La machine à vapeur en cinq minutes
La machine à vapeur est un engin qui utilise la pression de la vapeur pour produire du mouvement. On fait bouillir de l'eau, la vapeur pousse un piston dans un cylindre, et le déplacement du piston accomplit un travail : pomper de l'eau, faire tourner une roue ou tirer un train. Elle est au cœur de la révolution industrielle, car elle permettait de produire de l'énergie partout où l'on disposait de charbon et d'eau, et non plus seulement au bord d'un cours d'eau rapide.
Qui l'a inventée ? Il n'y a pas de réponse unique. Thomas Savery a breveté une pompe à vapeur en 1698. Thomas Newcomen a construit la première machine à piston réellement utilisable, qui fonctionnait dans une mine de charbon près de Dudley en 1712. James Watt, un fabricant d'instruments écossais, a ensuite repensé la machine dans les années 1760 et 1770 pour qu'elle gaspille bien moins de combustible. Watt est le nom que la plupart des gens retiennent, et on lui doit bien cette amélioration, mais il n'a pas construit la première machine à vapeur.
Comment fonctionne une machine à vapeur
Toutes les premières machines à vapeur comportent les mêmes quatre éléments : une chaudière qui produit la vapeur, un cylindre, un piston qui coulisse dans le cylindre, et une tige ou un balancier qui transmet le mouvement du piston vers l'extérieur. La vapeur entre dans le cylindre, le piston se déplace, et la tige communique ce mouvement à une pompe ou à une machine.
L'astuce tient à la manière d'employer la vapeur, de deux façons possibles. Dans la première, c'est la pression de la vapeur elle-même qui pousse le piston. Dans la seconde, on refroidit la vapeur pour la ramener à l'état d'eau : l'espace dans le cylindre devient alors un vide partiel, et c'est le poids de l'air extérieur qui pousse le piston. La machine de Newcomen fonctionnait surtout de cette seconde manière. Watt a conservé l'idée du vide tout en laissant aussi la vapeur pousser, puis les machines à haute pression ont fait de la pression de la vapeur la force principale.
Avant Watt : Héron, Papin et Savery
La force de la vapeur est plus ancienne qu'on ne le croit. Au Ier siècle de notre ère, Héron d'Alexandrie a décrit une sphère creuse qui tournait lorsque la vapeur jaillissait de deux tuyaux recourbés. On l'appelle l'éolipile. C'était une démonstration ingénieuse, mais personne ne s'en est servi pour un vrai travail.
Dans les années 1670, l'inventeur français Denis Papin a construit un digesteur à vapeur, ancêtre de l'autocuiseur, muni d'une soupape de sécurité. Il a ensuite suggéré que la vapeur pouvait pousser un piston dans un cylindre, l'idée clé des machines à venir.
La première machine vendue pour un travail réel fut la pompe de Thomas Savery. Savery a déposé un brevet en 1698 et a baptisé son appareil « l'Ami du mineur ». Il n'avait pas de piston. La vapeur remplissait un récipient fermé puis était refroidie, ce qui aspirait l'eau par le bas ; une nouvelle arrivée de vapeur sous pression refoulait ensuite l'eau plus haut. L'idée était utile mais limitée : elle ne pouvait élever l'eau que jusqu'à une certaine hauteur, et les chaudières à haute pression de l'époque risquaient d'éclater.
Newcomen : la première machine pratique
Thomas Newcomen était quincaillier et forgeron à Dartmouth, dans le Devon. Avec John Calley, il a construit une machine qui tournait dans une mine de charbon près du château de Dudley en 1712. Les mines de l'époque connaissaient un problème constant : l'eau s'infiltrait dans les galeries, et plus on creusait profond, plus il fallait en évacuer.
La machine de Newcomen y répondait grâce à un grand balancier. La vapeur entrait dans un cylindre sous le piston, tandis que le poids des tiges de pompe tirait le piston vers le haut. Puis un jet d'eau froide condensait la vapeur. Le vide ainsi créé permettait à l'air situé au-dessus du piston de le pousser vers le bas, et le balancier basculait pour actionner la pompe. Le cycle se répétait toute la journée.
Son point faible était le gaspillage. À chaque course, le cylindre était chauffé par la vapeur puis refroidi par l'eau, si bien qu'une grande quantité de charbon servait à réchauffer le métal plutôt qu'à produire du travail. Dans une houillère, où le menu charbon ne coûtait presque rien, c'était acceptable. Les machines de Newcomen se sont répandues dans les mines britanniques, puis dans certaines régions d'Europe, et ont permis d'exploiter des gisements plus profonds.
Watt : le condenseur séparé
James Watt était fabricant d'instruments à l'université de Glasgow. Vers 1763, on lui a demandé de réparer un petit modèle de machine de Newcomen. Il a remarqué que le modèle consommait étonnamment beaucoup de vapeur et en a trouvé la raison : le cylindre était refroidi puis réchauffé à chaque course.
Sa solution, mise au point en 1765, consistait à condenser la vapeur dans un récipient distinct, le condenseur, afin que le cylindre reste chaud. Il a breveté l'idée en 1769. L'argent et le travail des métaux ont été les obstacles suivants. Après les difficultés d'un premier bailleur de fonds, Watt s'est associé à l'industriel de Birmingham Matthew Boulton, et en 1775 ils ont formé une société aux ateliers de Soho. La même année, le Parlement a prolongé le brevet de Watt jusqu'en 1800. Les cylindres précis sont venus du maître de forges John Wilkinson, dont la machine à aléser les usinait avec bien plus d'exactitude que les méthodes antérieures.
Boulton et Watt réclamaient souvent à leurs clients une part de l'argent que la nouvelle machine leur faisait économiser en charbon, ce qui montre à quel point leur conception réduisait la consommation. D'autres améliorations ont suivi :
- 1781 : un brevet pour transformer le mouvement de va-et-vient du piston en rotation, grâce à un engrenage planétaire (« soleil et planète »), afin que les machines puissent entraîner les mécanismes des moulins et des usines.
- 1782 : la machine à double effet, où la vapeur pousse le piston dans les deux sens.
- Vers 1788 : un régulateur centrifuge qui maintenait une vitesse constante.
Watt a aussi comparé la puissance des machines au travail des chevaux, d'où vient le cheval-vapeur. L'unité de puissance électrique, le watt, porte son nom.
Des pompes aux trains et aux navires
Les machines de Watt fonctionnaient à basse pression et étaient grandes et lourdes. L'étape suivante a été d'utiliser une vapeur plus puissante dans des machines plus petites. L'ingénieur cornouaillais Richard Trevithick a construit une voiture à vapeur en 1801 et, le 21 février 1804, a fait rouler une locomotive sur une voie ferrée à Penydarren, au sud du pays de Galles. Elle a tiré environ dix tonnes de fer et un groupe d'hommes sur quelque neuf miles, mais les rails en fonte, cassants, se sont fissurés sous le poids et l'expérience n'a pas été renouvelée.
D'autres ont pris le relais. Aux États-Unis, le bateau à vapeur Clermont de Robert Fulton a commencé à transporter des passagers sur l'Hudson entre New York et Albany en 1807. En Angleterre, la locomotive de George Stephenson a tiré les premiers trains du chemin de fer de Stockton à Darlington en 1825. Sa Rocket a remporté les épreuves de Rainhill en 1829, et la ligne de Liverpool à Manchester, ouverte en 1830, a été la première exploitée uniquement par des locomotives à vapeur selon un horaire.
Pourquoi la machine à vapeur a été si importante
- De l'énergie partout. Les roues hydrauliques exigent une rivière. Les machines à vapeur n'ont besoin que de charbon et d'eau : les usines pouvaient donc s'installer en ville, près des ouvriers et des marchés.
- Des mines plus profondes. Les machines évacuaient l'eau des inondations, on pouvait donc extraire plus de charbon et de métal, ce qui alimentait les machines elles-mêmes.
- Des transports plus rapides. Chemins de fer et bateaux à vapeur ont raccourci les trajets et déplacé les marchandises lourdes à bas prix, reliant régions et continents.
- Une économie du charbon. La machine a lié l'industrie aux combustibles fossiles et apporté fumées et air pollué aux villes en pleine croissance, un héritage toujours présent.
Les effets se sont fait sentir jusqu'au Japon. En 1853, le commodore Matthew Perry est arrivé au large du Japon avec des navires de guerre à vapeur, et en 1872 le Japon a ouvert sa première ligne de chemin de fer, entre Shimbashi et Yokohama.
Ce que demandent les examens
- Inventeur ou perfectionneur ? Les bonnes réponses disent que Watt a considérablement amélioré une machine existante. Newcomen a construit la première machine à piston pratique.
- L'ordre chronologique. Savery (1698), Newcomen (1712), brevet de Watt (1769), locomotive de Trevithick (1804), Clermont de Fulton (1807), Stockton et Darlington (1825).
- L'importance. Un argument typique des sujets de type AP : la vapeur a libéré l'industrie des cours d'eau, favorisé l'urbanisation et rendu possibles les chemins de fer et les bateaux à vapeur, qui ont relié les marchés mondiaux.
- Erreur courante. Ce sont les machines à filer et à tisser qui ont mécanisé la production de coton ; la machine à vapeur était la source d'énergie qui a permis à ces machines de quitter les chutes d'eau.
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