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À l'aube du 18e siècle, Thomas Newcomen a inventé la première machine à vapeur utile , qui pompait l'eau des mines. Sa machine condensait de la vapeur, prenant l'énergie du poids de l'air. Son action était basée sur les connaissances scientifiques obtenues par Torricelli, Pascal, von Guericke et d'autres au siècle précédent. La science de la pression a donc bouclé la boucle - les questions posées lors de la création des pompes minières, après leur solution, ont aidé à développer une pompe améliorée. Dans cette histoire, nous verrons plus d'une fois cet entrelacement de mécanismes utiles et de questions philosophiques.
Cependant, la pensée de l'ingénierie, qui allait de Torricelli à Newcomen, n'allait pas dans des chemins directs. L'injection de vapeur chaude d'une chaudière externe pour organiser le mouvement du piston était une manière totalement non évidente d'exploiter le poids de l'air. Au début, les inventeurs ont essayé une approche plus simple - brûler du carburant dans le piston lui-même.
Machine à poudre
En 1661, Otto von Guericke a inventé la première pompe d'aspiration, qui soulevait une charge avec un piston en raison du fait que l'air était pompé par dessous. C'était une excellente démonstration du poids de l'air, mais il était difficile de qualifier un tel appareil d'utile - il transformait simplement un travail mécanique (pompage de l'air) en un autre, tout en subissant des pertes.
À cette époque, il était naturel pour les inventeurs de se tourner vers la poudre à canon, la source d'énergie la plus puissante connue pour résoudre le problème de la vidange du cylindre. Plusieurs kilogrammes de poudre à canon peuvent lancer un boulet avec une telle force qu'il brise un mur de pierre, plonge dans les parois en chêne d'un navire ou disperse une colonne de soldats. Si cette énergie pouvait être apprivoisée et mise en œuvre plus harmonieusement, elle fournirait une nouvelle alternative à l'eau et aux moulins à vent. Et Christian Huygens , en tant qu'avocat le plus ardent de la machine à poudre, pensait que beaucoup plus pouvait être accompli avec l'aide de la poudre à canon.
Huygens a passé la majeure partie de sa vie à La Haye et est devenu membre de la Royal Society, située de l'autre côté de la Manche, en Angleterre. Cependant, en 1666, il fut attiré à Paris, lui offrant un poste à l'Académie française des sciences. Contrairement à l'institution anglaise, qui était simplement une communauté privée de messieurs embauchés par le monarque, l'Académie française était une entité publique organisée et financée par le Premier ministre de Louis XIV, Jean-Baptiste Colbert . Huygens a proposé son programme de recherche à grande échelle, dans lequel il était censé étudier le vide, l'énergie de la vapeur et du vent, et "l'énergie de la poudre à canon, dont une petite partie est enfermée dans un boîtier en fer ou en cuivre très épais" [2] .
Dans son manuscrit de 1673, il a fait valoir que sa nouvelle voiture (qui à l'époque existait sous la forme d'un prototype) allait révolutionner l'utilisation d'un mélange, à l'époque uniquement utilisé pour la violence:
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Huygens était l'un des plus grands esprits du XVIIe siècle. Il a écrit des ouvrages sur les mathématiques, l'optique, la mécanique et l'astronomie, et a inventé le chronomètre le plus précis pour son temps - une horloge à pendule. Cependant, la machine à poudre, malgré toutes ses ferventes assurances, ne peut être comptée parmi ses plus grands succès. Il utilisait un piston à l'intérieur d'un cylindre métallique avec deux trous ronds en haut, équipés de quelque chose comme des soupapes unidirectionnelles. En bas, il y avait un autre trou pour connecter une plaque avec une charge de poudre. Lorsque la charge s'est enflammée, le piston s'est soulevé sous l'influence des gaz en expansion, qui s'échappaient ensuite par les soupapes qui s'ouvraient dans la position supérieure du piston (Huygens utilisait des manchons en cuir humide comme soupapes). Puisque la majeure partie de l'air s'est échappée du cylindre,la pression à l'intérieur a chuté de façon spectaculaire et l'atmosphère a poussé le cylindre vers le bas.
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Outre le problème de l'automatisation du remplacement et de l'allumage de la poudre à canon après chaque cycle, la machine n'était tout simplement pas assez efficace pour une utilisation pratique. La poudre à canon en Angleterre à la fin du 17e siècle n'était en aucun cas une source d'énergie bon marché. Le coût de deux livres de poudre à canon était égal au salaire journalier moyen [4]. Cependant, le plus gros problème était que seule une partie des gaz s'échappait du cylindre, l'air pressé trop faiblement sur le piston et le système atteignait l'équilibre après plusieurs cycles. Cependant, il n'a pas fallu longtemps aux autres inventeurs pour comprendre que la condensation de la vapeur pouvait servir le même objectif avec une plus grande efficacité, et pour cela, vous pouvez brûler n'importe quel carburant - le moins cher sera le mieux.
Machine à vapeur
Le fait que la vapeur puisse déplacer les choses est connu depuis l'antiquité. Le philosophe, mathématicien et enseignant Héron d'Alexandrie , dernier grand intellectuel à apparaître dans l'Égypte ptolémaïque avant son déclin sous le joug de l'Empire romain - le même qui décrivait la pompe à incendie - a également décrit le moteur à vapeur. Il se composait d'une bouilloire fermée avec deux tubes s'étendant du couvercle vers des points opposés d'une sphère métallique creuse, faite de manière à pouvoir tourner sur l'axe de ces tubes. Au-dessus et en dessous, deux autres tubes sont sortis, pliés à angle droit. Lorsque le chaudron rempli d'eau a commencé à chauffer par le bas, la vapeur est passée en boule et s'est échappée des tubes pliés, ce qui a fait tourner la sphère.
Le moteur de Heron. L'eau de la chaudière se transforma en vapeur, passa dans une sphère par deux tuyaux et, se brisant de deux tuyaux coudés, la fit tourner.
Certains l'appellent la première machine à vapeur, mais cette machine fonctionnait sur le même principe que de nombreux arroseurs de pelouse modernes. Essayez de faire fonctionner le moulin avec un arroseur et vous verrez si la machine de Heron était d'une importance pratique en tant que machine à vapeur. Heron n'a pas particulièrement développé le travail de cette invention, mais, apparemment, il n'a servi que de divertissement pour les invités ou d'illustration pour une conférence philosophique.
Plus pratique était l'éolipil, la "boule éolienne" dédiée au dieu du vent et décrite par Vitruve, un autre grand mécanicien du monde classique. (parfois ces termes sont confus, et le moteur de Heron s'appelle eolipil [5]). Il était également connu sous le nom de «reniflard», et son circuit était plus simple que la balle de Geron. Il se composait d'un récipient en métal avec une petite ouverture. Lorsqu'il était rempli d'eau et chauffé, il émettait un jet de vapeur. Ce jet pourrait être utilisé pour attiser des flammes au lieu de soufflets, et après que les humanistes de la Renaissance aient répandu le travail de Vitruve, les éolipiles ont gagné en popularité en Europe. Ils étaient fabriqués dans toutes sortes de belles formes (souvent sous la forme d'une tête humaine soufflant de la vapeur hors de la bouche), et ils étaient clairement utilisés à la fois comme objets décoratifs et comme dispositifs pour les alchimistes et les souffleurs de verre.
Eolipilus sous la forme d'une tête humaine, du 16ème siècle en Italie
Le moteur de Heron et l'éolipil traitaient la vapeur comme du vent, mais la nouvelle science de la pression du 17ème siècle a apporté une nouvelle attention au potentiel de la vapeur en tant que substance capable de comprimer et d'augmenter le volume. En 1683, le baronnet anglais Samuel Moreland a écrit un traité dans lequel il a noté que la vapeur occupe un volume 2000 fois plus grand que la même masse d'eau liquide, et que cette vapeur, «étant contrôlée selon les lois de la statique, et au moyen de la science réduite à une mesure de poids et d'équilibre, fait paisiblement son travail, comme de bons chevaux, et peut donc apporter de grands bénéfices à l'humanité, notamment en matière d'élevage d'eau »[6]. C'est à la lumière de ces déclarations que l'ancien assistant de Huygens à la Royal Academy, Denis Papin, plusieurs années plus tard, a commencé à repenser le moteur à poudre de son ancien mentor.
Papen, 18 ans plus jeune que Huygens, étudia d'abord pour devenir médecin, puis en 1673 devint l'assistant de Huygens. Cependant, il croyait que, comme un huguenot , il n'aurait aucune chance de se dérouler dans l'atmosphère de la tyrannie catholique de la monarchie sous Louis XIV. Par conséquent, en 1675, il a émigré à Londres, a commencé à travailler activement dans la Royal Society, pendant un certain temps, il a travaillé comme assistant du chercheur le plus éminent de l'air et du vide en Angleterre, Robert Boyle . En 1687, il a pris un poste scientifique dans le Marburg allemand dans le landgrave de Hesse-Kassel, où il y avait une diaspora de réfugiés huguenots.
Landgrave voulait l'aide de Papen pour créer des fontaines pour sa province et, en 1690, Papen avait développé à cet effet un modèle de machine à vapeur avec un cylindre de 6 cm de diamètre [7]. Il a commencé le développement en essayant d'améliorer le moteur à poudre, mais il a réussi aussi peu que lui et Huygens seuls dans les années 1670. Apparemment, l'idée de remplacer la poudre à canon par de la vapeur lui est venue grâce à sa propre invention du bain-marie en 1679 - l'ancêtre des autocuiseurs modernes, qui avait déjà un levier de sécurité qui était soulevé par la vapeur [8]. Le moteur Papen se composait d'un cylindre avec un peu d'eau en dessous et d'un piston conventionnel. Lorsqu'elle est suffisamment chauffée, l'eau se transforme en vapeur et pousse le piston vers le haut. En haut, le piston était maintenu par un loquet pendant que la vapeur se refroidissait et se condensait, après quoi il s'ouvrait et la pression de l'air poussait le piston vers le bas.Il espérait utiliser un feu pour chauffer plusieurs cylindres connectés à un vilebrequin commun, de sorte que le feu chauffe un cylindre au point d'ébullition, puis passe à un autre, de sorte que le premier ait le temps de se refroidir, et le résultat serait un mouvement continu. [9].
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Cependant, ce moteur, comme plusieurs autres inventions faites par Papen pour le Landgrave - une souffleuse, un bateau à vapeur, un canon à vapeur - n'est jamais sorti du stade du prototype. Papen sentit une pression croissante de la part de ses ennemis à Marbourg. Après que plusieurs personnes importantes aient été blessées dans un accident en 1707 avec son canon à vapeur, il a décidé de partir. Après un voyage désagréable, au cours duquel le prototype de son bateau à vapeur a été confisqué et détruit par des bateliers qui ne voulaient pas se séparer des privilèges de leur guilde, il réapparut à Londres. Puisque son ancien patron, Boyle, était mort depuis longtemps, Papen sombra dans la pauvreté et mourut peu après janvier 1712 - le dernier enregistrement de ses activités fut laissé ce mois-là [10].
Dans les archives historiques de cette époque, il y a d'autres traces de réflexion sur les moteurs à vapeur, mais Papen était la première personne connue de manière fiable qui a réellement construit un tel moteur (bien que seulement sous la forme d'un prototype), et avait un sponsor sérieux (landgrave ). Pourquoi Papen n'a-t-il pas acquis la renommée et la richesse et est-il mort dans la pauvreté? S'étant concentré sur l'exemple de son bain-marie, Papen ne pouvait pas refuser la vapeur à haute pression qui poussait le piston - et cela allait au-delà des capacités de la métallurgie du XVIIe siècle. C'est probablement pourquoi il n'a pas pu mettre à l'échelle son moteur. De plus, sa voiture était trop simple. En chauffant l'eau in situ, à l'intérieur du cylindre, elle était liée à un cycle constant de refroidissement et de chauffage qui prenait beaucoup de temps et de carburant. Cependant, au moment de sa mort, deux Anglais, engagés dans des tâches complètement différentes,a surpassé son travail et a produit les premières machines à vapeur pratiques.
Newcomen
En 1698, un ingénieur militaire anglais d'une famille d'entrepreneurs du Devonshire nommé Thomas Severibreveté son «ami du mineur» - la première tentative sérieuse que nous connaissons pour exploiter la fluidité de la vapeur à des fins commerciales. Cependant, sa création, à proprement parler, n'était pas du tout un moteur - c'était une pompe à vapeur. Il a rempli la chambre de vapeur provenant d'une chaudière séparée, puis a versé de l'eau à l'extérieur pour condenser la vapeur. Le vide résultant a tiré l'eau vers le haut du tuyau. Comme toute pompe, une telle poussée était seulement suffisante pour élever l'eau à une hauteur d'environ 10 m, donc pour pomper l'eau plus loin vers la surface, elle reposait sur l'impulsion de la portion suivante de vapeur à haute pression. En conséquence, elle souffrait des mêmes problèmes que la pompe d'injection - pour une efficacité maximale, elle devait être installée profondément dans la mine, et la hauteur de la montée d'eau était limitée par les capacités de la métallurgie de l'époque. Il fallait fabriquer des récipients et des tuyaux,capable de résister à la pression requise. On sait que plusieurs de ses voitures ont été déchirées au niveau des coutures, parfois avec des conséquences fatales.
Une gravure représentant la machine de Severi montrant comment elle pourrait être utilisée dans une mine. Notez le grand tuyau vertical requis pour amener l'eau à la surface. Des réservoirs en forme d'œuf étaient utilisés pour le pompage continu - l'un était rempli de vapeur à haute pression, pressant l'eau vers le haut, et dans l'autre, de la vapeur condensée, aspirant l'eau par le bas.
Le système Severi a été utilisé à diverses occasions comme source de pression d'eau - pour les jardins aristocratiques, par exemple - et d'autres inventeurs ont continué à améliorer la pompe pendant plusieurs décennies. Mais, malgré le surnom que Severi a donné à son idée originale, l'incapacité de «l'ami du mineur» à élever l'eau à une hauteur considérable sans risque d'explosion ne lui a pas permis de devenir un équipement populaire pour les mines.
Pendant ce temps, un autre Thomas travaillait sur un schéma différent de la machine à vapeur. Thomas Newcomen, comme Severi, était originaire du Devonshire, faisait du commerce de la quincaillerie et des forgerons et des outils pour l'industrie minière. On ne sait pas s'il était au courant de l'existence de la pompe à vapeur Severi - ils ont certainement eu l'occasion de traverser dans le Devonshire. En tout cas, sa machine s'est avérée avoir un schéma complètement différent, et il n'y avait rien du Severi, sauf l'idée d'utiliser la vapeur comme fluide de travail qui produit une force mécanique. Malheureusement pour Newcomen, Severi a déposé un brevet très général lui accordant les droits exclusifs de «fabriquer, simuler, utiliser et utiliser n'importe quel réservoir ou moteur pour faire monter l'eau ou éventuellement faire tourner des moulins par la force du feu». Newcomen devait devenir partenaire de Severi et de ses héritiers, quelle que soit l'origine de ses idées [11].
Gravure de la voiture de Newcomen au Griff Collieri Museum près de Coventry. En se condensant dans le cylindre à gauche, la vapeur a entraîné le côté gauche du culbuteur, forçant la pompe à droite. Au fur et à mesure que de la vapeur était ajoutée, le poids de la bascule abaissait son côté droit. Au-dessus du piston, vous pouvez voir un réservoir pour l'eau soulevée, et en dessous - une chaudière, tapissée de brique.
Le projet entièrement réalisé de Newcomen (construit avec l'aide de John Callie, parfois appelé souffleur de verre ou bricoleur dans diverses sources), présentait deux avantages clés.
Premièrement, il n'a utilisé que la condensation de vapeur pour déplacer le piston, il n'a donc eu aucun problème avec les réservoirs de vapeur à haute pression. Il est revenu au concept original de von Guericke, le retournant à l'envers. Le piston était attaché à une extrémité d'un lourd culbuteur en bois, à l'autre extrémité duquel une pompe était attachée. Lorsque la vapeur se condense dans le cylindre, l'air est pressé contre le piston et soulève l'autre extrémité du culbuteur, entraînant la pompe. L'injection de vapeur fraîche à basse pression n'a pas soulevé le piston, mais a égalisé la pression du haut et du bas, grâce à laquelle le culbuteur a été soulevé à sa position d'origine sous son propre poids.
Deuxièmement, la condensation de la vapeur s'est produite en raison de l'injection d'eau froide dans le cylindre, grâce à laquelle la course du piston était plus rapide et plus puissante par rapport au refroidissement externe du réservoir à Severi. Apparemment, Newcomen est tombé accidentellement sur un tel schéma, lorsque de l'eau, qui était censée refroidir le cylindre de l'extérieur, a accidentellement coulé à l'intérieur.
Mais en plus de ces améliorations, l'invention de Newcomen était une démonstration d'un génie mécanique bien en avance sur tous ses prédécesseurs. Après de nombreuses années d'expérimentation, il a réussi à rendre son moteur entièrement automatique - toutes les soupapes qui contrôlaient l'entrée et la sortie de la vapeur étaient contrôlées par des chevilles sur une tige rotative qui faisait tourner le moteur lui-même.
Parfois, ils écrivent que l'équipement qui a permis à la machine de fonctionner de manière autonome a été inventé par un garçon qui a été embauché pour ce travail. Il était censé être fatigué et a décidé de l'améliorer. Il est plus probable qu'il vient d'apporter une légère amélioration à une unité déjà presque autonome. Malheureusement, aucune documentation sur l'époque du développement de cette machine n'a été trouvée, il est donc peu probable que ce problème soit résolu dans un sens ou dans l'autre.
La nécessité d'une source d'eau froide pour refroidir la vapeur a également été prise en compte. Une petite pompe auxiliaire pompait de l'eau hors du puisard, d'où elle s'écoulait après avoir quitté le cylindre dans le réservoir au-dessus du moteur. Ensuite, il pourrait être abaissé par gravité et réutilisé.
Une respiration sifflante, des crépitements et une respiration sifflante, se balançant encore et encore jusqu'à ce que la source de son régime à vapeur se tarisse, le moteur Newcomen était la chose la plus proche d'une forme de vie artificielle inventée par l'homme à cette époque. Un poète a comparé la chaudière à un «ventre de fer» respirant [13]. Un autre, Erasmus Darwin (le grand-père de Charles), a comparé la machine à un géant hochement de tête:
les ruisseaux d'eau froide cessent de s'étendre,
et un énorme nuage de vapeur se transforme en gouttelette.
Le piston, sous l'air, pèse jusqu'au bout, descend
rapidement, car il ne s'accroche nulle part aux parois de fer.
La
poutre artificielle géante secoue rapidement et adroitement, Paul tremblant, il agite ses mains et semble hocher la tête.
Bade avec des courants froids l'arrêt rapide de l'expansion,
Et coulé l'immense vapeur à une goutte.
Pressé par l'air lourd, le Piston tombe sans
résistance, glissant à travers ses murs de fer;
Rapide déplace le faisceau équilibré, de naissance géante,
Manie ses grands membres, et hochant la tête secoue la terre. [14]
La conception exacte de la pompe elle-même, entraînée par les machines Newcomen, est inconnue. Toutes les descriptions trouvées se sont concentrées sur la machine elle-même, pas sur sa charge utile. On peut supposer qu'il s'agissait d'une séquence de pompes, tous les pistons dont la machine pouvait soulever en même temps, ou d'une sorte de dispositif de levage de godet, que la poutre accrocha pendant le mouvement ascendant, et découplée pendant le mouvement inverse. .
La première utilisation documentée de manière fiable de la machine Newcomen aurait été installée dans une mine de charbon près de Birmingham en 1712, bien que Newcomen ait dû passer de nombreuses années à la développer. Il en a peut-être construit les premiers modèles dans les mines d'étain de Cornwall, à l'ouest de son Devonshire natal. [15] Lorsque le brevet de Severi a finalement expiré en 1733, 100 machines Newcomen ont été construites rien qu'en Angleterre. Plusieurs ont été construits en Belgique, en France, en Allemagne et dans d'autres parties de l'Europe. Newcomen lui-même mourut en 1729 [16]. En 1753, la première machine à vapeur est arrivée en Amérique - elle a été assemblée à la mine de cuivre Schueler dans le New Jersey à partir de pièces produites à Cornwall.
Bien que Newcomen ne soit pas mort dans la pauvreté, comme son prédécesseur Papen, il n'a jamais atteint la renommée d'un grand inventeur. À son époque, le concept d'un grand inventeur n'avait pas encore été inventé. Un homme avec un état d'esprit mécanique et une nouvelle idée serait plutôt considéré comme un monstre qu'un génie. Mais il faut se rappeler que la machine de Newcomen n'était presque toujours utilisée que comme équipement minier. Le mouvement unidirectionnel de la voiture rendait presque impossible de l'adapter à autre chose. Bien sûr, il est devenu très utile pour les mineurs dans leur lutte pour libérer les mines de plus en plus profondes de l'eau, mais il n'a pas changé la société de manière évidente, comme on pourrait s'y attendre d'une «machine à vapeur». Tout simplement parce qu'il a eu la chance de naître plus tard, et d'acquérir les connaissances nécessaires pour inventer une version plus générale du moteur,James Watt est devenu beaucoup plus célèbre que Thomas Newcomen.
Plusieurs inventeurs ont essayé d'utiliser la machine Newcomen en remplacement des moulins à eau. Cependant, les tentatives d'attacher la voiture à un volant d'inertie, qui devait alors tourner quelque chose en continu, ont échoué. Il s'est avéré plus opportun d'utiliser une machine à vapeur pour pomper l'eau à une certaine hauteur, de sorte qu'elle fasse tourner la roue hydraulique lors de la descente. L'exemple le plus célèbre de cette utilisation de la machine est le moulin à broches en cuivre à Wormley près de Bristol, où Arthur Young a écrit en 1771: «Toutes les machines et les roues sont alimentées par l'eau, qui est soulevée par une incroyable machine à incendie qui serait soulevant 3000 hogsheads chacunchaque minute ". Un tel processus n'avait de sens économique que là où il y avait peu d'eau et beaucoup de combustible bon marché, ce qui nous conduit au charbon. Mais avant de continuer l'histoire de la machine à vapeur elle-même, nous devons raconter l'histoire du carburant qui l'alimentera pour les siècles à venir.
Liens
[2] Friedrich Klemm, Une histoire de la technologie occidentale (Cambridge, Mass: MIT Press, 1964), 212.
[3] Klemm, 213-215.
[4] Prix de la poudre à canon: www.gutenberg.org/files/54411/54411-h/54411-h.htm#Page_184 (~ 11 centimes / livre 1695); Gains: www.jstor.org/stable/pdf/1819834.pdf (~ 20 centimes / jour 1683-1692)
[5] WL Hildburgh, «Aeolipiles as Fire-blowers», Archaeologia 94 (1951), 27-55.
[6] Samuel Morland, «Les principes de la nouvelle force du feu» (1683).
[7] David CA Agnew, Exilés protestants de France, principalement sous le règne de Louis XIV, volume 1 (1886), 151-153.
[8] [Référence à l'article de 2004 sur Papin et héros]
[9] Alfred Auguste Ernouf, Denis Papin, Sa Vie et Son Oeuvre (1874), 76-68.
[10] Ernouf, 131-33,
[11] James Greener, «Newcomen and his Great Work», The Journal of the Trevithick Society (2015), 67.
[13] John Dalton, «A Descriptive Poem: Addressed to Two Ladies , Aat leur retour de la visite des mines près de Whitehaven. "
[14] Erasmus Darwin, Économie de la végétation, Canto I: lignes 254 - 263.
[15] Le Newcomen de Greener et son Grand Travail sont consacrés à prouver qu'il y avait des précurseurs à la machine Newcomen à Cornwall.
[16] Richard L. Hills, Puissance de la vapeur: Une histoire de la machine à vapeur stationnaire (Cambridge: Cambridge University Press, 1989), 30.
[17] Arthur Young, Une tournée de six semaines à travers les comtés du sud de l'Angleterre et du Pays de Galles ( 1771), 184-185.