CHAPITRE XXXII

De la vapeur comme force motrice, et des machines à vapeur. Notions générales et préliminaires sur la manière actuelle d'employer cett» force.

Les moteurs inanimés , dont nous venons d'exposer les propriété^ , ont une puissance indépendante de l'homme ; elle existe dans la nature, qu'il s'en serve ou non; il la prend où elle se trouve et comme elle se trouve ; il n'est le maître ni de l'augmenter au delà de ses limites naturelles , ni de la transporter indifféremment en tous lieux au gré de ses désirs; et quand il fait usage de cette puissance sur les lieux mêmes qu'elle semble avoir choisis et pour ainsi dire irrévocablement désignés, il ne peut, d'une manière absolue, se prémunir contre toutes les variations d'intensité qu'elle subit; il faut qu'il y cède plus on moins. Ce n'est donc pas la puissance qu'il proportionne au travail , c'est en général le travail qu'il est forcé de proportionner à la puissance. Son activité, son industrie lui offriraient en vain des débouchés pour une plus grande masse de produits; les limites dans lesquelles la force de ces moteurs est disponible, l'obligent à s'y renfermer et à restreindre son travail. Les localités où la "force se trouve seraient défavorables , qu'il faut , ou renoncer à cette force , ou s'en servir avec tous les inconvéniens locaux qui l'entourent.

La puissance motrice de l'eau réduite en vapeur par l'action du feu va se présenter à notre examen avec des caractères

qui la distinguent éminemment des moteurs dont nous venons de parler.

Si ce n'est pas toujours et dans tous les lieux que la puissance de la vapeur est le moteur le plus économique , son service du moins est le plus avantageux sous tous les autres rapports. Et qui sait si par des progrès nouveaux , par des améliorations nouvelles dans la manière de produire et d'employer cette puissance , on ne diminuera pas sensiblement le seul désavantage qu'on lui trouve , la cherté relative de son emploi en la comparant, par exemple, au service de l'eau centrante?

Cette force qae l'homme crée, s'il est permis de parler ainsi, partout où il y a du combustible et de L'eau, serait alors le moteur par excellence, le moteur qu'il faudrait en général préféré* à tous les autres r lf agent universel des grandes opérations mécaniques de L'industrie.

L'homme crée cetteforcey avons-nous dit, et il en soumet la puissance à toutes ses vues ; il en étend ou il en resserre les limites à son gré : dans ses mains. 9 c'est, ou la force d'un seul konvfve ou celle de mille ehevanx attelés , infatigables , et dans toute l'ardeur èm premier coup de collier. Qu'il la borne à ce premier degré , ou qu'il la porte jusqu'au, second, et plus loin encore , il en est également le maître : elle agit quand on» veut et comme on le vjeut, sans interruption aucune ou avec intermittence, irrégulièrement ou avec régularité» D-'une main on en développe toute l'activité-, «Tune raain on U suôpeud. , quelle que soit la puissance de son developperacat.

kih»lecafités»setit indiffèrent», si ce n'est sous le rapport économique , parce que cette' forée n'est, nulle part „ ou plutut parce qu elie-est partout ou l'homme veot la taire; naître.

Et grâces à celte feUe dé couverte de kesprit humain, Von

peut dire que ces immenses plaines désertes et tourbeuses , ces vastes forêts, ces mines profondes et inépuisables de charbon de terre offrent à l'industrie des millions d'agens infatigables, qui naîtront, quand elle voudra, pour ne jamais périr, et dispenseront l'espèce humaine de ces travaux pénibles qui 1 épuisent , la dégradent et semblent la détourner de sa véritable destination.

11 est donc permis de considérer ce moteur comme celui qui offre aujourd'hui le plus de ressources à l'industrie , comme le plus propre à répondre à toutes les vues que le génie de la mécanique peut avoir , à toutes les combinaisons qu'il peut produire.

Mais ce moteur est aussi le plus difficile à établir, et depuis le fait de la vapeur qui chasse devant elle tout corps qui , s'opposanta sa force motrice , n'est pas rais en état de lui résister, jusqu'à l'établissement de ce qu'on appelle une machine à vapeur, dont le mouvement dépend cependant de ce simple fait, l'intervalle est immense. Il s'est présenté de grandes et de nombreuses difficultés pour trouver et améliorer le mode d'appliquer cette force, qui ne peut se produire , en qualité de moteur, que dans des vases parfaitement fermés, et dont il faut se débarrasser après l'action, et lutter alors contre sa propre puissance, ou ponr la chasser du lieu où elle vient d'agir, ou pour la détruire subitement et sans retour.

Aujourd'hui qu'on a trouvé quelques solutions dissemblables, sans être essentiellement différentes de ce problème difficile, en composant ce qu'on connaît sous le nom de machine à vapeur , on peut concevoir sans peine le jeu de ce mode d'application, quelque compliqué qu'il soit : il suffit pour cela de mettre sous les yeux la combinaison des pièces principales d'une machine à vapeur, et de montrer ce que fait et ce que devient la

rapeur entourée qu'elle est de cet ensemble de pièces sur lesquelles elle agit ou qui agisseut sur elle par une suite de mouvemens combines , tendant en commun à un but unique : la production du mouvement de va et vient rectiligue, ou celui de rotation continue.

Mais si l'on voit ainsi dans le jeu de cette machine les phénomènes divers qui donnent lieu au développement de l'un on de l'autre de ces mouvemens moteurs, on ne les explique point encore ; et si , par exemple , l'on venait à changer une des circonstances qui environnent l'action de la vapeur sur son mode d'application , on ne saurait pas ce qui pourrait résulter de ce changement , en un mot , on n'en a pas la théorie.

On dirait bien ce qui se passe dans une machine à vapeur ; on imiterait bien la construction et l'assemblage des pièces au moyen desquelles on obtient, de la vapeur, un mouvement moteur applicable à un travail quelconque j mais de même qu'on agirait en aveugle , si l'on voulait améliorer le service de l'eau comme force motrice , sans connaître à fond les qualités mécaniques et la théorie de l'action de ce liquide, et si l'on bornait ses recherches au seul fait du mouvement de rotation que présente une roue hydraulique \ de même, et à plus forte raison, n 'aurait-on qu'une connaissance stérile de l'emploi de la vapeur comme puissance mécanique , et serait-on hors d'état d'en varier et d'en améliorer les modes d'application si l'on ne recherchait pas les causes des divers phénomènes que l'on remarque dans le mode actuel de mettre cette puissance en action, ainsi que les qualités propres des agens divers qui concourent ou peuvent concourir à rendre la vapeur une force , si on peut le dire, travaillante.

C'est dans les recherches les plus délicates et les plus modernes de la physique générale qu'il faut aller puiser de* lu-

mières et sur ces phénomènes et sur les qualités de ces agens si difficiles à bien observer.

Ce serait donc par-là que nous commencerions l'étude de la puissance mécanique de la vapeur , si nous pouvions raisonnablement supposer que celui qui n'a pas la moindre connaissance des machines à vapeur telles qu'on les emploie aujourd'hui saurait où nous voulons en venir ; mais les théories compliquées que nous exposerions comme préliminaires, lui paraîtraient peut-être n'avoir aucun rapport avec le service industriel du moteur qui nous occupe en ce moment.

Et s'il lui arrivait de ne pas apercevoir le fil qui lie ces théories avec le moteur lui-même, il serait à craindre dès lors qu'il n'y donnât pas toute l'attention qu'elles méritent, et qu'il n'eût que des notions superficielles et bornées sur un des sujets les plus importans de la mécanique.

Pour appeler donc une attention égale sur tous les détails dans lesquels nous allons entrer , sur les faits si nombreux qui nous semblent se rattacher à l'usage qu'on fait ou qu'on peut faire de la vapeur comme puissance mécanique, nous croyons devoir montrer d'abord le jeu pur et simple des machines à vapeur, telles qu'elles auraient pu se présenter aux premières inspirations du génie de l'invention, ainsi que les phénomènes principaux sur lesquels ce jeu est fondé et que nous ne ferons qu'énoncer, nous réservant de les expliquer et de les évaluer plus loin.

Alors les questions sur l'origine de ces phénomènes , sur les circonstances qui peuvent influer sur eux , s'offriront d'ellesmêmes, et l'étude des faits qui , directement ou indirectement , pourront contribuer à jeter du jour sur ces questions, ne paraîtra plus nous éloigner de notre objet principal.

Il est temps d'entrer en matière.

Un fait qui peut avoir révélé la force motrice de la vapeur , c'est ce nui arrive lorsqu'on fait bouillir fortement de l'eau dans un vase dont le couvercle ferme assez exactement pour ne pas laisser échapper de vapeur, sans être néanmoins assujetti à ce vase de manière à résister à une certaine action de cette vapeur. Il vient un moment où celle-ci a pris assez de force pour faire sauterie couvercle; ce qui, dans notre supposition , ne manquerait pas d'avoir lieu au bout de quelques minutes de pleine ébullilion sur un feu très-ardent.

Il n'est pas encore temps de dire que la vapeur peut prendre dans ce vase un tel degré de force expansive par la durée de l'action du feu sur le vase qui la contient, qu'on ne saurait déterminer avec une entière certitude quel degré de solidité il faudrait donner au vase et à sa fermeture, pour l'empêcher d'éclater ou de s'ouvrir avec une grande violence.

Ce fait au reste que tout le monde connaît, nous prouve que la vapeur produite par l'ébullition de l'eau , est douée de la faculté d'imprimer du mouvement à un corps qui s'oppose à son expansion sans avoir assez de force pour lui résister. C'est bien là assurément le principe d'un moteur , d'une puissance mécanique ; il s'agit de savoir comment on peut en faire usage en celte qualité.

Supposons donc (Jîg. 3 à la fin du volume) le vasetz rempli d'eau aux deux tiers ou aux trois quarts , bien hermétiquement fermé, mais communiquant par le petit tuyau g avec un cylindre creux h , bien alaisé et renfermant une portion de cylindre solide e, qui peut se mouvoir dans le cylindre creux, à la manière d'un piston.

Il est clair que cette espèce de piston s'opposera de tout son poids à la sortie de la vapeur que pourra produire le vase a lorsqu'on en portera l'eau à l'ébullition, parce que nous suppo-

sons que \s~ vapeur ne peut fuir entre le piston et les parois du cylindre creux.

Quel que soit le poids du piston e, ce ne sera pas au moment ou l'eau entre en ébullition qu'il se soulèvera ; la vapeur, dans cet instant , n'a pas encore assez de force pour le faire monter; et remarquons d'abord que ce n'est pas ici le seul poids de ce piston qui s'oppose à l'expansion que la vapeur tend à prendre , mais aussi le poids d'une colonne d'air atmosphérique dout la base est égale à la surface du piston. Or pour que celui-ci cède à l'action de la vapeur , et se meuve de bas en haut dans le cylindre creux , il faut que cette vapeur ait assez de force pour vaincre non-seulement la pression qu'exerce sur elle le poids du piston , mais encore celui de toute la colonne atmosphérique dont on vient de parler.

Cependant au bout de quelque temps d'ébullition , le piston sera soulevé et porté de c end; et si le cylindre creux b se prdlongeait indéfiniment , le piston continuerait de s'élever tant qu'on entretiendrait l'eau du vase et le feu qui la réduit en vapeur. 11 est impossible d'assigner à quel terme le piston s'arrêterait; il n'y en a point dans l'hypothèse que la vapeur continue d'affluer dans le cylindre indéfini et que le piston ne la laisse point s'échapper.

On est déjà frappé de l'aspect sous lequel se présente la force dont nous nous occupons, force qu'on peut développer sans limites assignables avec du feu et de l'eau qu'on entretient.

Supposons toutefois que le piston ne puisse pas dépasser le point d, qu'il y soit arrêté par un obstacle fixe quelconque : tout ce que nous avons obtenu de faction de la vapeur est un mouvement instantané de bas en haut, qui ne peut plus se renou* vêler, tant que les choses restent dans cet état. Vous entretiendrez en vain le feu, vous ne produirez plus de mouvement. La vapeur contioue bien d'agir sur le piston, mais il est arrêté par

( obstacle , et tant que le.cylindrc et le vase qui enveloppent la vapeur seront assez solides pour résistera sa force expansive qui s'accroît graduellement, le repos existera. Vous n'avez donc pas obtenu un mouvement moteur dont vous puissiez tirer parti.

Il faudrait pour cela que le piston arrivé au haut de sa course , redescendît pour remonter encore et continuât cette manœuvre. Vous auriez alors un mouvement non interrompu, et fût-il même intermittent, et ne se répétàt-il que par intervalles , on conçoit la possibilité de l'appliquer dans les deux cas à un certain travail industriel.

Voyons donc ce qu'il y aurait à faire à notre appareil pour produire ce mouvement alternatif du piston.

Il est évident que, si au moment où le piston est arrivé en df nous pouvions faire échapper toute la vapeur qui est entrée dans le cylindre , sans y laisser aborder , pendant ce temps , de la vapeur nouvelle de la chaudière , il est évident , disonsnous, que le piston redescendrait par son propre poids, en poussant devant lui la vapeur qui ne le soutiendrait plus ou que très-faiblement. Un robinet /, par exemple, placé au bas du cylindre, et un autre //, placé sur le tuyau de communication g , pourraient produire cet effet : le robinet / serait fermé et le robinet h serait ouvert pour faire monter le piston. Lorsque celui-ci serait arrivé au point d on fermerait le robinet A, pour interrompre l'arrivée de nouvelle vapeur, et on ouvrirait le robinet /y alors la vapeur renfermée dans le cylindre trouverait par ce dernier robinet , une issue pour s'échapper dans l'air et le piston descendrait ; il descendrait , parce que n'étant plus soutenu par la vapeur qui fuit , et étant d'ailleurs également pressé et par la colonne atmosphérique verticale, et par celle qui répond à l'ouverture du robinet , son propre poids l'entraînerait jusqu'en bas.

En refermant le robinet / et en ouvrant de nouveau le robinet A, le piston remonterait. Enfin on obtiendrait, parla répétition de cette manœuvre, le mouvement alternatif de bas en haut et de haut en bas , dont nous avons parlé.

Nous avons dit pins haut qne , pour soulever notre piston , il fallait que la vapeur eût acquis plus de force qu'elle n'en a , au moment où l'eau arrive à 1 ebullition ; nous verrons , en son lieu, qu'à ce dernier point, la vapeur a tout juste la force -nécessaire pour commencer à vaincre la pression de l'atmosphère qui s'exerce naturellement sur elle : or, dans notre appareil, il faut soulever et la colonne atmosphérique et le poids du piston ; la vapeur doit donc avoir acquis plus de force qu'elle n'en avait au premier moment de l'ébullition , et elle en acquiert, lorsque, ne pouvant s'échapper de notre petite chaudière, elle continue de recevoir l'action d'un feu constamment entretenu.

Si le poids du piston est considérable , la force de la vapeur doit croître en proportion ; ainsi , par exemple , si ce poids était équivalent au poids de la colonne atmosphérique qu'il faut soulever, la vapeur devrait être, par conséquent, un peu plus de deux fois aussi forte qu'elle l'est au moment de l'ébullition, pour commencer à soulever ce lourd piston. Tant que le diamètre de celui-ci reste le même, la colonne atmosphérique présente toujours la même résistance , dans quelques iristans donnés; mais comme le poids du piston peut être plus uu moins grand, il est clair que les variations de ce poids détermineront celles de la force à laquelle la vapeur doit parvenir, pour le mouvoir.

Allons plus loin. La vitesse du mouvement ascensionnel du piston dépendra aussi de la grandeur de l'excédant de la forjce de la vapeur , sur les poids réunis du piston et de la colonne atmosphérique correspondant à la surface de ce piston. Si l'ex-

cédant est peu considérable, la vitesse sera petite; s'il est grand ,

le piston pourra monter avec rapidité.

Vous voyez donc que déjà vous êtes le maître de faire monter le piston avec plus ou moins de vitesse, il vous suffit pour cela d'entretenir uo bon feu , et de laisser prendre à la vapeur une certaine force avant de la faire agir, c'est-à-dire avant de la mettre en communication avec le cylindre qui renferme le pistoa, en ouvrant le robinet h.

U n'en est plus de même pour le faire descendre dans notre appareil. Ici vous n'en êtes pas le maître ; s'il a monté avec quelque vitesse, il descendra pins lentement ; encore faut-il qu'il ait assez de poids pour vaincre les frotteraens qu'il éprouve nécessairement en glissant le long des parois intérieures du cylindre; et l'on peut dire que , quoi que vous fassiez avec l'appareil disposé et manœuvrant comme nons le supposons, le piston descendra toujours plus lentement que vous ne l'aurez (ait monter.

La raison en est simple : si vous faites le piston lourd pour le mettre à même de vaincre plus efficacement les frottemens , vous aurez été obligé d'accroître la force de la vapeur proportionnellement à ce poids; or quand le piston est au haut de sa course il a sous lui une vapeur dont la force de pression est considérable ; et bien que vous laissiez échapper celte vapeur par une petite issue, que vous venez de lui ouvrir, elle exerce toujours en sortant une certaine pression proportionnelle à celle qu'elle a primitivement développée, et comme vous n'avez pu accroître le poids du piston sans augmenter laforce de ta vapeur, vous ne retirerez guère d'autre avantage que de faire vaincre plus aisément la résistance des frotteraens que le piston éprouve.

Vous n'obtenez donc avec cet appareil qu'un mouvement

ET DES MACHINES A VAPEUR. T f

ir régulier, c'est-à-dire une certaine vitesse en faisant monter le piston , et une vitesse plus petite en le faisant descendre.

Un autre inconvénient se présente encore. Puisque la vapeur, sans issue pour s'échapper, prend d'autant pins de force qu'elle reste plus long-temps exposée à l'action du feu, il en résulte qu'elle peut , dans notre appareil , accroître graduellement sa force et augmenter encore par-là l'irrégularité du mouvement alternatif du piston.

Et en effet , après le premier mouvement ascensionnel du piston la vapeur peut acquérir dans le temps que le piston met à descendre plus de force pour opérer le second mouvement qu'elle n'en avait pour le premier, ce qui augmente nécessairement encore la lenteur relative de chaque descente du piston. On ne sait donc où pourrait s'arrêter le développement de la force de la vapeur, et jusqu'à quel point d'irrégularité et môme de désordre le mouvement produit pourrait être porté.

Or un mouvement moteur aussi irrégulier ne serait guère applicable , ou du moins il serait toujours fort incommode et exigerait des dispositions compliquées qui consommeraient une partie plus ou moins grande de la puissance.

Pour éviter cet inconvénient essayons d'un moyen qui le premier semble devoir se présenter à l'esprit : faisons monter et descendre le piston par l'action de la vapeur. Pour cela introduisons de la vapeur au-dessus du piston pour le faire descendre comme nous en introduisons dessous pour le faire monter. Vous concevez très-bien qu'il faut alors que le cylindre creux soit fermé hermétiquement par-dessus par un bon couvercle } et pour que le mouvement du piston soit transmis au dehors, adaptons à ce récipient une tige qui traverse le couvercle en passant dans une espèce de boîte qu'on remplit d'étoupes graissées afin que la tige y glisse à frottement doux sans laisser

d'issue à la vapeur par ce point. La figure 4 représente cette

nouvelle disposition.

Rappelons-nous qu'il nous a fallu deux robinets pour faire agir la vapeur par-dessous, savoir : un robinet pour l'introduction de la vapeur et un autre pour la laisser échapper. Dans notre nouvelle disposition nons en employons quatre , car nous avons à faire produire à la vapeur un double effet.

Maintenant l'appareil étant disposé comme on le voit fig. 4, et tous les robinets fermés, lorsque l'eau sera en ébullition complète depuis quelque temps, ouvrez le robinet 1, le piston s'élèvera jusqu'à un certain point dans le cylindre, mais il ne pourra arriver jusqu'au couvercle mm que lorsque vous aurez ouvert le robinet 3; attendu que l'air, renfermé dans le cylindre audessus du piston ne trouvant pas d'issue pour s'échapper , se comprimera bien jusqu'à un certain point, mais lorsqu'il aura acquis le degré de tension ou de ressort que la vapeur possède elle-même , il lui fera équilibre ; en ouvrant le robinet 3 avec le robinet 1 , l'air fuira donc devant le piston et n'opposera plus d'autre résistance que celle qui résulte de son passage rapide par une ouverture petite en comparaison du diamètre du cylindre qui en est en ce moment le réservoir.

Ainsi par suite de l'ouverture simultanée de ces deux robinets le piston monte. Aussitôt qu'il est parvenu au haut de sa course, fermez ces deux robinets, et ouvrez les robinets 2 et 4 « Par le numéro a la vapeur viendra, par le point d, agir sur le dessus du piston, et par le numéro 4 vous donnez issue à la vapeur qui a fait monter le piston. Celui-ci descendra donc en vertu de la même force que celle qui l'a fait monter j et, en répétant cette manœuvre , vous obtenez le mouvement de va-et-vient vertical de la tige-, c'est-à-dire qu'en mettant les deux maips sur les robinets r et 3 et en les ouvrant simultanément, vous faites mon-

ET DES MACHINES A VAPEUR. 73 ter le piston et sa tige; et, en ouvrant de môme ensemble les robinets a et 4 j vous faites redescendre le piston.

Ce mouvement de la tige est le mouvement-moteur , et l'on conçoit qu'il est possible d'en tirer parti pour l'exécution d'un travail approprié à la force qu'on obtient de cette manière.

On conçoit encore que par cette nouvelle disposition, on a remédié à l'irrégularité de mouvement que nous présentait l'autre appareil.

La régularité de mouvement que nous pourrons obtenir avec celui-ci dépendra : i°. du maintien de la force de la vapeur au même degré d'intensité , et alors son action alternative dessous et dessus le piston sera toujours égale; a°. de l'exactitude avec laquelle on ouvrira , aux instans convenables , chaque paire de robinets; 3°. enfin du soin qu'on aura d'entretenir l'eau et le feu comme il convient de le faire.

Pour ce qui regarde la conservation de la force de la vapeur au même degré d'intensité, dans le service qu'on lui fait faire dans notre appareil, il peut arriver de trois choses l'une : ou la force de la vapeur s'affaiblit après un certain nombre d'actions successive sur le piston; ou elle se maintient constamment au même degré de force ; ou enfin elle s'accroît progressivement.

Examinons chacun de ces cas en particulier. La force de la vapeur s'aflaiblit par deux causes : ou bien parce que le feu n'est pas entretenu au même degré d'ardeur ; ce à quoi il est fort aisé de remédier , en l'alimentant de combustible et en le poussant avec une activité aussi également soutenue qu'il est possible; ou bien la vitesse des mouvemens de bas en haut et de haut en bas qu'a pris le piston , dans les premiers temps de l'action , est telle que la vapeur qui se forme dans la chaudière , pendant la durée de ce mouvement alternatif, n'est pas suflû-