CHAPITRE III

Des machines hydrauliques.

Les modifications des mouvemens des fluides, qui sont utilisés, soit pour les transporter d’un lieu à un autre, soit dans l’application de leur puissance à l’effet d’obtenir des effets mécaniques, peuvent être considérées comme une division distincte de l’hydraulique pratique qui correspond à la doctrine générale des machines dans la mécanique pratique.

SECTION PREMIÈRE

Des régulateurs hydrauliques.

C’est à l'aide des canaux, des aquéducs ou des tuyaux fermés qu’on se procure l’eau, d’un réservoir, dont le niveau est plus élevé que celui du lieu où elle doit être amenée,

RÉGULATEURS HYDRAULIQUES. ZOg

quelle que soit la distance qui sépare ces deux points. Dans les endroits où il est impossible d’obtenir une pente non interrompue, il faut nécessairement employer des tuyaux courbés à volonté de bas en haut et 'vice 'versa , pourvu qu’aucun d’eux ne s’élève à plus de trente pieds au-dessus du réservoir : le tuyau une fois rempli , l’eau continuera à couler par l’ouverture d’en bas ; mais il convient , en pareille circonstance, d’éviter les angles ; car, lorsque le tuyau monte et redescend , une partie de l’air contenu dans l’eau s’accumule dans les angles, et s’oppose à l’écoulement de l’eau dans le tuyau : on donne un libre cours à l’air, en fixant sur le tuyau une boîte qui contient une petite soupape, qui ouvre par bas, et est soutenue par un liège, de manière à rester fermée quand la boîte est remplie d’eau , et qui s’élève , lorsque l’air s’y introduit.

Le? expériences de Du Buat sont concluantes sur le diamètre qu’il convient de donner à un tuyau destiné à transporter une quantité d’eau donnée, à une distance convenue. Les tuyaux sont ordinairement faits en bois, en plomb ou en fer coulé ;

mécanique. 14

mais plus communément en plomb: le cuivre étamé est employé depuis peu avec avantage. Un conduit en plomb soutiendra la pression d’une colonne d’eau de cent pieds de haut, si son épaisseur est d’un centième de son diamètre, ou un peu moins : mais on leur donne généralement plus d’épaisseur, afin - d’obvier à tous les inconvéniens qui peuvent se rencontrer.

La forme des robinets et des soupapes est aussi variée que leur destination. Les robinets se composent d’une partie cylindrique ou conique, perforée suivant une direction spéciale, et susceptible de se mouvoir dans la douille du tuyau, de manière à laisser échapper le fluide ou à le retenir ; I ou aussi pour servir de moyen de communication entre deux ou plusieurs vases, à volonté. On fait usage de la soupape, lorsqu’un fluide s’écoule dans une seule direction , sans revenir. Les meilleures soupapes J pour l’eau , sont celles qui interceptent le moins son passage : et aucune ne remplit! mieux cette condition que la soupape-taquet | ordinaire, en peau, qui est simple ou com~ | posée de deux parties, quelquefois dé quatre» j

réunies en forme pyramidale , assez semblables aux soupapes doubles et triples que la nature a disposées dans le cœur des animaux.

Ayant d’examiner les applications de la force des fluides en mouvement , il convient de nous rendre compte de la manière dont on mesure la vitesse de leurs mouvemens. Elle s’obtient, soit en la comparant à une mesure linéaire , ou par des instrumens com binés d’après les lois de la pression hydraulique : l’un des meilleurs est le tube de Pitot, perfectionné par Du Buat.

Les mouvemens de l’air sont également mesurés par des instrumens de formes semblables à ceux employés pour déterminer la vitesse des courans. On indique , par fois, la direction du vent à l’aide d’un cadran, qui consiste en un index uni par des roues à une girouette ordinaire : on calcule sa vitesse par des jauges à vent de diverses espèces.

Les principaux moyens d’utiliser la force des fluides résident dans l’usage bien entendu de leur poids , dé leur impulsion ou de leur pression. L’eau agit par son poids,

lorsqu’on l’accumule dans un réservoir, et qu’à l’aide d’un piston mobile elle monte et descend alternativement dans un tuyau ; ; ou bien en la dirigeant.dans des godets disposés autour d’une roue qui tourne : son impulsion peut être dirigée perpendiculairement ou obliquement à l’egard d’une sur- ! face plane , et on aura sa pression , sans impulsion immédiate, en faisant qu’un courant s’échappe horizontalement d’un conduit roulant sur son axe. Quant à la force de l’air, on ne peut l’utiliser qu’en raison de son impulsion , et on doit l’employer, soit perpendiculairement, soit obliquement.

Si l’eau est recueillie dans un seul réservoir, pour faire jouer une pompe ou élever un poids , son mode d’action peut être déterminé par des considérations purement mé- r caniques : et il est clair que si nous voulons ne rien perdre de la force de l’eau , il faudra employer un second réservoir, qui sera rempli à l’aide du premier, tandis que le second reportera à l’autre l’eau qu’il en aura reçue. L’action d’une colonne d’eau enfermée dans un tuyau , est d’une nature à peu près sem- 1

blable à celle d’un réservoir de cette espèce, I

RÉGULATEURS HYDRAULIQUES. 2l3 excepté que l’appareil est plus susceptible de frottement : sa combinaison est la même, mais dans un ordre inverse à celui adopté généralement dans l’élévation de l’eau par les pompes.

Nous avons vu que pour déterminer l’effet mécanique d’une force quelconque, il fallait avoir égard non-seulement à sa dimension, mais aussi à la vitesse avec laquelle elle peut être mise en action , et qu’alors on évaluait sa puissance à la somme des rapports de la force et de la vitesse. Ainsi , si dans un moulin à blé, nous voulions que la meule tournât suivant une certaine vitesse, pour vaincre une résistance donnée, dans l’hypotbèse où cet effet serait obtenu par un système de roues jouissant d’un mouvement donné; et si la vitesse de ce mouvement à son principe, est réduite à moitié , il faudra doubler le diamètre de Tune des roues qui engendrent la force , pour procurer à la meule la vitesse désirable; et par ce procédé nous aurions un préjudice matériel, qui ne pourrait être compensé qu’en procurant à la force primitive une intensité double.

Si nous faisons l’application de l’effet du

2 1 4 HYDRAULIQUE : MACHINES, mouvement d’une roue poussée' par en haut, nous trouverons que la vitesse de la roue, et conséquemment sa largeur et la dimension de ses godets, sont complètement indifférentes dans l’évaluation de son effet: car en supposant que le courant s’introduisît dans les godets avec une vitesse égale à celle de la roue, la quantité d’eau portée par celle-ci, à quelque instant que ce soit , et conséquemment sa pression , seront en raison inverse de la vitesse, et alors le produit de la force et celui de la vitesse seront les mêmes, de quelque manière qu’il varient séparément. Cependant, si la vitesse devenait trop considérable, il faudrait sacrifier une partie de la j chute, pour que l’eau acquît cette vitesse avant d’arriver à la roue; or, une chute d’un pied, et même moins, suffit pour procurer dans tous les cas pratiques une vitesse convenable; et il est clair qu’il faut moins d’agent mécanique pour obtenir une certaine vitesse, au moyen d’une roue qui se meut rapidement, que pour celle qui marche lentement. En gé- j ; néral, la vitesse de la surface d’une roue est ] entre deux et six pieds par seconde; et, qu’elle soit plus ou moins grande, la force mise en 1

RE&ULATEURS HYDRAULIQUES. 21 5

usage sera toujours égale en effet au poids de la portion du courant employé , égale en longueur à la hauteur de la roue. Afin d’éviter la résistance qu’occasionerait l’eau stagnante sur la partie inférieure de la roue , il est bien de diriger le courant un peu en arrière.de son milieu , de telle sorte que l’eau s’écoule dans la direction générale de- son mouvement ( fig. 2 3).

Si nous voulons qu’un courant acquière la plus grande vitesse de sa chute, et qu’il frappe horizontalement les lames d’une roue poussée par en bas, ou si nous désirons utiliser la force d’une rivière coulant suivant une direction à peu près horizontale , il faudra que la roue se meuve avec une vitesse moitié de celle du courant, pour en obtenir le plus grand effet. Car la masse de l’eau qui pousse les lames est à peu près la même , quelle que soit la vitesse, surtout si la roue est enfermée dans un étroit canal; d’où on peut conclure que le plus grand effet possible aura lieu , quand la vitesse relative du courant qui frappe les lames sera égale à la vitesse de la roue elle-même. La pression sur les palettes est égale à celle d’un courant

2 t6 HYDRAULIQUE ! MACHINES.

qui contiendrait la même quantité d’eau et frapperait un obstacle fixe avec moitié de la vitesse, c’est-à-dire, celle du courant qui s’échappe de la roue, lequel doit être deux fois aussi profond ou aussi large que le courant primitif, puisque son mouvement est moitié moins rapide; or, nous savons qu’une colonne d’eau d’un semblable courant , de deux fois la hauteur applicable à sa vitesse , ou bien de la moitié de la hauteur de la chute, est la mesure de la pression hydraulique; donc, cette force devra être précisément moitié aussi grande que celle d’une pareille colonne agissant sur une roue poussée par en haut , qui aurait un mouvement d’une vitesse égale. Mais le courant ainsi retardé ne conserverait pas l’autre moitié de sa puissance mécanique, puisque son plus grand effet serait proportionnel à celui d’un semblable courant qui ferait mouvoir une roue poussée par en haut avec un quart de la chute du premier; et le dernier quart de la puissance est employé à déterminer le changement de forme de l’eau, et à vaincre son frottement.

De quelque manière que nous appliquions

la force de l’eau, nous trouverons que sa puissance mécanique doit être mesurée par le produit de sa masse multiplié par la hauteur de sa chute: ainsi, un muid d’eau, par exemple, qui tomberait d’une hauteur de dix pieds, a la même puissance que dix muids tombant de la hauteur d’un pied; et un réservoir rempli à dix pieds au-dessus de son orifice d’écoulement, possède une puissance cent fois plus grande que le même rempli à la hauteur d’un pied seulement.

D’où il suit que si la chute d’eau est suffisamment grande, une roue mue par en haut est d’un usage préférable à celui d’une roue mue par en bas ; mais si la chute est trop faible pour la première de ces roues , il convient d’employer une roue noyée jusqu’à l’axe , laquelle participe des propriétés de celle-là : ses palettes sont composées de deux parties qui forment entre elles un angle qui leur donne la forme d’un auget, afin que l’eau s’y trouve retenue comme dans un canal voûté qui suit la courbe de la roue , sans toutefois la porter trop en contact avec cette dernière , ce qui occasionerait un frottement inutile. Mais lorsqu’il n’est pas possi-

ble de faire usage de la roue plongeante,, il faut se contenter de celle mue par en bas: on recommande pour celle-ci que ses lames soient placées perpendiculairement à la surface de l’eau, au moment où elles en sortent ; que la moitié de leur nombre ( trois ou cinq) soit toujours submergée, suivant la grandeur de la roue, fîg. 24 et 25.

Puisque l’eau qui s’échappe d’une roue mue par en bas , la prive d’un partie de sa vitesse , il est clair qu’il faut l’utiliser à faire mouvoir une seconde roue, si l’on veut conserver le plus de force possible ; mais dans ce cas , il faut bien se rendre compte de la dépense qu’entraîne ce double appareil.

Les mathématiciens et les praticiens en mécanique ont souvent commis de graves erreurs dans le calcul de la force du vent ou de l’eau sur les surfaces obliques : elles proviennent généralement de ce qu’on a confondu la pression et la puissance mécanique. On pourrait démontrer que la plus grande pression possible exercée par le vent ou par l’eau sur une surface oblique quelconque en repos , et qui tend à la faire tourner dans une direction perpendiculaire à celle du

vent , résulte d’un angle de 55° entre cette surface et celle du vent ; tandis que le pouvoir mécanique d’une pression semblable f dont l’évaluaison réside dans son intensité et la vitesse de la surface combinées , peut être accrue indéfiniment si l’on augmente l’angle d’inclination et conséquemment la vitesse. Le plus grand effet qu’on puisse obtenir par ce moyen serait égal à celui qu’occasionerait le même vent ou un courant qui agirait sur les lames d’une roue mue par en bas': mais puisque dans tous les cas pratiques, la vitesse est limitée, l’effet obtenu serait un peu moindre: par exemple, si l’on suppose que la moindre vitesse des lames ou des ailes est égale à celle du vent, le pouvoir mécanique l’emportera des 4/5es sur celui de la roue mue par bas; et de plus des 4/5csen ce qui concerne le moulin. Maclaurin a prouvé que les ailes devaient former avec le vent un angle de 74° • mais, dans la pratique , on trouve plus avantageux de donner plus d’ouverture à l’angle, la vitesse des extrémités des voiles étant , suivant M. Smeaton , deux fois aussi considérable que celle du vent.

L’art du marin repose presque entièrement sur la connaissance bien entendue.des forces et des résistances de l’air et de l’eau ; et si les lois importantes de la pression hydraulique étaient convenablement développées, en ce qui a rapport aux surfaces courbes et obliques , nous serions à même de calculer, non-seulement quels seraient les mouvemens d’un vaisseau dans toutes les . circonstances possibles, mais nous dirions d’une manière précise quels devraient être la meilleure forme des voiles, et l’arrangement le plus convenable de leurs agrès.

Lorsqu’un vaisseau fait voile immédiatement en face du vent , il faut peu ou point d’art pour dresser ses voiles, et sa#vitesse est purement limitée à celle du vent et de la résistance de l’eau : mais pour faire voile par un vent de côté, il devient nécessaire de modifier la force du vent.

Si nous avions un vaisseau circulaire ou en forme de cuve, ne portant qu’un seul mât, et une voile parfaitement unie qui fît un certain angle avec le vent, la cuve se mouvrait d’abord à peu près à angle droit à l’égard du vent , puisque son impulsion agit

presque dans une direction perpendiculaire à la voile; mais la plus légère inégalité dans les dimensions de celle-ci, ou dans la force du vent, changerait tout-à-coup la position du vaisseau : et pour parer à cet inconvénient, il conviendrait d’avoir un corps mobile, plongeant dans l’eau, dans le but de créer une résistance , au moyen de laquelle on dirigeât le vaisseau de manière à conserver à la voile la position qui lui est propre : ce résultat s’obtient plus efficacement en donnant au vaisseau une forme ovale au lieu d’une ronde : il en résulte en outre cet avantage, que le vaisseau se meut plus facilement sur l’eau dans la direction de sa longueur et qu’il acquiert une résistance plus énergique dans une position transversale ; si bien que lorsqu’il est sollicité “par une force oblique , il marchera à peu près dans cette direction , mais toujours beaucoup plus suivant sa longueur que sa largeur. La déviation angulaire du sillage d’un vaisseau, s’appelle la dérive , et si nous connaissons la direction des voiles et les résistances proportionnelles qui s’opposent à la marche du vaisseau, dans toutes les directions, nous

serons à meme d’évaluer, d’après ces résistances, la grandeur de l’angle de déviation ou de dérive : mais jusqu’ici ces calculs ont donné un angle de dérive trois ou quatre fois aussi grand que celui observé. L’usage de la quille d’un navire n’est pas seulement de le maintenir dans une direction convenable, mais elle sert encore à diminuer son balancement (ou roulis) qui neutralise une partie des effets des voiles; elle obvie encore à d’autres inconvéniens. Quand la force principale du vent s’exerce sur la partie antérieure du vaisseau, son avant tournerait naturellement vers le vent , si le gouvernail n’était pas projeté vers la poupe, dans une direction contraire, de manière à présenter à l’eau qui glisse sur la quille la surface d’un plan incliné, et maintient ainsi le vaisseau dans toutes les positions possibles propices à la manœuvre, en raison de la pression qu’elle reçoit. Cependant , quoique les voiles soient disposées de manière à ce que la force principale du vent paraisse agir sur l’avant du vaisseau , la courbure des voiles , ou quelque autre cause, porte la pression plus loin en arrière, et l’action du gouvernail devient alors

RÉGULATEURS HYDRAULIQUES. 223 nécessaire pour empêcher que l’ayant ne se tourne du côté du vent (fig. 26).

Lorsqu’un vaisseau fait voile par un vent de côté, l’effet du vent a une tendance à le renverser, et s’il porte mal la voile, c’est-àdire, s’il manque de stabilité , il ne saurait marcher autrement qu’en face du vent. La position du centre de gravité , comparée à celle du métacentre, ou centre imaginaire de pression , détermine le degré de stabilité : et le moyen généralement pratiqué pour l’augmenter, est d’affaiblir les poids supérieur et les agrès , de diminuer sa hauteur, et d’accroître sa largeur, en ayant soin de charger le lest le plus profondément dans la cale. On apporte souvent trop peu d’attention à ces dispositions , aussi bien qu’à d’autres détails de l’architecture navale : et il est certain , cependant , que le marin qui voudrait méditer sur les investigations théoriques déjà découvertes en hydrodynamique et en statique générale , tirerait un grand avantage de leur application bien entendue.

Des machine ^hydrauliques.

Sous cette dénomination on n’entend parler que des machines propres à agir contre la pesanteur de l’eau, et à l’élever de bas en haut. Les plus simples sont les baquets ou seaux de cuirs , les roues à baquets et les cordes à frottement : viennent ensuite les tuyaux mobiles ; les plus importantes sont les pompes de diverses espèces et enfin les récipiens hydrauliques à cuir et les fontaines artificielles.

On s’est long-temps servi en Espagne, sous le nom de noria , d’une série de cruches, attachées par des cordes, et tournées par des rouleaux ou des pignons sur lesquels elles passent. Une roue à baquets est l’inverse d’une roue à eau poussée par le haut; les baquets qui montent l’eau sont disposés dans la première à peu près d’une manière semblable à ceux qui servent à la descendre dans la seconde : quelquefois les baquets sont suspendus sur des broches, de manière à monter pleins ; mais ces roues demandent de grandes réparations. Quelquefois aussi on emploie dans une position verticale ou

inclinée, cette roue à jets, qui est l’inverse d’une roue mue par en bas, ou plutôt par le milieu : ces roues sont tournées par des moulins et fréquemment employées pour le dessèchement des marais; les lames n’y sont pas disposées comme il conviendrait pour une roue mue par bas , mais d’après le même principe, c’est-à-dire qu’elles sont perpendiculaires à la surface de l’eau quand elles en sortent, afin qu’elle s’en écoule facir lement (fig„ 27 et 28).

Yenturi a appliqué d’une manière trèssimple au dessèchement des terres , le frottement latéral de l’eau, au moyen d’un courant qui les traverse , et acquiert une vitesse suffisante pour le faire couler sur une surface inclinée, en entraînant une certaine quantité d’eau de la partie inférieure de cette surface : mais la quantité d’eau enlevée par ce procédé est très-faible, tandis qu’il y a une grande perte de force.

On place quelquefois un système de tuyaux tournés en spirale dans le plan d’une roue qui reçoit l’eau à sa circonférence, et, l’élevant successivement à mesure que ht roue tourne, vient se décharger vers l’axe :

mécanique. x5

ordinairement la roue est mue par le même courant qui alimente les tuyaux ; mais la hauteur à laquelle l’eau est élevée par cette machine est peu de chose comparativement à son volume. On la place dans une inclinaison de 45 à 6o° avec l’horizon*, d’où l’on voit que son utilité est bornée aux seuls cas où l’eau n’a besoin d’être portée qu’à une hauteur médiocre (tig. 29).

Les Allemands ont donné le nom de vis hydraulique à un appareil à peu près semblable au précédent : il consiste en un cylindre muni de projections en forme de spirales , isolé d’un cylindre extérieur qui lui sert d’enveloppe et dans lequel il roule. On pourrait considérer cet instrument comme une pompe , et son effet est le même que celui delà vis d’Archimède. On conçoit qu’il y a perte, en raison du défaut de contact entre la vis et son enveloppe, et cette perte se monte à un tiers environ; l’appareil ne peut être placé à une plus grande élévation que 3o° : il est aussi susceptible de s’engager par les immondices que l’eau entraîne avec elle : cependant celte machine élève une plus grande quantité d’eau que la vis

d'Archimède , quand leurs extrémités sout engagées à une grande profondeur : de sorte que son emploi serait préférable, si la hauteur de la surface de l’eau à élever offrait de grandes variations (fig. 29).

On donne le nom de pompe spirale à la machine représentée fig. 3o ; elle fut inventée, en 1746, par André Wirtz, potier d’étain, à Zurich : on s’en est servi avec beaucoup de succès à Florence et en Russie. Elle peut élever l’eau à une hauteur de quarante pieds.

La force centrifuge , laquelle est un obstacle au jeu de la machine de Wirtz, a quelquefois été combinée avec la pression atmosphérique, comme agent immédiat pour élever l’eau , au moyen d’une pompe à rotation „ Cette machine se compose d’un tuyau vertical, tournant sur son axe et assemblé à un tuyau horizontal ouvert à ses deux extrémités ou à l’une d’elles seulement, le tout garni de soupapes convenables pour empêcher l’issue de l’eau lorsque la machine est en repos.

La pompe est une machine si bien connue et si généralement employée, qu’on a donné

a 28 HYDRAULIQUE .* MACHINES.

son nom à une foule d’appareils hydrauliques : à parler exactement, ce nom ne convient qu’aux machines dans lesquelles l’eau s’élève par le mouvement d’un corps solide dans un autre , et ce mouvement est ordinairement alternatif , quelquefois continu, comme lorsqu’il s’agit de rotation. Dans toutes les pompes en usage, il existe une cavité qui est successivement ouverte ou fermée, l’eau y entrant par une soupape et se déchargeant par l’autre.

La pompe la plus simple dont on se sert pour élever une grande quantité d’eau à une petite hauteur, consiste en deux poteaux droits ou plongeurs, d’une épaisseur égale, enfoncés dans des cavités de même dimension, dans lesquelles ils se meuvent sans frottement, et réunis par une poutre horizontale ajustée sur un pivot. Tandis que l’eau s’introduit par une large soupape , au fond de la cavité , lorsque les plongeurs montent, elle est forcée, lorsqu’ils s’abaissent, de s’échapper par une soupape pratiquée sur le côté de la cavité, et s’élève dans un tuyau vide au niveau de la poutre. Cette pompe peut être manœuvrée par un ouvrier se pro-

MA.CHIAES HYDRAULIQUES. 2 2g

menant sur la poutre ou sur une planche placée au-dessous. Au moyen de cet appareil, un homme actif, chargé d’un poids de trente livres , est susceptible d’élever, sans fatigue, cinq cent quatre-vingts livres d’eau par minute, à la hauteur de onze pieds et demi , pendant dix heures : c’est l’effet le plus considérable qu’on ait constaté jusqu’ici : il équivaut à un peu plus de onze livres éle* vées à dix pieds par seconde, au lieu de dix * qui est la valeur de la force ordinaire d’un homme, sans aucune déduction pour le frottement.

Il est clair que si les plongeurs étaient adaptés à la cavité, de manière à ne pas permettre à l’eau la moindre issue, le tuyau montant porterait l’eau à quelque hauteur que ce fût , et la machine serait alors ce qu’on appelle une pompe foulante ; ce qui permettrait de raccourcir les plongeurs à volonté, de manière à leur donner la forme d’un piston glissant dans un tuyau. Il faudrait aussi que le piston fût placé au-dessus du niveau du réservoir, et dans ce cas l’eau serait forcée d’y monter, par suite de la pression atmosphérique, à la hauteur d’ environ

2 3o hydraulique : machines.

trente pieds, mais pas beaucoup plus haut: et encore cette hauteur serait-elle trop considérable pour la pratique , parce que l’eau , dans son mouvement ascendant, pourrait quelquefois suivre trop lentement le piston. Une pompe de cette espèce , qui participe à la fois des pompes foulante et aspirante, s’appelle une pompe mixte. Dans la pompe de de Lahire, ce même piston sert à deux fins, la tige jouant dans un collier de peau , et l’eau étant aspirée et refoulée de la même manière, en dessus et en bas du piston, au moyen d’un double appareil de soupapes et de tuyaux.

Le piston ordinaire, garni d’un cuir souple, est préférable dans les pompes foulantes à tous ceux d’une forme plus compliquée : la pression de l’eau dans l’intérieur du cuir le rend suffisamment roide, pour que le frottement soit presque nul. Certaines pompes ne sont point garnies de cuir pour plus de simplicité : la perte d’eau qui en résulte est bien compensée par la plus grande durée de la pompe : et d’ailleurs, la perte est d’autant moindre , que le piston marche avec plus de rapidité.

Les propriétés si bien connues de la pression hydrostatique ont fourni à M. Bramah l’idée d’une presse très - convenable et trèspuissante , à laquelle il a adapté une pompe foulante. Une petite pompe verse dans un tuyau une certaine quantité d’eau qui réagit sur un piston plus large, lequel à son tour est pressé par une force d’autant plus grande, que sa surface est plus considérable que celle du premier.

Dans la pompe aspirante ordinaire, l’eau s’échappe par une soupape placée dans l’intérieur du piston lui-même, de sorte que le même tuyau sert pour l’ascension de l’eau , qui s’élève en ligne continue tant que le piston est ouvert, et s’appuie sur la soupape fermée, quand le piston est comprimé. L’eau doit monter suivant une vitesse de quatre pouces par seconde, au moins, à chaque coup de piston , et jamais plus de deux à trois pieds; le coup doit être le plus long possible, afin d’éviter la perte inutile de l’eau pendant que les soupapes s’abaissent. Le diamètre du tuyau par lequel l'eau s’élève jusqu’au corps de pompe, ne doit pas

2 3a HYDRAULIQUE : MACHINES.

avoir moins des 2/3 du diamètre du corps de pompe lui-même (fig. 3a).

Lorsque l’èau doit monter à une hauteur considérable, on rencontre des inconvéniens dans la longueur à donner au tuyau à travers lequel doit descendre la tige du piston d’une pompe foulante, et pour que le piston reste dans les limites de la pression atmosphérique. On peut y obvier en plaçant la soupape mobile au-dessus de la soupape fixe, et en introduisant le piston au fond du tuyau. Cet appareil prend le nom de pompe levante ; mais elle offre , comme toutes les pompes foulantes , le désagrément de pousser le piston avant la tige, et conséquemment de faire courber celle-ci de manière à produire sur le piston un frottement inégal; tandis qu’au, contraire dans les pompes aspirantes, la force principale tend a redresser la tige (fig. 33).

On peut aussi faire marcher la tige d’une pompe aspirante dans un collet de cuir, et faire passer l’eau par une soupape dans un tuyau ascendant : il suffît d’y adapter, ou à telle autre pompe foulante, Un récipient à air, et on contribue ainsi à donner plus d’unifor-

mité à son mouvement, et à accélérer sa destination: car, Torifice du récipient à air étant suffisamment large, l’eau s’y introduit avec force, à chaque coup de piston, avec une vitesse arbitraire, sans que le frottement soit une cause de résistance, tandis que dans un long tuyau il y a perte de force considérable , à cause de la fréquence des retards ou des vitesses qu’éprouve la masse de l’eau. L’air condensé, reagissant sur l’eau , la pousse plus graduellement et dans un courant continuel; de sorte que le récipient à air joue dans cette circonstance le meme rôle que la roue volante en mécanique (fi g. 33).

Il importe que les tuyaux qui servent à élever l’eau par les pompes ou tous autres appareils, soient aussi courts et aussi droits que possible : ainsi , l’eau devant être portée à une hauteur de vingt pieds , et transportée à cent pieds de là, dans une direction horizontale, à l’aide d’une pompe foulante, il serait plus avantageux d’élever le liquide, dans une citerne, vingt pieds au-dessus du réservoir, et de la laisser alors couler horizontalement, ou encore de chercher son niveau dans un .tube recourbé, que d’ajuster

immédiatement à la pompe un tuyau qui la rendrait tout de suite à destination. Et par la même raison il faut, autant que possible, <;• placer une pompe aspirante au-dessus d’un puits, afin d’éviter dans sa manutention une grande perte de force. Si L’on employait de très-petits conduits, la résistance serait fort accrue , à cause du frottement qu’ils occasionent.

Quelquefois il arrive que des pompes sont mises en œuvre par le poids de l’eau agissant dans un tuyau qui ressemble à une seconde pompe placée dans une position inverse. Le seul reproche à faire à cet appareil, c’est qu’il occasione trop de frottement ; mais on peut parer à cet inconvénient. Cette invention, qui n’est pas nouvelle, est mieux connue en Allemagne , où elle porte le nom j de machine de Uoll. Une double pompe remplit le même but.

On a mis à profit les variations spontanées de la pression atmosphérique, occasion ées par les modifications dans son poids et la température , pour élever l’eau successivement à une hauteur moyenne, à l’aide d’une suite de réservoirs garnis de soupapes con-?

venables. Mais il arrive rarement que ces variations fassent monter l’eau de chaque | réservoir à plus d’un pied ou deux en un jour 5 et conséquemment la masse élevée est peu importante.

On a également employé la force d’un courant passant par un long tuyau, pour élever une petite quantité d’eau à une hauteur considérable. Le passage du tuyau est intercepté par une soupape qui se lève aussitôt que le courant a acquis une rapidité convenable; et l’on conçoit alors que la colonne du fluide se concentre et agit instantanément sur la soupape : il perd , dans ce cas, comme nous l’avons dit précédemment , la propriété de la pression hydraulique, et n’agit plus que comme un solide proprement dit : de manière que si l’on supposé le tuyau parfaitement solide, l’impulsion n’aura à vaincre aucune pression, quelque grande qu’elle puisse être; et si la soupape débouche dans un récipient rempli d’air, l’eau s’y introduira avec force , et condensera l’air, plus ou moins rapidement, au degré nécessaire pour élever une partie de l’eau qu’il contient à une certaine hauteur. Il paraît

que M. Whitehurst est le premier qui ait mis en œuvre ce procédé, expérimenté plus tard par M. Boulton ; mais ce fut récemment en France, qu’il a le plus fixé l’attention des savans, sous le nom de bélier hydraulique de Montgolfier ( fig, 34 )•

SECTION III

Des Machines à air .

Jl.es machines à air sont celles dont la construction est fondée sur les propriétés des fluides élastiques. Elles peuvent être faites de manière à augmenter ou diminuer leur densité et leur pression, comme pour les machines pneumatiques proprement dites et les condensateurs, ou bien pour diriger et appliquer leur force , comme’dans les soufflets, les ventilateurs, les machines à vapeur et les canons.

La machine pneumatique a pour but de diminuer la densité ou la pression de l’air, ou même de le chasser presque totalement d’un espace donné : une colonne de mercure satisfait à ce résultat. Les anciens se servaient de leur bouche pour épuiser un récipient. Le vide de Toricelli, qu’on obtient en ren-

MACHINES A AIR

versant une cuvette remplie de mercure , et garnied’un tube de trente pouces de long, est le plus parfait qu’on puisse obtenir : encore bien qu’il s’y mêle une portion d’air, provenant du vase ou du mercure lui-même, et qu’on n’expulse complètement que par l’agitation, ou mieux en faisant bouillir le mercure avant de l’introduire dans le tube.

La confection d’une machine pneumatique se rapproche singulièrement de celle d’une pompe aspirante , à l’aide de laquelle on fait monter l’eau ; la différence n’existe que dans certaines parties du mécanisme. Toutes deux ont pour objet de raréfier ou d’expulser l’air, le plus complètement, le plus promptement et avec le plus de facilité possible. Cette machine est trop généralement connue pour que nous en donnions une description détaillée, qui appartient d’ailleurs à la Physique (i). On sait que son invention est due à Otto de Guericke. On emploie divers moyens pour démontrer l’absence de l’air sous le récipient de cette machine, tels que celui d’une pièce d’or et d’une plume, dont la chute s’o-

(i) Voir c* Traité,

père dans des temps égaux ; l’ébullition de l’éther ou de l’eau chauffée légèrement , etc.

La perfection du vide opéré par la ma- i; chine pneumatique, ou la rareté de l’air sous le récipient, s’évalue à l’aide d’éprouvettes ! de diverses espèces.

Un condensateur est l’inverse d’une machine pneumatique , quoique parfois cet appareil remplisse les deux objets ; mais le condensateur réclame plus de force et moins d’élégance dans ses formes. L’instrument | usité pour reconnaître le degré de condensation, consiste en un tube cylindrique, qui contient une petite portion d’air comprimée par une goutte de mercure qui pèse dessus.

Primitivement, les cloches à plongeur s’alimentaient d air au moyen d’un baril qui descendait constamment de la surface de l’eau dans l’intérieur de la cloche; mais aujourd’hui on se sert d’une pompe qui ressemble à un condensateur par sa forme, et qui procure un courant perpétuel : l’air échauffé s’échappe par un robinet placé à la partie supérieure de la cloche. Si l’on prend soin d’enfoncer graduellement l’appareil, le plongeur peut supporter une pression atmo-

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sphérique équivalente à deux ou trois fois celle de sa densité naturelle. Userait à désirer que tout plongeur fût muni d’un morceau de liège ou d’une balle creuse métallique à l’aide de laquelle il s’élèverait lentement à la surface de l’eau , en cas qu’il arrivât quelque accident à la cloche : faute de cette précaution, plusieurs ont péri.

Les soufflets sont communément formés avec deux planches réunies par un cuir, et disposées de manière que leurs cavités se déploient et se resserrent pour admettre l’air qui s’en échappe par une ouverture. Quelquefois aussi leur confection a de la ressemblance avec la pompe foulante ; et alors, si la cavité est simple, on en ajoute une seconde chargée d’un poids, afin d’égaliser le souffle : elle peut être remplacée par un vase renversé dans l’eau, chargé ou fixé. La première cavité peut également être formée d’un vase renversé, suspendu à une poutre, de manière à mouvoir haut et bas dans l’eau: cet appareil , usité dans les grandes fonderies, y est connu sous le nom de soufflet hydraulique. On peut diminuer la quantité de l’eau, et donner plus de célérité au jeu de

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la machine, en plaçant au centre du vase % renversé un solide fixe, ou même un vase renversé intérieur, susceptible de remplir d’eau la cavité du vase mobile lorsqu’il s’abaisse, de manière quel’eau n’occupe qu’une partie de l’interstice existant entre les vases.

Le gazomètre diffère peu du soufflet hy- i draulique , si ce n’est qu’il est garni de robinets au lieu de soupapes, et que le cylindre mobile est soutenu par un contre-poids.

On peut déterminer la vitesse d’une bouffée d’air engendrée par une pression quelconque, en calculant la hauteur d’une colonne équivalente à la pression. Ainsi, les ! soufflets hydrauliques étant soumis à une | pression constante de 4 pieds d’eau, la vitesse correspondrait aune hauteur d’environ 33oo pieds, et l’air sera censé parcourir un espace de 460 pieds par seconde. Mais, dans ce calcul, on n’a tenu aucun compte des causes qui diminuent la décharge des fluides, de sorte que la vitesse n’est réellement que des 5/8es aussi grande que celle de la hauteur : c’est-à-dire, pour le cas précité, de 285 pieds par seconde, lorsque l’air s’échappe par un petit orifice : mais s’il traverse un tuyau , elle

MACHINES A AIR

est de 345 pieds ou des 3/ 4 environ. Si le tuyau était très-long, il y aurait aussi diminution de vitesse en raison du frottement. On fait aujourd’hui manœuvrer des soufflets à l’aide d’une pression équivalente à 9 pieds d’eau, et dans ce cas, la vitesse est d’environ 5 00 pieds par seconde.

Les soufflets sont employés à la ventilation des mines, soit pour y introduire, soit pour en chasser l’air.

L’effet de la chaleur nous offre également un mode de ventilation très-efficace par l’expansion que cause son action sur l’air, qui est forcé de s’élever. Quand la galerie d’une mine communique avec l’air extérieur à deux hauteurs différentes ; il s’établit généralement une ventilation suffisante en raison de la différence des températures entre l’air de la galerie et celui de l’atmosphère environnante ; car la température souterraine étant à peu près invariable, l’air contenu dans la mine est plus chaud en hiver, plus froid en été que l’air extérieur; de sorte qu’il s’établit un courant de haut en bas en hiver, et de bas en haut en été : dans les saisons plus tempérées, les changemens s’opèrent par les

mécanique. 16

variations de température des jours et des nuits.

Le but des cheminées est tout à la fois d’établir pour l’appartement un appareil de ventilation et de procurer un renouvellement d’air capable d’entretenir la combustion. Il faut donc s’arranger de façon qu’il entre dans la cheminée aussi peu d’air que possible, sans passer dans le feu; c’est aussi le meilleur moyen d’éviter la fumée.

La puissance mécanique n’est nulle part plus en évidence que dans la machine à 'vapeur. Elle a éprouvé beaucoup de modifications dans sa confection, et les perfectionnemens qu’y a apportés M. Watt l’ont rendue aussi parfaite que possible. La pression de la vapeur fut d’abord appliquée, parle marquis de Worcester et Savery, à agir immédiatement sur la surface de l’eau contenue dans un vase clos , qu’ils firent monter dans un tuyau par suite de l’élasticité delà vapeur. Mais il fallait un degré de chaleur très-considérable pour élever l’eau à une grande hauteur par ce procédé , puisque, pour que la vapeur, à l’instar de l’air atmosphérique, pût supporter une colonne d’eau de trente-

MACHIJVES A AIR, 243

deux pieds, il fallait que sa température fût à i2o° centigrades; et pour une colonne de soixante-quatre pieds, à 1 35 degrés. Or, une semblable pression exercée sur les parois des vaisseaux , demandait qu’ils fussent extrêmement solides; et la hauteur à laquelle l’eau se soutenait après condensation, était de trente-et-un à trente-deux pieds. Un plus grand inconvénient existait encore , c’était l’énorme quantité de vapeur nécessairement épuisée avant que l’eau pût monter pour porter à sa température les surfaces du récipient et de l’eau froide : un dixième ou un vingtième de la vapeur fournie restait sans effet; peut-être même la perte était-elle plus considérable en raison de la difficulté avec laquelle la chaleur pénètre les fluides. Ces inconvéniens disparurent à peu près par la confection de la machine de Newcomen, dans laquelle la vapeur s’introduisait graduellement dans un cylindre, et était condensée aussitôt à l’aide d’un jet d’eau. Cette machine, perfectionnée au moyen de l’appareil de Beighton, pour tourner les robinets, était d’un usage général jusque dans ces derniers temps; on s’en sert même encore aujour-

d’hui. On a soin de garnir la chaudière d’une soupape de sûreté, qui se lève lorsque la force delà vapeur devient un peu plus grande que celle de la pression de l’atmosphère; elle est fournie d’eau au moyen d’une autre soupape qui s’ouvre lorsque la surface de l’eau du dedans devient trop basse, et déprime un bloc de pierre, en partie soutenu par l’eau (fig. i, pl. n ).

Le cylindre de la machine de Beighton est nécessairement très-refroidi par l’intervention du jet d’eau et son exposition à l’air. M. Watt a obvié à cet inconvénient en opérant la condensation dans un vase séparé, qui reçoit l’écoulement non interrompu d’un petit jet ; l’air extérieur ne pénètre en aucune façon, la vapeur étant alternativement introduite en dessus et en dessous du piston : la tige du piston joue dans un collet de cuir, de telle façon que la machine jouit d’une double action, à peu près comme dans la double pompe de Lahire ; dès lors le coup de piston étant partout le même, le même cylindre procure un effet double de celui des machines ordinaires. On pourrait, au besoin , n’avoir recours qu’à une température

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au-dessous de celle de l’eau bouillante , et n’eipployer qu’une très-petite quantité de vapeur ; mais il deviendrait impossible d’empêcher l’introduction de l’air extérieur.

Lés détails delà construction deM. Watt exigent quelques arrangemens additionnels; ainsi, il est nécessaire d’avoir une pompe pour enlever du condensateur, non-seulement l’eau qui s’y forme, mais aussi l’air que dégage l’eau à l’état d’ébullition. Si l’eau provient de puits profonds ou de mines, elle contiendra plus d’air que l’eau ordinaire, et il convient, avant de s’en servir, de l’exposer dans des vases ouverts ; car il paraît que la quantité d’air contenue dans l’eau est à peu près proportionnelle à la pression à laquelle elle est soumise. L’admission de la vapeur dans le cylindre est régularisée par un double pendule à révolution.

On dit que les machines à vapeur de l’invention de MM. Boulton et Watt épargnent les trois quarts du combustible employé autrefois, et il paraît qu’il n’y a qu’une perte d’un quart sur la totalité de la force. Une machine de ce genre , armée d’un cylindre de trente pouces, équivaut à la force de

cent vingt chevaux, travaillant chacun huit heures par jour.

Il est probable que la poudre à canon ne doit ses effets surprenans qu’à la force de la vapeur. Il paraît, suivant les calculs de Bernouilli, que l’élasticité initiale du fluide qui chasse un boulet de canon, équivaut à une pression de dix mille atmosphères : le comte de Rumford affirme qu’elle n’est que trois fois plus considérable que la pression atmosphérique. On ne saurait attribuer un semblable effet à la vapeur développée par la petite quantité de l’humidité ou de l’eau de cristallisation que contient la poudre. On a trouvé que la force de la poudre à canon était presque proportionnelle à la quantité employée : et par conséquent , si nous faisons abstraction de la résistance de l’air, le carré de la vitesse de la balle , la hauteur à laquelle elle s’élève, et sa plus grande portée horizontale, seront en raison directe de la quantité de poudre , et en raison inverse du poids de la balle. Cependant le comte de Rumford affirme que la même quantité de poudre produit plus d’effet sur un gros que sur un petit boulet.

MACHISTES A AIR. 2 ^

Les propriétés essentielles des pièces d’artillerie étant de concentrer le plus possible les fluides élastiques, et d’imprimer au boulet un mouvement en ligne droite, il est très-important d’apporter beaucoup de soin dans la confection du calibre. L’avantage que l’on trouve au canon rayé est de contenir plus exactement le boulet : on suppose aussi qu’il engendre un mouvement de rotation sur son axe, qui le rend moins susceptible de dévier dans sa course. La charge ordinaire est d’un cinquième ou d’un sixième du poids de la balle : elle est d’un tiers pour les feux de file. Lorsqu’un boulet de vingt-quatre est lancé par une quantité de poudre des deux tiers de son poids, il parcourt quatre milles (une lieue un tiers) , déduction faite d’un cinquième, à cause de la résistance de l’air.

L’antiquité nous a offert dans le fusil à vent, instrument de peu d’utilité d’ailleurs , un procédé pour chasser une balle à l’aide de l’air condensé. Il est évident qu’aucune puissance humaine ne saurait parvenir à accroître la densité de l’air, au point de rendre son élasticité comparable à celle de la

poudre ; et quand Lien même l’air serait ramené à la même condition , son effet serait de beaucoup encore au-dessous de celui de la poudre , puisqu’il est vrai que sa plus grande expansion ne pourrait engendrer qu’une vitesse de mille trois cents pieds par seconde, et que conséquemment elle ne sau • rait imprimer une pareille vitesse au boulet, tandis que la poudre à canon le chasse suivant une vitesse de deux mille pieds par seconde. Si l’on considère, cependant, que la majeure partie d’une semblable vitesse est sans emploi , et que la puissance mécanique obtenue par la poudre est infiniment plus dispendieuse que celle d’aucune autre source de mouvement, on conviendra que, dans certains cas , l’air condensé pourrait remplacer ce formidable agent.

APPENDICE