DE LA CONSOMMATION IT OS LA REPRODUCTION DU TRAVAIL
95. Consommation inutile du travail. Ces réflexions, ces discussions, au surplus, ne sont pas en elles-mêmes sans importance ; car elles nous avertissent, d'une part, que si les moteurs animés peuvent se fatiguer sans produire de travail effectif, d'une autre , ces moteurs et les forces motrices en général, peuvent aussi travailler, et développer une certaine quantité d'action, sans produire d'effet appréciable, ou d'effet véritablement utile et qui contribue à augmenter celui qu'en définitive, il est question de produire : c'est ce quia lieu (01), par exemple, quand le moteur agit perpendiculairement au chemin décrit par son point d'application. Mais, comme la plupart des travaux industriels ne s'effectuent que par l'intermédiaire des diverses pièces, des divers agents matériels qui constituent les outils, les machines, et que ces pièces ne peuvent opérer sur la résistance ou transmettre le mouvement et la force, sans être comprimées ou distendues , on aperçoit de suite que, même lorsque le point d'application de la force motrice est mis en mouvement dans la direction propre de cette force, il doit d'abord se
MÉCAN. INDUST. T. I» 5
dépenser une certaine quantité de travail, pour amener les pièces au degré de tension relatif à la plus grande intensité de l'action, ou à l'état régulier du travail et du mouvement. Or il pourra arriver que ce premier travail de la puissance soit totalement perdu si, l'action de celle-ci venant à diminuer ou à cesser, les corps conservent la forme qu'ils ont acquise par suite du travait; c'est-àdire , s'ils ne sont pas élastiques (19), ou, plus généralement encore, si les ressorts moléculaires (63) en se débandant, ne contribuent pas à accroître le travail, à l'instant où l'action de la puissance cesse, comme ils ont contribué à l'amoindrir, lorsqu'ils ont été primitivement bandés par l'effet de cette action.
On conçoit même que, si l'action du moteur, ou celle de la résistance produite par le travail, varie d'une manière îrrégulière, c'est-à-dire si elle a de fréquentes intermittences ou interruptions, de telle sorte que tantôt elle devienne plus faible, tantôt plus forte; que tantôt elle s'exerce dans un sens, tantôt dans un sens contraire ; qu'en un mot, si les corps sont souvent comprimés, puis distendus, la perte de travail pourra, a la longue et surtout quand les efforts exercés seront considérables , devenir très-comparable au travail total de la puissance; ce qui n'aurait pas lieu, si l'action de celte dernière était constamment la même , ou si elle ne variait seulement qu'aux reprises et aux cessations complètes du travail.
■ 96. Moyens d'éviter la consommation inutile du travail. Ces réflexions nous font déjà entrevoir tout l'avantage qu'il y a d'éviter, dans les machines, les chocs ou secousses qui développent des pressions considérables ; de régulariser l'action des forces elles-mêmes et le mouvement des pièces qui la transmettent, quand il s'agit de leur faire opérer, d'une manière continue, un travail industriel quelconque ; d'employer enfin, pour ces pièces, des corps en même temps roides et élastiques ; c'est-à-dire très-peu susceptibles de changer de forme sous l'action des forces, et capables, quand cette action cesse, de reprendre leur forme primitive, sans avoir subi aucune altération moléculaire ou intime (20); car cette altération est la cause finale de la déperdition ou de la consommation inutile du travail.
Voilà précisément pourquoi on préfère généralement, dans la
construction des machines, se servir de roues qui tournent uniformément autour d'axes fixes , pour recevoir et communiquer le
mouvement ou même pour servir d'outils; car, d'après la petite étendue des ateliers consacrés aux travaux de l'industrie, le mouve-» ment uniforme et longtemps continué est impossible ponr les pièces qui sont assujetties à décrire des lignes droites. Voila pourquoi aussi on se sert , pour travailler les bois , les métaux , etc., de marteaux , de burins, de couteaux , de limes, de ciseaux, de scies en. acier trempé, et dont les dimensions, les proportions sont tellement combinées, qu'ils fléchissent en réalité très-peu sous l'action des forces qui les mettent en jeu, et des résistances qu'ils doivent vaincre. Car, non-seulement des outils en fer doux , en cuivre, en plomb, travailleraient fort mal , non-seulement ils exigeraient de fréquentes réparations, mais encore ils consommeraient ou absorberaient, en pure perte, une grande quantité de travail mécanique, sans produire beaucoup d'ouvrage. Or ces réflexions sont d'autant plus importantes, qu'elles s'appliquent à tons les outils employés dans les arts, si ce n'est à ceux pour lesquels un certain degré do flexibilité est une qualité essentielle, tels que les spatules, les pinces, les ressorts, etc.; encore faut-il que Ja matière de ces outils soit suffisamment résistante ou dure, en elle-même, pour ne pas s'user aisément , et qu'elle soit assez élastique pour ne pas perdre promp«tement sa forme.
87. De la reproduction du travail par les ressorts. Pour démontrer clairement comment le ressort des corps, peut développer ou restituer, lors du débanderaent, une certaine quantité de travail mécanique qu'il a primitivement absorbée, il ne s'agit que de voir ce qui se passe à l'instant où un corps revient progressivement à sa forme primitive après avoir été comprimé , et se rappeler ce que nous avons dit précédemment (72 et suiv.) sur la manière de mesurer la quantité de travail d'une force qui varie à chaque instant.
Supposons qu'un moteur soit employé a bander un ressort quelconque (pi. I, fig. 25), en développant, sur un même point A de c# ressort, et dans la direction propre du chemin que tend à décrire ce point , des efforts F qui sont de plus en plus grands (15 et 89) à mesure que la compression ou la distension augmentent ; formons, comme nous l'avons expliqué (72), une courbe Oa'AV.... (pi. I, fig. 26), dont les abscisses représentent les chemins successivement décrits, par le point d'action A (%. 25) de la force F, dans la direction propre de cette force, et dont les ordonnées représentent
les valeurs, en kilogrammes, des efforts correspondants exercés sur le ressort, efforts que détroit la réaction égale et directement contraire de ce ressort ; la quantité de travail développée ou absorbée, pour un petit chemin quelconque cd (fi g. 26), sera mesurée (72) par le trapèze cc'd'd formé sur ce chemin et les ordonnées correspondantes ce' j dd\ et le travail total le sera par Taire entière Od'h'hQ comprise entre la courbe , l'axe des abscisses et la dernière ordonnée hh' 9 représentant le plus grand effort.
Supposons maintenant que le ressort (fig. 25), arrivé à cette position, soit employé à vaincre une résistance qui cède à son action dans la direction même du chemin primitivement décrit par le point d'application A de la force F ; ce ressort va développer, contre la résistance, une quantité de travail qu'on pourra calculer en appréciant , en poids , les diverses pressions qui correspondent à chaque position du ressort, depuis l'instant où la compression est la plus forte, jusqu'à celui où elle est nulle, et où le ressort est parvenu à la position qu'il peut conserver par lui-même. Si le corps reprend , à ce dernier instant , exactement la forme qu'il avait avant d'être bandé ; si d'ailleurs les pressions qui répondent aux mêmes degrés de tension, aux mêmes positions, sont les mêmes; si en un mot , le corps possède, dans son retour vers sa forme primitive, la même énergie qu'auparavant , ce qui suppose nécessairement qu'il soit parfaitement élastique, et que sa constitution intime n'ait pas été altérée : dans ces circonstances , disons-nous , la quantité de travail produite parle débanderaent du ressort contre la résistance, sera nécessairement égale à celle qu'il a fallu dépenser primitivement pour le bander, puisque la courbe, qui donne la loi des pressions et des espaces décrits, sera la même de part et d'autre. Si , au contraire, le corps n'est pas parfaitement élastique, non -seulement il ne reviendra pas à sa première forme, mais aussi les pressions seront moindres dans le débandement; le travail restitué sera aussi moindre que celui qui a été d'abord dépensé, et une certaine portion de ce dernier sera , comme nous l'avons déjà avancé ci-dessus (95), totalement perdue pour l'effet : c'est évidemment celle qui est né* cessaire pour produire les altérations moléculaires qui sont survenues dans le corps.
98. Des ressorts considérés comme réservoirs d'action. Nous avons yu (15 et 18) qu'il n'y a guère que l'air et les gaz qui soient à la
fois très- compressibles et parfaitement élastiques, lorsqu'on les enferme dans des espaces clos et qu'on les y refoule au moyen d'un piston mobile, etc. De tels ressorts peuvent donc servir à emmagasiner le travail mécanique, à faire fonction de réservoir, en les bandant jusqu'à un certain point, et les maintenant à ce point par des moyens faciles à imaginer; car, lorsqu'ensuite on viendra à les abandonner à eux-mêmes contre des résistances à vaincre et qui céderont à leur action, ils restitueront, en se débandant, exactement la quantité du travail qu'ils auront d'abord consommée. — Tel est, entre autres, l'usage bien connu du fusil à vent, qui n'est véritablement qu'un réservoir d'air comprimé, dans lequel on a accumulé une certaine quantité de travail pour s'en servir à lancer des balles au besoin. — Les catapultes, les batistes, les arcs, machines employées par les anciens, lançaient pareillement des pierres, des flèches, etc., par le débandement de ressorts ordinairement formés avec des cordes ou des pièces de bois flexibles.
Mais les ressorts ne servent pas seulement à lancer des projectiles, on peut aussi leur faire mouvoir des machines quelconques, et produire des travaux industriels. — C'est par de semblables moyens, par exemple, que les montres et les pendules reçoivent le mouvement pendant des jours, des mois entiers, par le débandement d'un ressort d'acier roulé en spirale, et que l'on a quelquefois tenté, quoique infructueusement, de mettre en mouvement des voitures, etc. En un mot, l'élasticité permet d'enfermer, dans les corps inertes, une force capable de les faire travailler à la manière des moteurs animés, tels que l'homme et le cheval.
99. De la production du travail par la chaleur. Le calorique qui dilate les corps (21 et 24) en s'insinuant entre leurs diverses molécules, rend, par là même, ces corps capables de développer du travail mécanique; car il met enjeu leur force de répulsion (27), il bande les ressorts moléculaires ; et, quand des obstacles, des résistances quelconques s'opposent à leur libre extension, ces résistances sont vaincues en même temps qu'un certain chemin est décrit par leur point d'application. A l'inverse, quand on vient à refroidir un corps chaud par un moyen quelconque, quand on en fait sortir une certaine quantité de calorique, les ressorts moléculaires, abandonnés à leur libre action, tendent à retourner vers leur position primitive, et fynt effort contre les résistances qui s'y opposent , absolument de
la même manière que si le corps avait été réellement distendn pat des forces extérieures quelconques. On peut même admettre, comme fait de l'expérience, que, dans les changements de volume des cotys chauffés ou refroidis, la quantité de travail développée parlée fiessorts moléculaires, est précisément la même que celle que dépenseraient des forces, appliquées extérieurement au corps, pour produire des effets égaux si la température (22) restait la même.
Nous avons déjà donné (25) quelques exemples des effets de là chaleur et de l'usage qu'on en peut faire, dans les arts, pour consolider les édifices ou rapprocher les diverses parties des corps ; en voici d'autres d'une espèce toute différente. — Quand on enferme hermétiquement de l'eau dans un canon de fusil ou dans une chaudière, et qu'on la chauffe à un certain degré, elle tend à se transformer en vapeur (3) ; elle fait de toutes parts effort contre les parois de l'enveloppe, et finit, lorsqu'on augmente suffisamment la chaleur, par faire éclater cette enveloppe, et par en lancer violemment les débris dans tous les sens. La chaleur, employée à produire l'inflammation de la poudre à canon, produit des effets non moins terribles et bien connus d'ailleurs. Dans l'un et dans l'autre. cas, la force d'explosion est produite par le développement rapide des gaz ou vapeurs qui tendent ( 15 et 21 ) à s'échapper en tout sens, par suite de l'élévation de la température. De là , au surplus, les accidents graves survenus aux chaudières de certaines machines à vapeur et aux marmites dites autoclaves.
100. Usage du calorique comme moteur. Nous avons vu (26) combien est faible, en général, la dilatation des corps solides ; celle des liquides ne lest guère moins , tant qu'on ne les chauffe pas de manière à les convertir entièrement en vapeur ; il en résulte donc que les solides,' et les liquides proprement dits, ne font décrire au point d'application des résistances à vaincre, qu'un espace en général fort petit ; et qu'ils ne peuvent développer un travail notable qu'autant que ces résistances sont très-grandes. Voilà précisément pourquoi on les emploie rarement quand il s'agit d'effectuer, dans les arts et par l'application de la chaleur, des travaux soutenus qui exigent qu'un certain chemin , plus ou moins grand , soit décrit dans chaque unité de temps. Les gaz et les vapeurs n'ont pas cet inconvénient (21 et 26) , aussi peuvent-ils être avantageusement employés confine moteurs dans ces sortes de travaux : la vapeur d'eau surtout,
qu'on se procure à si peu de frais , sert spécialement à cet usage dans l'industrie manufacturière.
101. Condition générale de l'emploi des moteurs. Des réflexions analogues sont applicables à tous les agents qui peuvent servir de moteurs, et montrent la limite de l'utilité de leur emploi dans les arts; ils expliquent, par exemple, pourquoi on fait aujourd'hui si rarement usage de la force des ressorts ou de celle des bois et des cordages mouillés (11), pour servir de moteurs dans des travaux soutenus, indépendamment de leur cherté propre, et de l'inconvénient qu'ils ont de mettre en jeu de grands efforts qui consomment, en pure perte (95), une certaine portion de la quantité de travail qui leur est appliquée.
103. De la reproduction du travail par la pesanteur. La pesanteur offre , comme l'élasticité des corps , un moyen d'emmagasiner le travail mécanique des forces, et de la rendre disponible au besoin.
Quand un moteur a élevé un corps à une certaine hauteur, en dépensant une certaine quantité de travail, mesurée (78) parle produit du poids de ce corps et de la hauteur à laquelle il a été élevé; ce corps, employé ensuite à vaincre des résistances, soit directement, soit par le moyen de machines, pourra restituer, dans sa descente, précisément la même quantité de travail que celle qui a été dépensée primitivement. C'est ainsi que le mouvement est communiqué aux grandes horloges, aux tournebroch.es , etc., et que l'eau, en s'échappant des réservoirs où elle est contenue et a été accumulée par la nature ou par l'art, fait mouvoir, par son poids, les roues de nos moulins, de nos usines diverses.
Nous disons que la quantité de travail restituée dans la descente verticale d'un poids, d'une certaine hauteur, est précisément égale à celle qui a été primitivement dépensée pour l'élever à cette hauteur ; car l'intensité d'action de la pesanteur est sensiblement la même (61), soit qu'un corps monte, soit qu'il descende; et par conséquent la pression exercée par le poids de ce corps contre une résistance à vaincre, ne varie pas dans les deux cas; de sorte que, pour un même chemin vertical décrit , le travail ne varie pas non plus. Mais, quand bien même on admettrait que l'intensité de la pesanteur n'est pas constante pour toutes les hauteurs du corps, on n'en conclurait pas moins que le travail dé veiappe dans la desoente,
est égal au travail consomme dans la montée, attendu que le poids est, pour chaque position distincte d'un corps, une grandeur absolue (61) et qui ne varie pas avec le temps. En effet, les raisonnements seraient ici semblables à ceux que nous avons employés (97) pour le cas des ressorts parfaitement élastiques, et ils s'appliqueraient également à tous les cas où des forces motrices, agissant sur des corps, redeviendraient constamment les mêmes, pour les mêmes positions relatives de ces corps.
103. De la consommation du travail sans restitution. Cette circonstance de la reproduction complète du travail n'arrive pas tou-
* jours; nous en avons déjà eu des exemples (95 et suiv.) à l'occasion de la compression des corps en général ou des ressorts imparfaits; on peut même prévoir qu'elle n'arrive jamais rigoureusement dans les travaux industriels, attendu les résistances nuisibles ou inutiles qui accompagnent nécessairement le mouvement des corps ou l'exercice des forces appliquées à ces corps : ainsi la résistance de l'air et des fluides en général , celle du frottement, de l'adhérence des corps qui glissent , qui roulent les uns sur les autres,- sont autant de causes qui détruisent, sans retour, une portion plus ou moins grande du travail développé par les moteurs.
En général , on peut remarquer que, toutes les fois qu'une certaine quantité de travail mécanique aura été dépensée pour détruire directement la force d'agrégation ou d'affinité des molécules des corps (28), cette quantité sera totalement anéantie ; en ce sens qu'elle ne pourra nullement être restituée par les corps après qu'ils auront subi le changement d'état. C'est ainsi que le travail employé pour limer, pour polir, pour rompre ou diviser les corps solides d'une manière quelconque, est consommé sans retour; parce qu'on a séparé, les unes des autres, certaines molécules, qu'on a détruit leur force de ressort, et que les molécules des corps solides, une fois ainsi séparées, ne possèdent plus 1 énergie qui leur est nécessaire pour se rejoindre, même quand on remet les parties en contact immédiat.
104. De la consommation nécessaire ou utile du travail. 11 faut distinguer soigneusement la consommation de travail , nécessitée par des résistances telles que celles qui viennent de nous occuper en dernier lieu, de la consommation de travail occasionnée par des ré-
sistances étrangères à l'effet qu'on veut réellement produire; car cette première consommation est essentiellement utile et la dernière ne Test pas ; celle-ci diminue l'effet, la quantité d'ouvrage, et l'autre le constitue essentiellement. Enfin on peut, jusqu'à un certain point, éviter les résistances nuisibles, on peut même les amoindrir beaucoup , par des dispositions bien entendues et que nous ferons connaître plus tard; mais on ne peut diminuer, en aucune manière, la consommation de travail, nécessitée rigoureusement parles résistances inhérentes à Y effet utile lui-même.
Il suit de là, par conséquent, que tout ouvrage réclame une dépense absolue de travail. Or nous verrons, par la suite, que la seule chose qu'il soit possible d'obtenir par les machines , les outils , les ressorts, etc., c'est que la force motrice n'en dépense pas beaucoup plus, ou que celle qu'elle produit soit presque entièrement employée d'une manière utile.
105. Toute production de travail suppose une consommation. Ce que nous disons des machines industrielles peut s'étendre aux agents du toute espèce que présente la nature, lesquels, considérés en eux-mêmes , nous paraissent quelquefois doués d'une énergie d'action qui leur est propre et qui ne suppose point une consommation primitive de travail ; mais c'est une erreur qui vient de ce que nous ne réfléchissons pas toujours attentivement aux causes plus ou moins immédiates de cette action. — Cette eau (102) que nous voyons tomber, du haut du réservoir où elle est retenue , sur la roue d'un moulin qu'elle fait marcher, par son poids, en produisant du travail mécanique, a été d'abord amenée là par l'action de la gravité qui l'a fait descendre de la partie supérieure des vallées, où elle jaillit de sources naturelles ; ces sources elles-mêmes , sont entretenues par les pluies qui tombent sur le sommet des montagnes et s'infiltrent lentement à travers le sol. Or les pluies proviennent des nuages ou brouillards supérieurs , et les nuages sont produits par Faction de la chaleur du soleil, qui a vaporisé l'eau et l'humidité contenues sur la surface de la terre, et les a contraintes de s'élever* malgré la force de la pesanteur ; de sorte que la quantité de travail que nous recueillons dans nos moulins , nos usines hydrauliques , est, en réalité, une bien faible portion de celle qui a été primitivement dépensée par la force motrice de la chaleur solaire.
11 résulte, par exemple, des observations très-précises faites, de-
puis plusieurs an nés, à l'École d'application de l'artillerie et du gé*nie, par M. le garde du génie Schuster, qu'à Mets et aux environs, il tombe annuellement, sur toute la surface du sol , une quantité d'enu de pluie capable de couvrir cette surface sur une hauteur de 80 à 60 cent ; ce qui produit, sur la superficie seulement d'une lieue carrée de poste ayant 4000 œct de longueur, l'énorme volume de 4000» X 4000» X 0",K ='8 000 000 mètres cubes, au moins; lesquels pesant 8 000 000 de tonneaux (34), et étant tombés de 1a bauteur des nuages qu'on peut fixer moyennement à 1200 m , ont ainsi exigé, de la part de la cbaleur, un développement de travail mécanique (83) équivalent à 8 000 000» X 120 ° m = 9 600 000 000"», représentant un travail continuel et uniforme (45 et 81 ) de * M \VXh\\V" == S0421â k » par seconde , ou (8Î) de 4808 chevaux-vapeur environ.
Les animaux, la chaleur même, sources primitives du travail mécanique , exigent , quand on les considère dans leur application immédiate aux travaux de l'industrie manufacturière, une certaine dépense en nourriture , en combustible , etc. , qui , à son tour , est la représentation d'un certain travail mécanique ; de sorte qu'il est réellement impossible de créer, de toutes pièces , de la force motrice, ou plutôt du travail, sans qu'il y en ait eu de consommé primitivement. — Ainsi la houille ou charbon de terre qui alimente les chaudières des machines à vapeur, a été extrait du fond des mines qui la recèlent, et amenée sur les lieux de sa consommation, au moyen de voitures ou de bateaux traînés par' des chevaux; elle a exigé en outre des chargements et des déchargements successifs ; et , si l'on calculait tout ce qu'elle a coûté de travail mécanique , avant de recevoir sa destination utile et définitive , on trouverait que, dans certains cas, ce travail égale presque celui qu'elle produit effectivement en convertissant l'eau en vapeur pour la faire agir sur les machines , et , par l'intermédiaire des machines, sur les outils, sur la matière à confectionner. Ce n'est pourtant point un motif 'de croire qu'il fût avantageux, même dans de telles circonstances, de renoncer à cette manière de reproduire le travail , puisqu'on obtient ce travail coercé dans un petit espace, et sous une forme infiniment commode , infiniment avantageuse pour les besoins de l'industrie manufacturière.
