James Watt (Arago)/05
J’ai parlé jusqu’ici de machines à vapeur, dont la ressemblance avec celles qui portent aujourd’hui ce nom pourrait être plus ou moins contestée. Maintenant il sera question de la machine à vapeur moderne, de celle qui fonctionne dans nos manufactures, sur nos bateaux, à l’entrée de presque tous les puits de mines. Nous la verrons naître, grandir, se développer, tantôt d’après les inspirations de quelques hommes d’élite, tantôt sous l’aiguillon de la nécessité, car la nécessité est mère du génie.
Le premier nom que nous rencontrerons dans cette nouvelle période est celui de Denis Papin. C’est à Papin que la France devra le rang honorable qu’elle peut réclamer dans l’histoire de la machine à vapeur. Toutefois l’orgueil bien légitime que ses succès nous inspireront ne sera pas sans mélange. Les titres de notre compatriote, nous ne les trouverons que dans des collections étrangères ; ses principaux ouvrages, il les publiera au delà du Rhin ; sa liberté sera menacée par la révocation de l’édit de Nantes ; c’est dans un douloureux exil qu’il jouira momentanément du bien dont les hommes d’étude sont le plus jaloux : la tranquillité d’esprit ! Hâtons-nous de jeter un voile sur ces déplorables résultats de nos discordes civiles ; oublions que le fanatisme s’attaqua aux opinions religieuses du physicien de Blois et rentrons dans la mécanique : à cet égard du moins l’orthodoxie de Papin n’a jamais été contestée.
Il y a dans toute machine deux choses à considérer : d’une part, le moteur ; de l’autre, le dispositif, plus ou moins compliqué de pièces fixes et mobiles, à l’aide duquel ce moteur transmet son action à la résistance. Au point où les connaissances mécaniques sont aujourd’hui parvenues, le succès d’une machine destinée à produire de très-grands effets dépend principalement de la nature du moteur, de la manière de l’appliquer, de ménager sa force. Aussi, est-ce à produire un moteur économique, susceptible de faire osciller sans cesse et avec une grande puissance le piston d’un large cylindre, que Papin a consacré sa vie. Emprunter ensuite aux oscillations du piston la force nécessaire pour faire tourner les meules d’un moulin à blé, les cylindres d’un laminoir, les roues à palettes d’un bateau à vapeur, les bobines d’une filature ; pour soulever le lourd marteau qui frappe à coups redoublés d’énormes loupes de fer incandescent, à leur sortie du four à réverbère ; pour trancher, avec les deux mâchoires de la cisaille, d’épaisses barres métalliques, comme on coupe un ruban avec des ciseaux bien affilés ; ce sont là, je le répète, autant de problèmes d’un ordre très-secondaire et qui n’embarrasseraient pas le plus médiocre ingénieur. Nous pourrons donc nous occuper exclusivement des moyens à l’aide desquels Papin a proposé d’engendrer son mouvement oscillatoire.
Concevons un large cylindre vertical, ouvert dans le haut, et reposant, par sa base, sur une table métallique percée d’un trou qu’un robinet pourra boucher et laisser libre à volonté.
Introduisons dans ce cylindre un piston, c’est-à-dire une plaque circulaire pleine et mobile qui le ferme exactement. L’atmosphère pèsera de tout son poids sur la face supérieure de cette espèce de diaphragme ; elle le poussera de haut en bas. La partie de l’atmosphère qui occupera le bas du cylindre tendra, par sa réaction, à produire le mouvement inverse. Cette seconde force sera égale à la première, si le robinet est ouvert, puisqu’un gaz presse également dans tous les sens. Le piston se trouvera ainsi sollicité par deux forces opposées qui se feront équilibre. Il descendra néanmoins, mais seulement en vertu de sa propre gravité. Un contre-poids, légèrement plus lourd que le piston, suffira pour le relever, au contraire, jusqu’au sommet du cylindre et pour l’y maintenir. Supposons le piston arrivé à cette position extrême. Cherchons des moyens de l’en faire descendre avec beaucoup de force et de l’y ramener ensuite.
Concevons qu’après avoir fermé le robinet inférieur, on parvienne à anéantir subitement tout l’air contenu dans le cylindre, à y faire en un mot le vide. Le vide une fois opéré, le piston ne recevant d’action que de l’atmosphère extérieure qui le presse par dessus, descendra rapidement. Ce mouvement achevé, on ouvrira le robinet. L’air reviendra aussitôt par dessous contre-balancer l’action de l’atmosphère supérieure. Comme au début, le contre-poids remontera le piston jusqu’au sommet du cylindre, et toutes les parties de l’appareil se retrouveront dans leur état initial. Une seconde évacuation, ou, si on l’aime mieux, un second anéantissement de l’air intérieur fera de nouveau descendre le piston, et ainsi de suite.
Le véritable moteur du système serait ici le poids de l’atmosphère. Hâtons-nous de détromper ceux qui croiraient trouver dans la facilité que nous avons de marcher et même de courir à travers l’air un indice de la faiblesse d’un pareil moteur. Avec un cylindre de deux mètres de diamètre, l’effort que ferait le piston de la pompe en descendant, le poids qu’il pourrait soulever de toute la hauteur du cylindre, à chacune de ses oscillations, seraient de 35,000 kilogrammes. Cette énorme puissance, fréquemment renouvelée, on l’obtiendra à l’aide d’un appareil très-simple, si nous découvrons un moyen prompt et économique d’engendrer et de détruire à volonté la pression atmosphérique dans un cylindre de métal.
Ce problème, Papin l’a résolu. Sa belle, sa grande solution consiste dans la substitution d’une atmosphère de vapeur d’eau à l’atmosphère ordinaire ; dans le remplacement de celle-ci par un gaz qui, à 100 degrés centigrades, a précisément la même force élastique, mais avec l’important avantage dont l’atmosphère ordinaire ne jouit pas, que la force du gaz aqueux s’affaiblit très-vite quand la température s’abaisse, qu’elle finit même par disparaître presque entièrement si le refroidissement est suffisant. Je caractériserais aussi bien et en peu de mots la découverte de Papin, si je disais qu’il a proposé de se servir de la vapeur d’eau pour faire le vide dans de grands espaces ; que ce moyen est, d’ailleurs, prompt et économique[1].
La machine dans laquelle notre illustre compatriote combina ainsi le premier la force élastique de la vapeur d’eau avec la propriété dont cette vapeur jouit de s’anéantir par voie de refroidissement, il ne l’exécuta jamais en grand. Ses expériences furent toujours faites sur de simples modèles. L’eau destinée à engendrer la vapeur n’occupait pas même une chaudière séparée : renfermée dans le cylindre, elle reposait sur la plaque métallique qui le bouchait par le bas. C’était cette plaque que Papin échauffait directement pour transformer l’eau en vapeur ; c’était de la même plaque qu’il éloignait le feu quand il voulait opérer la condensation. Un pareil procédé, à peine tolérable dans une expérience destinée à vérifier l’exactitude d’un principe, ne serait évidemment pas admissible s’il fallait faire marcher le piston avec quelque vitesse. Papin, tout en disant qu’on peut arriver au but « par différentes constructions faciles à imaginer, » n’indique aucune de ces différentes constructions. Il laisse à ses successeurs, et le mérite de l’application de son idée féconde, et celui des inventions de détail qui, seules, peuvent assurer le succès d’une machine.
Dans nos premières recherches touchant l’emploi de la vapeur d’eau, nous avons eu à citer : d’anciens philosophes de la Grèce et de Rome ; un des mécaniciens les plus célèbres de l’école d’Alexandrie ; un pape ; un gentilhomme de la cour d’Henri IV ; un hydraulicien né en Normandie, dans la province féconde en grands hommes, qui a doté la pléiade nationale de Malherbe, de Corneille, du Poussin, de Fontenelle, de Laplace, de Fresnel ; un membre de la Chambre des lords ; un ingénieur anglais ; enfin, un médecin français, de la Société royale de Londres, car, il faut bien l’avouer, Papin, presque toujours exilé, ne fut que correspondant de notre Académie. Maintenant, de simples artisans, de simples ouvriers vont entrer en lice. Toutes les classes de la société se trouveront ainsi avoir concouru à la création d’une machine dont le monde entier devait profiter.
En 1705, quinze années après la publication du premier mémoire de Papin dans les Actes de Leipzig, Newcomen et Cawley, l’un quincaillier, l’autre vitrier à Dartmouth, en Devonshire, construisirent (veuillez bien remarquer que je ne dis pas projetèrent, car la différence est grande), construisirent une machine destinée à opérer des épuisements et dans laquelle il y avait une chaudière à part où naissait la vapeur. Cette machine, ainsi que le petit modèle de Papin, offre un cylindre métallique vertical, fermé par le bas, ouvert par le haut, et un piston, bien ajusté, destiné à le parcourir sur toute sa longueur en montant et en descendant. Dans l’un comme dans l’autre appareil, lorsque la vapeur d’eau peut arriver librement dans le bas du cylindre, le remplir et contre-balancer ainsi la pression de l’atmosphère extérieure, le mouvement ascensionnel du piston s’opère par l’effet d’un contre-poids. Dans la machine anglaise, enfin, l’imitation de celle de Papin, dès que le piston est arrivé au terme de son excursion ascendante, on refroidit la vapeur qui avait contribué à l’y pousser ; on fait ainsi le vide dans toute la capacité qu’il vient de parcourir, et l’atmosphère extérieure le force aussitôt à descendre.
Pour opérer le refroidissement convenable, Papin, on le sait déjà, se contentait d’ôter le brasier qui échauffait la base de son petit cylindre métallique. Newcomen et Cawley employèrent un procédé beaucoup préférable sous tous les rapports : ils firent couler une abondante quantité d’eau froide dans l’espace annulaire compris entre les parois extérieures du cylindre de leur machine, et les parois intérieures d’un second cylindre, un peu plus grand, qui servait d’enveloppe au premier. Le froid se communiquait peu à peu à toute l’épaisseur du métal, et atteignait enfin la vapeur d’eau elle-même[2].
La machine de Papin, perfectionnée ainsi quant à la manière de refroidir la vapeur ou de la condenser, excita au plus haut point l’attention des propriétaires de mines. Elle se répandit rapidement dans certains comtés de l’Angleterre et y rendit d’assez grands services. Le peu de rapidité de ses mouvements, conséquence nécessaire de la lenteur avec laquelle la vapeur se refroidissait et perdait son élasticité, était cependant un vif sujet de regrets. Le hasard indiqua, heureusement, un moyen très-simple de parer à cet inconvénient.
Au commencement du xviiie siècle, l’art d’aléser de grands cylindres métalliques et de les fermer hermétiquement à l’aide de pistons mobiles, était encore dans son enfance. Aussi, dans les premières machines de Newcomen recouvrait-on le piston d’une couche d’eau destinée à remplir les vides compris entre le contour circulaire de cette pièce mobile et la surface du cylindre. À la très-grande surprise des constructeurs, une de leurs machines se mit un jour à osciller beaucoup plus vite que de coutume. Après maintes vérifications, il demeura constant que, ce jour-là, le piston était percé ; que de l’eau froide tombait dans le cylindre par petites gouttelettes, et qu’en traversant la vapeur elles l’anéantissaient rapidement. De cette observation fortuite date la suppression complète du refroidissement extérieur, et l’adoption de la pomme d’arrosoir destinée à porter une pluie d’eau froide dans toute la capacité du cylindre au moment marqué pour la descente du piston. Les va-et-vient acquirent ainsi toute la vitesse désirable.
Voyons si le hasard n’a pas eu, de même, quelque part à une autre amélioration également importante.
La première machine de Newcomen exigeait l’attention la plus soutenue de la part de la personne qui fermait ou ouvrait sans cesse certains robinets, soit pour introduire la vapeur aqueuse dans le cylindre, soit pour y jeter la pluie froide destinée à la condenser. Il arrive, dans un certain moment, que cette personne est le jeune Henri Potter. Les camarades de cet enfant, alors en récréation, font entendre des cris de joie qui le mettent au supplice. Il brûle d’aller les rejoindre ; mais le travail qu’on lui a confié ne permettrait même pas une demi-minute d’absence. Sa tête s’exalte ; la passion lui donne du génie : il découvre des relations dont jusque-là il ne s’était pas douté. Des deux robinets, l’un doit être ouvert au moment où le balancier que Newcomen introduisit le premier et si utilement dans ses machines, a terminé l’oscillation descendante, et il faut le fermer, tout juste, à la fin de l’oscillation opposée. La manœuvre du second est précisément le contraire. Les positions du balancier, et celles des robinets sont dans une dépendance nécessaire. Potter s’empare de cette remarque ; il reconnaît que le balancier peut servir à imprimer aux autres pièces tous les mouvements que le jeu de la machine exige, et réalise à l’instant sa conception. Les extrémités de plusieurs cordons vont s’attacher aux manivelles des robinets ; les extrémités opposées, Potter les lie à des points convenablement choisis sur le balancier ; les tractions que celui-ci engendre sur certains cordons, en montant ; les tractions qu’il produit sur les autres en descendant, remplacent les efforts de la main ; pour la première fois la machine à vapeur marche d’elle-même ; pour la première fois on ne voit auprès d’elle d’autre ouvrier que le chauffeur qui, de temps en temps, va raviver et entretenir le feu sous la chaudière.
Aux ficelles du jeune Potter, les constructeurs substituèrent bientôt des tringles rigides verticales, fixées au balancier et armées de plusieurs chevilles qui allaient presser, de haut en bas ou de bas en haut, les têtes des différents robinets ou soupapes. Les tringles elles-mêmes ont été remplacées par d’autres combinaisons ; mais, quelque humiliant que soit un pareil aveu, toutes ces inventions sont de simples modifications du mécanisme que suggéra à un enfant le besoin d’aller jouer avec ses petits camarades.
- ↑ Un ingénieur anglais, trompé sans doute par quelque traduction infidèle, prétendit, naguère, que l’idée d’employer la vapeur d’eau dans une même machine, comme force élastique et comme moyen rapide d’engendrer le vide, appartenait à Héron. De mon côté j’ai prouvé, sans réplique, que le mécanicien d’Alexandrie n’avait nullement songé à la vapeur ; que dans son appareil le mouvement alternatif devait uniquement résulter de la dilatation et de la condensation de l’air, provenant de l’action intermittente des rayons solaires.
- ↑ Savery avait déjà eu recours à un courant d’eau froide qu’il jetait sur les parois extérieures d’un vase métallique, pour condenser la vapeur que ce vase renfermait. Telle fut l’origine de son association avec Newcomen et Cawley ; mais, il ne faut pas l’oublier, la patente de Savery, ses machines et l’ouvrage où il les décrit, sont postérieurs de plusieurs années aux mémoires de Papin