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.

 

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).

 

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.

 

Pompe de NEWCOMEN.jpg

 

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

 

En 1763, James WATT travaillant sur 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, gaspillant de la capacité thermique.

 

Pour cela, WATT invente tout d’abord le 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.

 

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

 

Néanmoins, en 1774, avec de nouveaux partenaires, 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 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 moteur, en transformant un mouvement de va et bien vertical en mouvement circulaire. L’invention est perfectionnée en utilisant l’invention de William MURDOCK du réducteur planétaire.

 

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, WATT et ses partenaires auront construit près de 300 machines, mettant la technologie du moteur rotatif à l’honneur et remplaçant petit-à-petit les moulins à eau.

 

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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.

 

La société Millot, fondée à Gray en 1804 va se lancer dans la construction de machines à vapeur mobiles pour actionner toutes sortes de machines. Elle arrêta sa production de machines à vapeur dans les années 1890 pour se consacrer à la construction de moteurs.

 

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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.

 

 

FARDIER DE CUGNOT (sur fond jaune).jpg

Un prototype unique

 

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 charriot 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…

 

Un fardier est un charriot 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. La silhouette de la machine de CUGNOT a été adoptée pendant des années jusqu’en 2000 comme sigle du service des Mines en France.

 

 

 

ARTICLE EN COURS DE CONSTRUCTION A L'HIVER 2017...

 

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28/11/2017
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