En cinq minutes
James Watt (1736-1819) était un fabricant d'instruments et ingénieur écossais. Il n'a pas inventé la machine à vapeur. Il l'a rendue efficace. Avant Watt, les machines à vapeur pompaient l'eau des mines, mais elles brûlaient tant de charbon que seuls les endroits où il était bon marché pouvaient se les offrir. Le condenseur séparé de Watt a réduit nettement cette consommation, et ses inventions suivantes ont transformé une simple pompe à mouvement de va-et-vient en une machine capable de faire tourner un arbre. Ce changement a aidé l'industrie à quitter les rivières et les chevaux pour s'installer dans les villes. Il se trouve au cœur de la révolution industrielle.
La réponse courte à la question « qu'a inventé James Watt ? » est la suivante : le condenseur séparé (1765), un système d'engrenages qui faisait tourner une roue (l'engrenage planétaire, 1781), la machine à double effet (1782), une articulation appelée parallélogramme de Watt (1784) et un régulateur qui maintenait une vitesse constante (vers 1788). Il a aussi popularisé l'idée de cheval-vapeur, et l'unité de puissance, le watt, porte son nom.
Un fabricant d'instruments écossais
Watt est né à Greenock, sur l'estuaire de la Clyde, en janvier 1736. Son père travaillait dans la construction navale, le commerce et l'administration locale. James était souvent malade enfant et a beaucoup appris à la maison, dans un atelier plein d'outils et de maquettes. Jeune homme, il a passé environ un an à Londres pour apprendre à fabriquer des instruments scientifiques, puis il est revenu en Écosse.
En 1757, l'université de Glasgow lui a confié un atelier dans son enceinte. Il y fabriquait et réparait des instruments de mathématiques pour les professeurs, et il y a rencontré des personnes qui étudiaient la chaleur, dont le chimiste Joseph Black. Ce mélange de savoir-faire artisanal et de curiosité scientifique rendait Watt singulier. Il savait se demander pourquoi une machine gaspillait de l'énergie, et il savait construire la pièce qui réglait le problème.
Le problème de la machine de Newcomen
Les machines à vapeur existaient déjà. Thomas Savery a breveté une pompe à vapeur en 1698, et en 1712 la machine de Thomas Newcomen a commencé à pomper l'eau d'une mine de charbon près du château de Dudley. Le principe de Newcomen était le suivant : la vapeur remplissait un cylindre sous un piston, puis une aspersion d'eau froide condensait la vapeur dans ce même cylindre. Le vide ainsi créé permettait au poids de l'air de pousser le piston vers le bas, et un grand balancier soulevait la tige de la pompe.
Cette conception comportait un défaut de fond. À chaque course, le cylindre était chauffé par la vapeur puis refroidi par l'eau, si bien que l'essentiel de la chaleur du charbon servait à réchauffer le métal encore et encore. Les machines de Newcomen étaient utiles dans les mines de charbon, où le charbon menu, de mauvaise qualité, ne coûtait presque rien. Ailleurs, la facture de charbon était trop élevée.
Le condenseur séparé (1765)
En 1763-1764, on a demandé à Watt de réparer un petit modèle fonctionnel de machine de Newcomen utilisé pour l'enseignement. Il a constaté la quantité de vapeur qu'elle engloutissait pour un travail dérisoire. Après des mois d'expériences sur le comportement de la vapeur, il a eu l'idée décisive en 1765 : garder le cylindre chaud en permanence et condenser la vapeur dans un autre récipient maintenu froid. Une soupape relie les deux. Watt a raconté plus tard que l'idée lui était venue lors d'une promenade à travers Glasgow Green.
Le principe de base de la machine ne change pas, mais le gaspillage disparaît en grande partie. Watt a aussi fermé le haut du cylindre et l'a entouré d'une chemise de vapeur, de sorte que le cylindre restait chaud et que la pression de la vapeur pouvait aider à pousser le piston. Il a breveté l'invention en 1769 sous le titre « A New Method of Lessening the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines » (une nouvelle méthode pour réduire la consommation de vapeur et de combustible des machines à feu). Dans de nombreuses installations, les machines de Watt utilisaient environ un quart du charbon nécessaire à une machine de Newcomen pour le même travail.
Transformer une idée ingénieuse en machine qui fonctionne était plus difficile que d'avoir l'idée. Le premier soutien, le maître de forges John Roebuck, a financé des essais en Écosse, mais les métallurgistes de l'époque ne savaient pas fabriquer un grand cylindre assez rond pour retenir la vapeur. Roebuck a fait faillite en 1773, et Watt, qui travaillait comme géomètre et ingénieur de canaux pour gagner sa vie, a failli renoncer.
Matthew Boulton et l'association de Soho
Le salut est venu de Birmingham. Le fabricant Matthew Boulton a repris la part de Roebuck en 1775, et la même année le Parlement a prolongé le brevet de Watt jusqu'en 1800. Les associés disposaient ainsi de 25 années supplémentaires pour construire et vendre des machines sans concurrence. Boulton avait de l'argent, des relations et une grande manufacture, la Soho Manufactory. Watt avait le plan.
L'autre pièce manquante était la précision. Le maître de forges John Wilkinson avait mis au point une méthode pour aléser avec exactitude les canons, et les mêmes machines pouvaient aléser des cylindres de machines à vapeur. En 1776, les premières machines commerciales de Boulton et Watt se sont mises au travail : l'une pompait l'eau à la mine de Bloomfield, dans le Staffordshire, et l'autre soufflait de l'air dans les hauts-fourneaux de la forge de Wilkinson. Boulton et Watt ont ensuite vendu leurs machines de façon astucieuse. Ils facturaient une redevance équivalant à environ un tiers du charbon économisé par le client par rapport à une machine de Newcomen : le client ne payait donc que s'il y gagnait.
Faire tourner la machine : de la pompe à la machine d'usine
Les premières machines de Watt n'étaient encore que des pompes. Moulins et usines voulaient un arbre en rotation. Une manivelle aurait été la solution évidente, mais un rival, James Pickard, en a breveté une en 1780, et Watt a donc conçu un autre mécanisme. Son engrenage planétaire (brevet de 1781) utilisait deux roues dentées pour transformer le balancement du balancier en rotation.
Puis sont venues une série d'améliorations. En 1782, Watt a breveté la machine à double effet, dans laquelle la vapeur pousse le piston dans les deux sens, si bien que la machine fournit deux courses motrices par cycle. En 1784, il a breveté le parallélogramme articulé, un ensemble de tiges qui permet à la tige du piston de se déplacer presque en ligne droite tout en étant fixée à un balancier oscillant. Vers 1788, il a installé un régulateur à boules, deux masses en rotation qui ouvrent ou ferment la soupape de vapeur pour garder une vitesse régulière. Une machine rotative à vitesse stable pouvait entraîner des machines à filer, des moulins à farine, des forges et des brasseries. Les usines pouvaient désormais s'implanter là où se trouvaient la main-d'œuvre et les marchés, et plus seulement le long de rivières rapides.
Le cheval-vapeur et le watt
Beaucoup des premiers clients de Watt possédaient des chevaux qui faisaient tourner des roues de moulin, et il lui fallait donc exprimer le travail d'une machine en des termes qu'ils comprenaient. Il a estimé qu'un robuste cheval de moulin pouvait fournir environ 33 000 pieds-livres de travail par minute, et il a appelé cela un cheval-vapeur. Dans les unités actuelles, un cheval-vapeur britannique vaut environ 746 watts.
Le watt lui-même est venu plus tard. Dans les années 1880, des scientifiques britanniques ont proposé de donner son nom à l'unité de puissance, qui a ensuite été intégrée au système métrique international (SI). Un watt correspond à un joule d'énergie par seconde. C'est pourquoi les ampoules et les bouilloires sont indiquées en watts.
Idées reçues sur James Watt
- Il n'a pas inventé la machine à vapeur. Savery, Newcomen et d'autres l'ont précédé. Watt l'a rendue efficace et adaptable.
- Il n'a pas découvert l'électricité. La recherche « James Watt électricité » est courante, mais son lien avec l'électricité se limite à l'unité qui porte son nom. Les centrales électriques sont venues après sa mort.
- L'histoire de la bouilloire est une légende. Le récit de l'enfant qui regarde le couvercle d'une bouilloire se soulever n'est pas un fait documenté. Sa vraie percée vient d'expériences sur la chaleur.
- Il n'aimait pas la haute pression. Watt se méfiait de la vapeur à haute pression, jugée dangereuse. Après la fin de son brevet en 1800, des ingénieurs comme Richard Trevithick et Oliver Evans ont construit des machines à haute pression plus petites, ce qui a rendu possible la locomotive à vapeur.
Pourquoi Watt a compté, et les critiques
Les machines de Watt ont donné à l'industrie une source d'énergie indépendante de la météo, des rivières et de la force musculaire. Elles ont permis de creuser des mines plus profondes, ont aidé les forges à croître et ont permis aux filatures de coton de s'installer dans les villes. Watt est devenu membre de la Royal Society en 1785 et a pris sa retraite en 1800. Il est mort le 25 août 1819 dans sa maison de Heathfield, près de Birmingham.
Les historiens soulignent aussi l'autre face. Boulton et Watt ont défendu leurs brevets avec acharnement, et certains ingénieurs estimaient que cela freinait le progrès. En Cornouailles et ailleurs, des rivaux ont conçu de nouvelles machines dès la fin du monopole. Les deux points de vue peuvent être vrais : le brevet a permis à une invention risquée de survivre, et il a aussi retenu les autres pendant un quart de siècle.
Ce que demandent les examens
- Nommer l'amélioration. Le condenseur séparé est la réponse à presque toutes les questions. Retenez qu'il économisait du combustible en gardant le cylindre chaud.
- Le situer dans la chronologie. Newcomen (1712) vient avant Watt (brevet de 1769), et la machine à haute pression de Trevithick vient après.
- Expliquer l'importance. Une bonne réponse relie une énergie moins chère issue du charbon aux usines, à la croissance urbaine et à l'essor du système de fabrique, puis à l'ère du chemin de fer.
- Connaître l'association. Boulton a fourni le capital et une usine, Watt le plan, et Wilkinson les cylindres de précision.
À lire ensuite
- La machine à vapeur : qui l'a inventée et comment elle fonctionnait : toute l'histoire, de Savery et Newcomen à la machine que Watt a remaniée.
- George Stephenson et les premières locomotives à vapeur : comment la vapeur à haute pression a mis les machines sur des rails après la fin du brevet de Watt.
- L'égreneuse de coton d'Eli Whitney : une autre invention qui a bouleversé le commerce du coton que les machines de Watt ont ensuite fait tourner.
