Robinet entretenant une couche d'eau sur le piston
P. Reniflard avec robinet et clapet, pour chasser l'air ;
QQ. Poutrelle commandant au moyen de broches, de leviers, de ficelles et de contrepoids le robinet d'injection K et la soupape d'admission M.
Les machines de Newcommen se répandirent beaucoup et, pendant 50 ans, il ne fut apporté à leur construction aucun changement important.
laquelle les deux robinets E, F, sont remplacés par une soupape à mouvemeat automa* tique.
HISTOIRE DE LA MACHINE A VAPEUR
En 1772, John Smeaton, célèbre ingénieur, puis, en 4775, lerfwc de Bridgeivater et son Ingénieur Brindley en améliorèrent les détails et les proportions.
C'est à Smeaton qu'on doit la cataracte.
Nous arrivons enfin à Watt.
499. JTameM iv&tt. — James Watt naquit à Greenock, le 19 janvier 1736. Ses parents étaient pauvres et sa santé délicate. Il avait un goût très
prononcé pour la physique et, après avoir travaillé chez un opticien de Londres, il s'établit pour son compte à Glasgow.
En 1763, il eut à réparer, pour l'Université de cette ville, le modèle d'une machine de Newcommen, ce qui appela son attention sur les machines à vapeur.
Le condenseur. — La dépense de combustible était énorme dans les ma-
chines de NewcomineD, à cause des condensations à l'admission, au contact de Teau froide et des parois refroidies du cylindre. Watt imagina le condenseur, récipient indépendant du cylindre, etMa pompe à air qui en est le complément indispensable.
La chemise de vapeur, — Pour atténuer encore la condensation à l'admission, il enveloppa le cylindre d'une chemise dans laquelle il faisait circuler la vapeur provenant de la chaudière.
La machine de Cornouailles . — Puis, pour éviter le refroidissement produit par le contact de Tair atmosphérique, il ferma le haut du cylindre, fit passer la tige du piston par un presse-étoupe et arriver la vapeur au-dessus du cylindre. Il constitua ainsi les éléments principaux de la machine à simple effet que nous avons décrite sous le nom de machine de Cornouailles (446).
Ces améliorations considérables ne pouvaient être réalisées que par un ajustage bien exécuté du cylindre, du piston et de sa tige. Mais par le fait même de la vulgarisation des machines de Newcommen, l'art des constructions mécaniques avait fait de grands progrès ; on savait aléser un cylindre et, quant au presse-étoupe, les essais persévérants de Watt parvinrent à le faire fonctionner convenablement.
Recherches physiques, — Watt était resté physicien habile et expérimentateur consciencieux : il donna, entre autres résultats, des déterminations fort approchées de la chaleur de vaporisation de Teau et de la relation entre la température et la tension de la vapeur saturée.
ItfKiHiinfx vhfenus, — Ayant pris patente en 1769, il s'associa avec le Docteur Hùf'hut'h (it construisit, pour les mines de houille de la Duchesse de ÎIamilL<M), uut< machine qui, après des essais pénibles, finit par fonctionner uvtîc succès*
lloh'biick ayant fait de mauvaises affaires, céda, en 1775, sa part dans 1 association (i/3 des bénéfices) à un grand manufacturier de Birmingham Maih'iv /Jotiltttn ; le brevet de Watt ayant été prorogé jusqu'en 1800, cette nuiiYelle société entra dans une ère de prospérité.
Wall el Boulton traitaient, en général, avec les propriétaires de mines sur lus bases suivantes :
îifi cûûsominalion en combustible des anciennes machines de Newcommen étant constatée pour l'élévation d'une quantité d'eau déterminée, on constatait de même la consommation de la nouvelle machine de Watt pour produirt* le même travail ; le propriétaire s'engageait à payer unereilHvaiJce aiHiuelle représentant le tiers de la valeur du charbon économisé, on prenant pour base cette expérience comparative et le travail de l'année mesuré par le nombre annuel de coups de piston (1).
(l) Constaté par un compteur inventé par Watt.
HISTOIRE DE LA MACHINE A VAPEUR
Watt remplaça trois machines de Newcommen à la mine de Chacewater, en Cornouailles, et le succès fut tel que le propriétaire se racheta de sa redevance par une rente annuelle de 60.000 francs.
Au bout de quelques années, Boulton et Watt fondèrent à Soho, près Birmingham, un grand atelier pour la construction des machines à vapeur et cet établissement ne tarda pas à acquérir une grande célébrité.
La machine à double effet. — Watt imagina ensuite la machine à double effet et s'efforça de lui faire produire la rotation d*un arbre de couche.
Mais la réalisation de ce genre de machine ne laissa pas que de présenter de grandes difficultés. Il s'agissait de relier les deux extrémités du balancier : d'une part, au piston, d'autre part à Tarbre de couche.
Le parallélogramme. — Après bien des recherches, Watt finit par résoudre le premier de ces deux problèmes au moyen du parallélogramme (192).
Quant & la liaison du balancier à Tarbre de couche, depuis Papin, qui s'était servi de roues à rochet, on avait imaginé plusieurs dispositifs plus ou moins compliqués, et comprenant tous des encliquetages et des roues dentées.
On oubliait la manivelle du remouleur. Un anglais, fTa^&éroti^A, de Bristol, proposa cette transmission par bielle et manivelle, et la fit patenter en
Pour se soustraire à l'effet de ce brevet, Watt imagina le plandlaire (fig. 313) composé de deux roues dentées égales, Tune A, Cixée h la bielle, l'autre B calée sur l'arbre de couche, les distances des centres de ces deux roues étant maintenues constantes par un lien A B ; la roue B fait deux tours pour une double oscillation de la bielle.
Watt renonça à ce système dès que l'expiration du brevet de Washbrough lui permit de revenir à la simple manivelle.
On voit, sur la figure 313, un volant calé sur l'arbre de couche. Le volant avait été imaginé en 1758 par Keane Fitzgerald. Fig. 313.
Le modérateur centrifuge. — On doit également k Watt l'application du modérateur à force centrifuge à la manoeuvre du papillon. Cet organe était, du reste, déjà connu et employé dans les moulins à blé.
Watt songea aussi à faire usage de la détente ; toutefois, dans les machines qu'il construisit, la détente n'était appliquée que dans des limites fort restreintes.
^indicateur de pression. — Enfin, c'est à Watt que l'industrie est rede-
vable de Tindicateur de pression, qui a servi de point de départ aux enregistreurs des physiciens.
Jusqu'alors, la distribution était obtenue au moyen d'obturateurs, robinets ou soupapes, mus par une poutrelle armée de chevilles.
En 1801, Murrayy de Leeds, imagina le mécanisme du tiroir et de Vexcentrique, et c'est à cet ingénieur qu'on doit le tiroir désigné habituellement sous le nom de tiroir en D de Watt (132).
La machine à balancier, telle que nous l'avons décrite art. 191, était dès lors constituée dans tous ses éléments.
L'œuvre de James Watt est considérable ; en partant de la machine rudimentaire de Newcommen, il est arrivé à créer de toutes pièces deux types complets de machines à vapeur : la machine à balancier et la machine de Gornouailles, qui ont subi, sans modifications importantes. Tépreuve de près d'un siècle. En outre des inventions nombreuses dont il a enrichi la mécanique, il sut choisir avec discernement, parmi celles de ses prédécesseurs ou de ses contemporains, et les adapter judicieusement uses propres constructions. L'action considérable qu'il a exercée sur les méthodes d'élaboration et de mise en œuvre des matériaux n'est pas moins importante, au point de vue des progrès de l'humanité, et Ton peut dire que James Watt est le créateur de la mécanique industrielle moderne.
Parvenu à un âge avancé, Watt quitta les affaires commerciales et se retira dans sa maison de Heatfield, près de Birmingham. Possesseur d'une brillante fortune, fruit de ses nobles travaux, entouré de l'estime et du respect du monde entier, le patriarche de l'industrie britannique, toujours bienveillant, modeste et réservé, coulait des jours paisibles dans la société d'un petit nombre d'amis (1).
11 mourut le 25 août 1819, à la suite d'une courte maladie, à l'âge de quatre-vingt-quatre ans. Cette fin, douce et glorieuse, fait un douloureux contraste avec celle du malheureux Denis Papin.
403. Hornblo^vrcr et IVoolf. — Watt avait indiqué la détente, mais plutôt comme moyen d'amortir la vitesse du piston aux extrémités de sa course que dans le but de réduire la dépense de vapeur.
En 1781, Jonathan Hornblower se fait patenter pour l'emploi de deux cylindres, et il indique que la même vapeur, après avoir agi dans le premier cylindre, exerce une seconde fois son action par expansion dans le deuxième. Mais cette idée eut peu de succès d'abord et ne fut réalisée pratiquement que plus tard, en 1804, par Arthur Woolf, qui l'appliqua aux machines à haute pression.
404I. Trevlthlek et Vivian. — Comme nous Pavons vu, Papin avait, le premier, indiqué l'usage de la haute pression sans condensation. Watt
(1) Arago.
HISTOIRE DE LA MACHINE A VAPEUR 803
avait pensé aussi à s*en servir dans les cas où Teau serait rare. Mais les premières applications pratiques sont dues ù Jrevithick et Vivian (1802) sous forme de machines transportables avec foyer intérieur, cylindre vertical sans balancier et distribution par robinet à quatre voies de Papin.
495. Batettax À vapeur. — On a vu plus haut que Papin construisit, vers 1707, un bateau à vapeur avec roues à palettes.
Des essais dans le même sens furent entrepris, sans succès, à diverses époques; en 1737, par Jonathan Hull ; en 1775 par M. Périer,
En 1778, M. le marquis de Jouffroy fît, sur une grande échelle, des expériences à Baume- les-Dames sur le Doubs ; il construisit, en 1781, un grand bateau à vapeur qui navigua avec quelque succès sur la Saône. Ces essais furent interrompus par les événements de 1789.
Des tentatives du même genre, tout aussi infructueuses, sont faites en Angleterre en 1791, 1795 et 1801 par Miller, Lord Sianhope ei Symington, et en Amérique par John Ficht (1788).
Le point défectueux de tous ces essais était évidemment la puissance insuffisante du moteur.
496. Folton. — En 1803, MM. Livingslone et Fulton, tous deux Américains, essayèrent sur la Seine un bateau à vapeur qui marcha assez bien, et proposèrent leur invention, en même temps qu'un système de torpilles qu'ils avaient imaginé, au Premier Consul, qui se préparait à opérer une descente en Angleterre ; leurs offres furent rejetées. Fulton retourna en Amérique et construisit, à New- York, en 1807, le premier bateau à vapeur qui ait fait un voyage sérieux. Ce bateau s'appelait le Clermonl ; il avait 40 mètres de long, 5 m. 40 de large. La machine avait été construite en Angleterre, par BOulton et Watt. Le cylindre avait 0 m. 72 de diamètre et 1 m. 20 de course ; la force (nominale) était de 18 chevaux. Le cylindre, vertical avec bielles pendantes, commandait les roues à palettes au moyen do balanciers coudés. Le Clermonl fit un voyage d'essai de New- York à Albany (230 kilom.) en 32 heures de marche. Après cette expérience décisive, Fulton organisa un service régulier de transports sur THudson.
L'Angleterre se hâta d'imiter l'exemple donné par l'Amérique, et, dès 1812, on vit le bateau à vapeur La Comète circuler sur les eaux de la Clyde.
La France resta longtemps en arrière, et ce ne fut qu'en 1829 que la Marine de l'Etat se décida à faire venir d'Angleterre la machine du Sphinx; elle fut livrée par Fawcett et servit de modèle aux engins que construisaient les arsenaux français.
49T. Li'héliee. — Jusque là, le seul propulseur en usage était la roue à palettes. L'hélice ne fut adoptée que beaucoup plus tard.
H semble qu'on doive attribuer à Du Quest (1727) la première idée de l'hélice propulsive ; citons, parmi les auteurs qui se sont occupés de ce
sujet : Bemouilli (1752) ; Paucton (1768) ; le capitaine Dallet^{il9l), Taméricain John Fitch (1796) ; enfin le capitaine du génie Delisle (1823) qui Ot une étude très précise de cet organe, et Sauvage^ mécanicien à Boulogne, qui prit patente en 1832.
Les premières applications pratiques de Thélice semblent dues à John Ericsson et à F. P, Smith (1836).
L'hélice d'Ericsson ressemblait en tous points à celle proposée par Delisle; celle de Smith était constituée par un hélicoïde gauche faisant deux révolutions complètes, qu'à la suite d'expériences ultérieures on réduisit à une fraction de tour.
498. Litt locomotive. — L'idée d'appliquer la vapeur au transport des fardeaux paraît avoir pris naissance en Angleterre ; le docteur Robison semble l'avoir suggérée à Watt en 1759.
En 1770 Cugnot construisit et essaya une voiture à vapeur qui existe encore au Conservatoire des Arts et Métiers, à Paris.
Citons encore les patentes de Watt, en 1784, les essais de Murdoch^ delà môme année, et ceux de Trevithick et Vivian en 1802.
Toutes ces tentatives n'eurent aucune suite jusqu'à ce qu'on en fût arrivé à essayer la traction par la vapeur, non plus sur une route inégale, mais sur des rails de fer.
499. Eiem chemins de fter. — A toute époque, on a employé, sur les chantiers, des madriers en bois pour faciliter le roulage des chariots sur le sol inégal et détrempé ; ce moyen était en usage dans les mines, d'une manière générale, dès le XVII" siècle.
En 1767, Reynold proposa de remplacer les madriers par des barres de fonte à rebords, et l'usage de ces chemins à ornières en fonte se répandit rapidement. En 1789, Sessop leur substitua des rails saillants en fonte, en mettant des rebords sur les roues. Vers 1820, on commença à remplacer ces rails en fonte par dé% rails en fer laminé.
Le fait d'une construction aussi coûteuse que celle d'une voie de fer suppose des transports considérables, et, par conséquent, une cavalerie nombreuse ; la pensée de substituer à la traction animale la traction mécanique plus puissante et plus économique, était dès lors, toute naturelle. Malheureusement, le progrès dans cette direction fut longtemps retardé par les iiiées fausses qu'on se faisait sur l'adhérence d'une roue en fer sur un rail. Les inventeurs se fatiguaient à chercher les moyens les plus compliqués pour prendre appui sur le sol. On essaya de garnir les jantes des roues de ttHes de clous. En 1811, Blenkinsop armait les roues de sa locomotive d'une roue dentée mordant sur une crémaillère, disposition reproduite depuis au Chemin de fer du Higi (394), etc.
D'autres inventeurs imaginèrent de pousser la locomotive au moyen de
HISTOIRE DE LA MACHINE A VAPEUR 505
béquilles prenant aUernaliveuient appui sur le sol, comme les jambes d'un homme qui tire un chariot.
Enfin, en 1812, William Hedlcy et Blackel démontrèrent que Tadhérence sur le rail de roues lisses, convenablement chargées, suffît pour déterminer le mouvement de progression et la traction de poids considérables.
500. G. Stephenson. — En parlant de ces données, Georges Slephenson exécuta» en 1814, une machine locomotive de beaucoup supérieure à toutes celles construites avant cette époque. La chaudière, à foyer intérieur, était portée sur six roues ; deux cylindres verticaux, placés sur le dos de la chaudière, agissaient par des bielles pendantes sur les deux essieux extrêmes, et une chaîne de galle accouplait les trois essieux. Quelques années plus tard, cette chaîne fut remplacée par des bielles d'accouplement.
Il fut ainsi construit un assez grand nombre de locomotives, qui faisaient à petite vitesse la traction des chariots chargés de charbon.
50t. Ck>iico«ir« de Uveppool. — Cependant, Tusage des chemins de fer sur les parcours à grand trafic devenait de plus en plus général. En 1826, un bill concéda le chemin de Jer de Liverpool à Manchester, et les travaux furent exécutés sans que Ton sût encore à quel mode de traction on aurait recours.
Une polémique très vive s'engagea ; plusieurs ingénieurs proposaient remploi de machines fixes avec câbles ; Stephenson soutint énergiquement la traction par locomotives. Son opinion l'emporta, et la Compagnie concessionnaire publia, le 25 avril 1829, le programme d'un concours de locomotives.
Comme conditions essentielles, la machine ne devait pas peser plus de 6 tonnes et, à ce poids maximum, traîner, sur chemin de niveau, un convoi de 20 tonneaux à la vitesse de dix milles (16 kilôm.), à l'heure.
Le concours eut lieu le l*'' octobre 1829.
Les machines présentées étaient au nombre de cinq :
La Fusée (The Rocket) pesant 4 t. 05 à M. Robert Stephenson ;
La Nouveauté, 3 t. 01 à MM. Braithivaite et EiHcsson ;
La Sans-pareille, 4 t. 155 à M. Hachworlh ;
Le Cyclope, 3 t. à M. Brandreih ;
La Persévérante, 2 t. 17 à M. BurstalL
Divers accidents survenus dans les épreuves préliminaires mirent presque toutes ces machines hors de service.
KO». Ea Fiunée. — Seule, la Fusée supporta avec succès toutes les épreuves du concours ; elle traînait une charge de 12 1. 14 à une vitesse de 14 milles (22 kilom.) à l'heure. Débarrassée du poids qu'elle remorquait, elle atteignit une vitesse de 35 milles (56 kilom.).
Le succès de la machine de Stephenson était dû avant tout à la grande puissance de sa chaudière. C'était la chaudière tubulaire imaginée par Marc
Séguin, ea 1828 ; le tirage était activé par l'injection, dans la cheminée, de la vapeur d'échappement (i).
La figure 314 représente La Fusée de Stephenson.
Les principes qui ont guidé Tillustre auteur de La Fusée ont présidé, sans modification, à la construction des nombreuses locomotives qui parcourent nos réseaux de chemins de fer. Mais l'application en a été singulièrement étendue et, comme poids, comme puissance et comme vitesse, la Fusée n'est guère comparable aux locomotives modernes.
MI3. Période moderne. — On peut dire que le concours de Liverpool a clos l'ère des grandes Fig- 314. inventions, en fait de moteurs à
vapeur : les propriétés mécaniques de la vapeur d'eau avaient été démontrées par Papin ; la machine fixe est créée par Watt ; le bateau à vapeur par Fulton, et la locomotive par Stèphenson.
Mais, pour être moins brillante, l'œuvre des successeurs de ces maîtres ne laisse pas que d'avoir été laborieuse et utile. Pas à pas, mais d'une manière continue et persévérante, le progrès s'est fait et ne cesse de se faire. La théorie s'est établie ; les données numériques ont été précisées, ainsi que les propriétés des matériaux ; tous les détails de la construction ont été successivement étudiés, perfectionnés et, on peut le dire, réinventés, et à ce labeur patient, mais éminemment utile, les grandes maisons de constructions mécaniques qui se sont élevées en France ont pris une large part. Il faut citer, parmi nos plus anciens constructeurs, Caup, Caxl^ Bourdon^ Farcot, Le Creusai, Le Normand, Gâche, Mazeline, les arsenaux militaires, etc. Les ingénieurs français ont apporté un puissant concours à cette grande œuvre de civilisation ; parmi ceux qui ne sont plus, rappelons les noms de Carnot, Reech, Clapnjron, de Pamhour, Perdonnet, Polonceau, liegnault, Lechâlelier, etc.
