La machine à vapeur
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Depuis l'Antiquité, les hommes ont cherché à utiliser les propriétés physiques de la vapeur d'eau :

Héron d'Alexandrie (Ier siècle apr. J.-C.)

- Salomon de Caus (1576 - 1626)


La marmite de Denis Papin

Le Digesteur
invention datée de 1679

En 1679, Denis Papin construit un " Digesteur " : un cylindre de fonte sur lequel un couvercle est maintenu grâce à des vis et dans lequel on met un peu d'eau, avant de le placer sur le feu. L'eau se transforme en vapeur, puis la pression monte jusqu'à atteindre la valeur fixée par une soupape de sûreté.

Le premier cylindre-piston à vapeur
invention datée de 1690
La première machine à vapeur qui avait une puissance d'environ 1 kilowatt

Denis Papin eut l'idée géniale de perfectionner le système de Christiaan Huygens en substituant la vapeur d'eau à la poudre à canon.

Sa " marmite " n'était en fait qu'un cylindre muni d'un piston (B). Un peu d'eau était introduite dans le cylindre qui était chauffé. De la vapeur d'eau était produite qui poussait le piston vers le haut qui se bloquait à une certaine hauteur grâce à une petite tige (G). A ce moment, on retirait la marmite du feu et on attendait que la vapeur d'eau se refroidissent et se recondense en eau. Ainsi le vide était créé dans le piston. Il suffisait de relâcher le piston en débloquant la tige G pour que celui-ci soit poussé violemment vers le bas sous l'action de la pression atmosphérique.
Le but de cette machine était de soulever les plus lourds fardeaux et de soulager ainsi les hommes.


La machine de Savery

" The Miner's Friend "

 

La pompe à vapeur de Savery
installée dans un puits de mine
Gravure du XVIII° siècle
Crédit : Photos.com/Jupiterimages

Schéma montrant le fonctionnement de la machine de Savery
Crédit : hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Thomas Savery eu l'idée de produire la vapeur dans un vase séparé qui constituait la chaudière et de pousser l'eau directement avec la vapeur contrairement à Denis Papin qui utilisait pour cela un piston.
Cette vapeur emplissait le cylindre et la colonne au-dessus du robinet B, chassant ainsi l'air contenu dans ces deux parties.
A ce moment, on fermait le robinet A et on refroidissait le cylindre par de l'eau froide provenant du robinet C. La vapeur se condensait et un vide se créait dans le cylindre. L'eau en-dessous du robinet D était aspirée et remplissait le cylindre.
Enfin, l'ouverture du robinet A laissait la vapeur sous pression, et poussait l'eau contenue dans le réservoir et l'élevait dans la colonne au-dessus du robinet B.

Il s'agissait donc d'une machine sans piston ne pouvant que remonter de l'eau.

À la même époque, un autre anglais travaillait sur une machine atmosphérique. Cet anglais était Thomas Newcomen.


La machine de Newcomen

Mine de charbon au Royaume-Uni
anonyme, huile sur toile (1825)
Il s'agit d'une pompe à feu de Newcomen (au centre)
utilisée pour pomper l'eau dans les mines de charbon.

Source : Liverpool, Walker Art Society

 

La machine de Newcomen ou " pompe à feu " 1717
Les premières machine furent conçues pour
actionner les pompes servant à évacuer l'eau
 des mines de charbon.
Le personnage donne l'échelle.

 

" Fairbottom Bobs "
Vestiges d'une machine de Newcomen de 1760
à Ashton-under-Lyne, au Nord-est de l'Angleterre,
utilisée jusqu'en 1834 pour drainer l'eau d'un canal
d'une mine de charbon.
Photographie prise en 1880
Source : The Newcomen Steam Engine


Comparaison de la machine de Newcomen et de la machine à double effet de Watt
 

Coupe d'une machine de Newcomen
Source : Edinburgh Encyclopaedia, 1836
 

 

 

Schéma de fonctionnement de la machine de Watt

 

 

La machine de Newcomen est tributaire de la pression atmosphérique. La vapeur agit, dans le cylindre, en deux temps.

Dans le premier temps, la vapeur fait monter le piston dans le cylindre jusqu'à l'extrémité de sa course. Dans le deuxième temps, la condensation de la vapeur par injection d'eau, détermine un vide dans le cylindre et la pression atmosphérique fait redescendre le piston. C'est ce deuxième temps qui, dans le dispositif de Newcomen, est le véritable temps moteur. C'est pourquoi la machine est appelée machine atmosphérique.

La machine de Watt est d'une autre conception :
Le moteur universel n’a été inventé qu’un siècle plus tard par James Watt qui a eu l’idée de remplacer le vide par l’application de la vapeur sur l’autre face du piston (le double effet).

La machine de Newcomen

La machine de Watt
Le mouvement devient rotatif.


La machine de Watt

 

 

La machine de Watt vue en coupe
B : piston à double effet
G : bielle qui transforme le mouvement rectiligne
 du balancier en mouvement rotatif
L : volant d'inertie
M, S, P : régulateur à boules
R : condenseur

Implantation d'une machine à vapeur
dans un bâtiment industriel
 

Machine de Watt de 1768

Machine à vapeur à deux cylindres
d'Arthur Woolf de 1814
 

" De l’influence des machines à vapeur sur la prospérité publique "
article d'Adolphe Blanqui

« L'introduction des machines à vapeur et leur application aux différentes tranches de l'industrie, ont causé une révolution si importante dans les manufactures et dans les arts, que nous croyons faire une chose agréable à nos lecteurs en leur présentant un exposé clair et simple des phénomènes qui résultent de cette admirable invention. On ne les connaît guère en France que de réputation, et ils sont un peu, parmi nous, comme ces mines du Mexique et du Pérou, dont tout le monde parle, et que peu de personnes ont vues. Lorsque la connaissance en sera plus répandue, leurs avantages seront mieux appréciés et l'on se demandera peut-être avec étonnement, pourquoi la France possède à peine trois ou quatre cents de ces machines, tandis qu'en Angleterre on les compte par milliers. Offrons d'abord une description succincte de l'appareil principal.
 

 
Il consiste en un large cylindre qui reçoit un fort piston du même diamètre, comme dans la pompe foulante. La vapeur est fournie par une vaste chaudière, d'où elle s'introduit dans le cylindre au moyen d'une ouverture qui peut se fermer à volonté. La force de la vapeur (1) soulève le piston auquel est adapté un long levier, qui sert à mettre en mouvement une pompe, une manivelle, un mécanisme quelconque. Parvenu à une certaine hauteur, le piston ouvre, dans la partie supérieure du cylindre, une soupape qui laisse entrer une petite quantité d'eau froide : la vapeur est à l'instant condensée, le vide s'opère dans le cylindre, et le piston chargé de la pression atmosphérique, redescend pour être soumis de nouveau à l’action de la vapeur. Il remonte et redescend ainsi continuellement avec une force proportionnée à la quantité et à la tension de la vapeur qui lui est appliquée. Une machine dont le cylindre a 30 pouces de diamètre et dont le piston frappe dix-sept coups par minute, équivaut à la force de 40 chevaux travaillant jour et nuit (2), et elle consomme 11,000 livres de charbon en vingt-quatre heures.

 
On conçoit maintenant sans difficulté les diverses applications de ce puissant appareil : le levier adapté au piston, peut faire mouvoir toutes sortes de mécanismes, depuis le plus simple jusqu'au plus compliqué. L'illustre Watt, auquel l'Angleterre reconnaissante vient d'élever une statue, est le premier qui ait donné à la machine à vapeur, cette flexibilité qui permet d'en retirer d'aussi grands services. On peut l'en regarder comme le véritable inventeur. Avant lui, quelques anciens et plusieurs modernes avaient observé les résultats pratiques de la tension de la vapeur ; mais c'est à Watt qu'appartient tout l'honneur de les avoir appliqués à la mécanique et d'en avoir armé la main de l'homme. On ne sait ce qu'on doit le plus admirer du génie ou de la patience de cet utile citoyen, lorsqu'on étudie avec soin l'histoire des machines à vapeur ; j'en ferais volontiers juges mes lecteurs par eux-mêmes, si la nature de cet article ne m'interdisait les détails purement techniques. Il suffira de dire qu'au moment où je parle, le pouvoir de l'appareil de Watt équivaut, en Angleterre seulement, à la force de 500 mille chevaux, ou selon le docteur Ure, de cinq millions d'hommes.

 
Cette prodigieuse machine, parvenue aujourd'hui à un très-haut degré de précision, de souplesse et de régularité, soulève des vaisseaux de ligne, sert à forger des ancres, à filer le coton et la soie, à broder la mousseline et à façonner tous les métaux. Par elle, le génie de l'homme exploite dans les entrailles de la terre ses nouvelles conquêtes ; il brave sur mer les vents contraires, et les calmes plus redoutables encore ; il remonte les rivières les plus rapides, et il rend à la vie les contrées les plus disgraciées de la nature. Des villes entières lui doivent tonte leur existence : Birmingham, Manchester, Leeds, Preston, Glasgow sont là pour l'attester. L'Amérique étonnée reçoit avec transport ce présent de l'ancien monde : le Mississippi, l'Ohio, la Chesapeake, et même l'Orénoque, l'ont vu paraître sur leurs rives.

 
J'entends dire quelquefois que l'industrie et la mécanique étouffent la poésie et n'ont rien de ce charme séduisant attaché aux grandes choses. N'est-ce point un beau spectacle que celui d'un vaisseau à vapeur, excité par le feu, et semblable à un être animé, lorsqu'il s'avance majestueusement sur la cime des vagues, et qu'il brave, appuyé sur ses ailes rapides, leur fureur impuissante ! n'avons-nous pas des expressions à créer, pour peindre ces chars mobiles obéissant au char qui les entraîne et qui les guide, en traçant sur leur route un sillon de fumée ! Et qu'a-t-il fallu pour obtenir ces merveilles ? un peu d'eau, un cylindre, et quelques leviers ! Lorsqu'on réfléchit qu'avec ces faibles moyens, on est parvenu à augmenter la production d'une manière presque illimitée, qu'on a rapproché les distances les plus considérables, et préparé à l'humanité entière un avenir plus doux, une existence plus heureuse ; n'y a-t-il rien dans tout cela, qui puisse faire battre le cœur d'un poète !

 
Considérés sous un rapport plus sévère, les résultats de la découverte de Watt confirment ce bel aphorisme de Bacon : le savoir est une puissance. En effet, la machine à vapeur paraît destinée à balancer l'influence des gros vaisseaux de guerre : elle échappera à leurs lourdes manœuvres, et rendra leur fuite, en cas de défaite, extrêmement difficile. Elle leur aura dérobé la foudre, comme Franklin ravit le feu du ciel, et l'on pourra dire aussi de Watt, qu'il arracha le sceptre aux tyrans, puisqu'il aura rendu les mers libres. Son appareil tout puissant offre déjà aux industries de toutes les nations des communications promptes et faciles ; on n'a qu'à suivre de l'œil les magnifiques paquebots qui croisent entre Londres et Calais, le Havre et Southampton, Brighton et Dieppe, pour juger de l'avenir par le présent. Bientôt sur ces merveilleuses embarcations, les Suisses iront visiter l'Angleterre et les villes Hanséatiques : on dira le port de Bâle comme on dît le port de Bristol et celui de Hambourg; on naviguera sur le Rhin, comme on se promène en bateau à vapeur sur les lacs des Alpes, de l'Écosse et de l'Amérique.

 
Hâtons-nous donc ; partageons avec nos voisins l'héritage de Watt. Les découvertes du génie sont le patrimoine de l'espèce humaine toute entière : la grande famille française y a plus de droits qu'aucune autre, elle qui a produit tant d'hommes de génie. Que les machines à vapeur ne courent pas seulement sur la Seine, de Paris à St-Cloud, pour amuser les oisifs de notre capitale ; qu'elles vivifient nos manufactures, nos mines si riches et si mal exploitées ; que nos ouvriers fassent connaissance avec elles, et raisonnent sur leur construction, comme ils le font chaque jour en Angleterre et en Ecosse ; et nous verrons bientôt les districts les moins populeux de la France, se couvrir d'heureux habitants. La Sologne, les Landes, l'Auvergne, les départements qui manquent de cours d'eau pour leurs fabriques, où de routes pour leurs débouchés, renaîtront à l'industrie ; et nous tirerons quelque parti de l'immortelle découverte, au moyen de laquelle, les Anglais, par le seul, secours des machines actuellement en exercice dans leur pays, ont prouvé qu'ils pourraient remuer les pyramides d'Egypte en moins de cinq heures ! » 

 
Adolphe Blanqui, « De l’influence des machines à vapeur sur la prospérité publique », Le Producteur, journal de l’industrie, des sciences et des beaux-arts, tome premier, Paris, 1825.


(1) On sait que cette force est due à la tension de la vapeur qui cherche à occuper un espace dix-sept cent fois plus considérable que celui de l'eau dont elle émane.
(2) C'est-à-dire, à 120 chevaux travaillant huit heures par jour.

Page mise à jour le 25/01/2013