Dossier : Un "déterminisme technique" dans l'histoire du moteur à explosion.

Depuis l'Antiquité les hommes cherchèrent à utiliser les propriétés physiques de la vapeur d'eau.
Héron d'Alexandrie inventa une machine appelée éolipile (boule d'Eole).

Cette machine était une chaudière hermétique remplie en partie d'eau que l'on plaçait sur un feu. De cette chaudière sortait un tube creux relié à une sphère pouvant tourner autour d'un axe horizontal. De cette sphère deux autres tubes perpendiculaires à l'axe laissaient sortir la vapeur qui par propulsion faisait tourner la sphère.

Depuis Héron d'Alexandrie de nombreuses tentatives ont été réalisées, par Archimède en particulier, pour mettre au point une machine utilisant la vapeur efficacement.

Au 17ème siècle, Salomon de Causs (1576 - 1626) ingénieur français réalisa un appareil qui permettait de produire des jets d'eau. De l'eau était introduite par le robinet latéral dans la sphère chauffée par un feu de bois. Le robinet supérieur étant fermé, une partie de cette eau est transformée en vapeur qui exerce une force pressante sur l'eau non transformée. Le tube vertical d'évacuation se prolonge dans la sphère (en pointillé) afin de permettre, quand la pression est suffisante, de projeter l'eau comme un jet d'eau de fontaine, en ouvrant le robinet.

C'est avec Denis Papin que commença réellement la révolution des machines à vapeur et de rationnaliser l'utilisation de l'énergie vapeur.
Les progrès de conception des principales machines de Papin à Watt

Chronologie

Si Denis Papin (1647 - 1714) imagina sa machine à vapeur, c'est qu'avant lui des bases scientifiques ont été posées par différents physiciens comme Otto von Guericke (1602 - 1686) et Christiaan Huygens (1629 - 1695).

Otto von Guericke avait trouvé le moyen de faire le vide grâce à une pompe de son invention.
Christiaan Huygens avait imaginé de produire une explosion grâce à de la poudre à canon pour chasser l'air violemment d'un récipient et faire le vide.

Denis Papin (médecin français) a eu comme première idée de perfectionner le système de Christiaan Huygens, mais il pensa rapidement à substituer de la vapeur d'eau à la poudre à canon. Il construisit sa première machine à vapeur.

Sa "marmite" n'était en fait qu'un simple cylindre muni d'un piston.
Un peu d'eau était introduite dans le cylindre qui était chauffé.
De la vapeur d'eau était produite qui poussait le piston vers le haut qui se bloquait à une certaine hauteur grâce à une petite tige. A ce moment on retirait la marmite du feu et on attendait que la vapeur d'eau se refroidisse et se recondense en eau. Ainsi le vide était créé dans le piston. Il suffisait de relacher le piston en débloquant la tige pour que celui ci soit poussé violemment vers le bas sous l'action de la pression atmosphérique.
Le but était de soulever des fardeaux et de soulager les hommes des peines les plus lourdes.

Denis Papin devint professeur à Marbourg en Allemagne (1687) et travailla pour le Duc de Hesse.
Celui-ci voulait créer des fontaines dans ses jardins de Kassel et demanda à Papin de lui fabriquer la machine qui lui permettrait d'obtenir de beaux jets d'eau.

La machine de Papin exposée au Musée des Arts et Métiers

La machine à élever l'eau
Cassel (Allemagne) - 1704

A ce jour, on ne sait pas exactement quelle machine équipait le bateau de Denis Papin.
On pense cependant qu'il s'agissait d'une machine à élever l'eau, laquelle entraînait une roue à godet, entraînant à son tour les roues à aubes du bateau. (dessin de Denis Papin)

[...] A Kassel, en Allemagne, début septembe 1707, en présence de son mécène le Landgrave de Hesse, Denis Papin essaie son bateau à roues à aubes, peut être le premier bateau à vapeur de l'histoire *. Il en raconte l'expérience dans une lettre destinée à son ami le philosophe Leibnitz : "La force du courant de la rivière [la Fulda] etoit si peu de choses, en comparaison de la force de mes rames [comprendre ses aubes] qu'on avait de la peine à reconnoître qu'il allast [le bateau] plus vite en descendant qu'en remontant. [le courant]".

Très peu de temps après, le 24 septembre, Denis Papin, accompagné de sa femme et de son fils, quitte Cassel à bord de son drôle de bateau pour se rendre en Angleterre. Denis Papin prétend qu'il souhaite maintenant poursuivre ses expériences dans des eaux plus profondes, mais la vraie raison semble plûtot être qu'il veut présenter sa machine devant la reine, et l'Académie Royale de Londres, pour démontrer toute la supériorité de ses recherches sur les constructions de Savery. A bord de son embarcation, Denis Papin veut naviguer jusqu'au village de Gimbte, une demi lieue derrière Münden, sur le Weser, ou il démonterait la "machine" pour la charger sur un vaisseau pour l'Angleterre.

Un procès verbal du baillage de Münden atteste de son arrivée à Loch, où il se heurte à la guilde des mariniers qui jouissent d'un privilège pour le transport de marchandises sur le Weser. Or Denis Papin ne transporte aucune marchandise : il n'a que ses effets personnels, et ceux de sa famille, et la petite machine qui fait tourner ses roues. Pourtant, les mariniers envoient un délégué auprès du Burgmeister (maire), pour faire valoir leur droit. En vain, car Denis Papin obtient finalement une autorisation de passer. Mais le 26 au soir, c'est le drame : l'embarcation est attaquée par un groupe de bateliers, qui la tirent à terre, et mettent la machine en pièces, au désespoir de Denis Papin et de sa famille.

* En mettant de côté l'histoire de l'espagnol de Blasco de Garay, qui aurait mû un bateau de 200 tonnes "à la demande", en 1543, et qui aurait gardé le secret de son invention pour lui.

La machine de Savery
version améliorée de celle de 1698

Les machines à vapeur de Savery ou de Newcomen posaient le même problème de rendement et de continuité dans le mouvement. Au bout de quelques cycles de fonctionnement les machines s'arrêtaient. Il fallait les arrêter et les remettre en marche.

Dans le cas de la machine de Newcomen, la pression de l'air extérieur est à l'origine de la force motrice du système. C'est pour cela qu'on l'appelle "machine atmosphérique". Les machines atmosphériques étaient utilisées dans les mines pour l'évacuation des eaux et dans la distribution de l'eau dans les villes.


La maquette de la machine est exposée au Musée des Arts et Métiers

La réalisation de cette machine en 1712 résulte de l'association de deux anglais, Thomas Newcomen qui était forgeron, quincaillier, et surtout amateur de machines à vapeur et de John Cawley, ingénieur.

Afin d'améliorer la puissance et la régularité de sa machine à vapeur, James Watt eu l'idée de transformer ces machines "à simple effet" par des machines "à double effet" et d'y apporter certaines de ses inventions.
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