- Les premiers moteurs à balancier produisaient en continu environ 15 chevaux en exploitant l’expansion-condensation de la vapeur et la pression atmosphérique, et transformaient le mouvement alternatif en rotation pour entraîner les machines des mines et des usines de la révolution industrielle.
- La machine de Newcomen créait un vide en condensant la vapeur puis déplaçait le piston grâce à la pression atmosphérique, mais elle gaspillait environ les trois quarts de la vapeur en refroidissant puis réchauffant le cylindre à chaque course.
- Le condenseur séparé de James Watt maintenait le cylindre chaud et le condenseur froid, réduisant d’environ deux tiers la consommation de charbon, tandis que le cylindre à double effet, le cutoff et l’usinage de précision permettaient de produire efficacement de la puissance dans les deux sens.
- La vanne coulissante et l’excentrique, le balancier et le mouvement parallèle, le vilebrequin et le volant d’inertie, la pompe d’alimentation et le régulateur reliaient le flux de vapeur, le mouvement rectiligne, la rotation, l’alimentation de la chaudière et le contrôle de la vitesse en un système de conduite automatique unique.
- Le rendement thermique est passé d’environ 0,5 % pour Newcomen à environ 3 % pour Watt, puis à plus de 10 % pour les grosses machines marines des années 1890 et à plus de 40 % pour les centrales modernes à turbines à vapeur, tandis que la généralisation des moteurs électriques a progressivement remplacé les moteurs à balancier centraux et les transmissions par arbres et courroies.
Expansion et pression de la vapeur
- Quand l’eau bout et devient vapeur, elle se dilate jusqu’à environ 1 700 fois son volume initial.
- Une tasse d’eau devient environ 400 litres de vapeur, de quoi remplir deux baignoires.
- S’il manque d’espace pour se dilater, elle pousse sur toute la paroi du récipient, et la force rapportée à la surface correspond à la pression.
- La pression de la vapeur exercée à la surface de l’eau se transmet uniformément à tous les points en contact avec l’eau.
- Quand la différence de pression est de 1 atmosphère, on obtient environ 1 kg de force par cm² de surface de piston.
- Si l’on double le diamètre du piston, sa surface et donc la force sont multipliées par quatre.
- Les premiers constructeurs ne maîtrisaient pas en sécurité la vapeur à haute pression, ils utilisaient donc de grands cylindres basse pression assez vastes pour qu’un homme puisse y entrer.
Pression atmosphérique et vide de vapeur
- Au niveau du sol, une colonne d’air de 1 cm² de section jusqu’au sommet de l’atmosphère pèse environ 1 kg, et l’atmosphère exerce environ 1 kg de force sur chaque cm².
- L’air et les liquides du corps exerçant la même pression vers l’extérieur, on ne ressent pas normalement la pression atmosphérique.
- Quand on boit avec une paille, la pression à l’intérieur baisse et la pression atmosphérique à la surface du verre pousse le liquide vers le haut.
- Otto von Guericke a retiré en 1654 l’air de deux hémisphères en cuivre d’environ 0,5 m de diamètre.
- La pression atmosphérique maintenait les hémisphères ensemble avec une force d’environ 2 tonnes, au point que plusieurs chevaux ne pouvaient pas les séparer.
- Dès qu’on ouvrait la vanne pour laisser entrer l’air, on pouvait les séparer à la main.
- Si l’on remplit un récipient de vapeur puis qu’on le refroidit en l’aspergeant d’eau, la vapeur se condense en eau sur environ 1/1 700 de son volume, ce qui permet de créer rapidement un vide.
- Si l’on condense la vapeur sous le piston, la pression atmosphérique au-dessus pousse le piston vers le vide.
- Un piston de 0,5 m de diamètre peut ainsi rassembler environ 2 tonnes de force dans un vide parfait.
La machine d’épuisement des mines de Newcomen
- Au début des années 1700, les mines s’enfonçaient sous la nappe phréatique et l’eau s’infiltrait en permanence ; même avec des relais de chevaux faisant tourner les pompes jour et nuit, il fallait abandonner les charbonnages pendant la saison des pluies.
- Thomas Newcomen a relié un piston à vide à un immense balancier oscillant pour créer une machine capable de fonctionner toute la journée.
- Quand la pression atmosphérique faisait descendre le piston, la lourde tringle de pompe à l’autre extrémité montait.
- Pendant que le poids de la tringle de pompe faisait remonter le piston, le cylindre se remplissait de vapeur.
- La première machine réellement réussie fut installée en 1712 dans une mine de charbon près de Dudley.
- Elle fonctionnait à environ 12 courses par minute.
- À chaque course, elle élevait environ 45 litres d’eau à 50 m de hauteur.
- Capable de tourner 24 heures sur 24 sans nourriture ni repos, elle s’est diffusée de la Cornouailles à Newcastle.
- Un piston de 50 cm de diamètre obtenait environ 2 tonnes de force dans un vide parfait et, en tenant compte des fuites et du poids de la tringle de pompe, pouvait fournir environ 4 kW de travail utile.
- Il aurait fallu environ 15 à 20 chevaux se relayant pour le remplacer sur une journée entière.
- Watt vendra plus tard ses machines selon le nombre de chevaux qu’elles remplaçaient, en fixant 1 cheval-vapeur à 33 000 foot-pound par minute.
-
Limites d’usinage des premiers cylindres
- Il était plus difficile de rendre l’intérieur d’un grand cylindre en fer droit et circulaire que de le couler.
- Les cylindres de Newcomen étaient rectifiés à la main, et leur paroi intérieure irrégulière était étanchée par un clapet de cuir recouvert d’eau.
- En 1690, Denis Papin avait démontré le principe consistant à faire bouillir l’eau sous un piston puis à la condenser pour le faire redescendre sous l’effet de la pression atmosphérique, sans toutefois en faire une machine à fonctionnement continu.
Le gaspillage de combustible de la machine de Newcomen
- En injectant directement de l’eau froide dans le cylindre, on refroidissait non seulement la vapeur mais aussi l’énorme cylindre en fer.
- Environ les trois quarts de la vapeur étaient alors perdus à réchauffer le cylindre à la course suivante.
- Les mines de charbon pouvaient accepter cette inefficacité parce qu’elles utilisaient comme combustible le slack, de petits morceaux de charbon invendables, mais ailleurs le coût du combustible était trop élevé.
- À cause de cette forte consommation, la machine à vapeur est restée pendant près de 50 ans essentiellement cantonnée aux charbonnages.
Les avantages des chaudières basse pression et de la pression atmosphérique
- La haystack boiler de Newcomen ne produisait qu’une vapeur à environ 1/20 d’atmosphère au-dessus de la pression atmosphérique.
- Elle était fabriquée en fines plaques de cuivre ou de fer et assemblée par rivets, et ses larges parois comme ses joints fragiles ne supportaient pas les hautes pressions.
- Si la vapeur poussait directement, on n’obtenait qu’environ 50 g de force par cm², mais en la condensant pour exploiter la pression atmosphérique, on atteignait environ 1 kg, soit une force près de 20 fois supérieure.
- Dans les années 1690, Thomas Savery avait tenté d’utiliser de la vapeur à haute pression avec une chaudière en cuivre brasée.
- Le feu ramollissait la brasure et les joints fuyaient, imposant des réparations fréquentes.
- Newcomen a choisi au contraire une vapeur proche de la pression atmosphérique, avec une structure en fines plaques de plomb et de fer forgé assemblées par rivets.
- La waggon boiler de Watt faisait passer les gaz chauds sous une large chambre d’eau et accumulait la vapeur sous un toit arrondi.
- Son large fond captait bien la chaleur, mais ses flancs plats et son fond incurvé vers l’intérieur restaient vulnérables à la pression.
- Les constructeurs ont ensuite adopté de longs cylindres entièrement bombés vers l’extérieur, supprimant les surfaces planes et les courbures internes.
- Plus le rayon du cylindre est grand, plus la force d’écartement augmente à pression égale, ce qui a conduit à fabriquer des chaudières étroites.
- Dans un cylindre à 2 atmosphères et de 0,5 m de rayon, la charge circonférentielle atteint environ 10 tonnes par mètre de tôle, tandis que la contrainte longitudinale n’en représente que la moitié.
- Une forme sphérique répartit mieux la charge, mais elle était difficile à fabriquer avec des tôles laminées et rivetées.
- À mesure que le fer et les techniques de rivetage progressaient, des pressions plus élevées sont devenues possibles, et Richard Trevithick fit fonctionner vers 1800 des machines à plusieurs atmosphères.
Le condenseur séparé de Watt
- James Watt a analysé en 1765 la consommation excessive de vapeur en réparant à l’University of Glasgow un modèle de machine de Newcomen.
- Selon la chaleur latente (latent heat) étudiée par Joseph Black, transformer 1 kg d’eau en vapeur demande plus de cinq fois l’énergie nécessaire pour la chauffer du point de fusion au point d’ébullition.
- Si l’on n’ajoutait que la quantité d’eau théoriquement nécessaire pour condenser la vapeur dans le cylindre, la chaleur latente réchauffait cette eau et la condensation s’arrêtait, empêchant d’obtenir un vide suffisant.
- En ajoutant davantage d’eau froide, on créait bien le vide, mais on refroidissait aussi le cylindre, qu’il fallait réchauffer à la course suivante.
- Watt a introduit une architecture où le cylindre reste chaud tandis qu’un condenseur séparé reste froid.
- En fin de course, une vanne s’ouvre et la vapeur se déplace vers le condenseur froid.
- En se transformant en eau, la vapeur fait aussi chuter la pression dans le cylindre relié au condenseur.
- Une petite pompe à air entraînée par la machine retire à chaque course le condensat et l’air infiltré.
- Le condenseur séparé réduisait d’environ deux tiers la consommation de charbon.
- Watt et Matthew Boulton facturaient un tiers de l’économie de charbon réalisée par leurs clients.
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Fabrication de cylindres de précision
- La machine de Watt exigeait des cylindres bien plus précis que les pistons à étanchéité par eau et au jeu important de Newcomen.
- Vers 1775, John Wilkinson) a mis au point une aléseuse fondée sur les techniques de perçage des canons, avec une barre de coupe rigide soutenue aux deux extrémités.
- Le cylindre de 50 pouces installé à Tipton en 1776 présentait des écarts dimensionnels inférieurs à l’épaisseur d’une ancienne pièce d’un shilling, empêchant les fuites de vapeur et rendant la machine de Watt réellement pratique.
Machine à double effet et économie de vapeur
- En s’appuyant sur un cylindre de précision, Watt a créé une machine à double effet (double-acting), fermée en haut, qui alimente alternativement en vapeur les deux côtés du piston
- Pendant la course descendante, la vapeur supérieure pousse tandis que le condenseur inférieur abaisse la pression
- Pendant la course de retour, les connexions sont inversées et le même processus se produit en sens inverse
- Un seul cylindre produisant de la puissance sur les deux courses, il fournit une force de poussée et de traction plus régulière pour entraîner les machines d’usine
- Comme une extrémité doit être reliée à la chaudière et l’autre à l’échappement, puis que ces connexions doivent être inversées avant le retour du piston, la configuration des valves devient complexe
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Tiroir de distribution et excentrique
- Un seul tiroir de distribution se déplace de quelques centimètres et relie une extrémité du cylindre à la vapeur fraîche, l’autre à l’échappement
- La valve est placée dans la boîte à vapeur (steam chest), un caisson en fer rempli de vapeur fraîche
- Les deux orifices extérieurs mènent aux deux extrémités du cylindre
- L’orifice central évacue l’échappement
- Un bord du large tiroir creux en forme de D ouvre un orifice de vapeur, tandis que sa face arrière creuse relie l’orifice opposé à l’échappement
- L’excentrique (eccentric) de l’arbre rotatif synchronise la valve et le piston
- Le centre d’un disque légèrement décalé par rapport au centre de l’axe tourne en décrivant un petit cercle
- Une bride entourant le disque fait aller et venir la tige de valve
- Sa position sur l’arbre est réglée pour que l’orifice suivant s’ouvre avant que le piston n’atteigne la fin de sa course
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Coupure et détente composée
- Si l’orifice de vapeur est fermé avant que le piston n’atteigne la fin de sa course, la vapeur piégée continue à pousser en se détendant, mais sa pression diminue progressivement
- Une coupure à 50 % qui interrompt l’alimentation à mi-course utilise moitié moins de vapeur tout en produisant environ 85 % du travail idéal sur l’ensemble de la course
- Le calcul donne un travail de
pV/2sur la première moitié, puis d’environ0.35pVlors de la détente sur la seconde - Couper plus tôt économise davantage de vapeur, mais la pression peut ne plus suffire à vaincre les frottements et le bras de levier défavorable près du point mort
- Watt a breveté cette méthode en 1782
- Par la suite, les machines composées envoient l’échappement d’un cylindre vers un second cylindre plus grand, parfois un troisième, afin d’obtenir un travail supplémentaire pendant la détente
Mesurer le travail interne de la machine
- L’assistant de Watt, John Southern), a fabriqué en 1796 un dispositif permettant de mesurer la pression à l’intérieur d’un cylindre opaque
- Un petit piston muni d’un ressort déplace un crayon de haut en bas selon la pression
- Un papier lié au piston principal se déplace latéralement
- Le diagramme indicateur (indicator diagram) ainsi obtenu représente la pression sur l’ensemble de la course, et l’aire à l’intérieur de la boucle fermée mesure le travail produit
- Les fuites du piston, une coupure tardive ou un échappement limité produisaient des formes de diagramme différentes, ce qui permettait de diagnostiquer l’état de la machine avec une seule carte
- Boulton & Watt ont gardé cet appareil secret pendant plusieurs années
- Émile Clapeyron a utilisé en 1834 un diagramme pression-volume de même forme pour expliquer la théorie des machines thermiques de Sadi Carnot, et la thermodynamique moderne représente encore pression et volume ensemble
Transformer le mouvement alternatif en rotation
- Le mouvement alternatif du piston peut être utilisé directement pour une pompe, mais les machines d’usine ont besoin d’un mouvement rotatif
- Si l’on relie au piston par une bielle une goupille de manivelle décalée par rapport au centre de l’axe, la force alternative met l’axe en rotation
- Aux points morts (dead centre), où deux fois par tour la manivelle et la bielle s’alignent, la force passe directement par le centre de l’axe et le couple disparaît
- Un grand volant d’inertie stocke de l’énergie lorsque l’effet de levier de la manivelle est favorable, puis la restitue au passage des points morts
- Plus le volant d’inertie est lourd, moins la vitesse de rotation varie, ce qui rend la puissance plus régulière et plus lisse
-
Brevet sur la manivelle et sun-and-planet gear
- James Pickard a breveté en 1780 l’usage de la manivelle sur la machine à vapeur
- William Murdoch a conçu le sun-and-planet gear pour contourner ce brevet
- L’engrenage relié à la bielle tourne autour d’un autre engrenage monté sur l’axe du volant, faisant tourner l’axe deux fois par cycle du balancier
- Une fois le brevet de Pickard expiré en 1794, les constructeurs sont revenus à la manivelle, plus simple
- Cette structure appartient à la famille des trains épicycloïdaux et permet, grâce à plusieurs planet gears se partageant la charge, de placer l’entrée et la sortie sur le même axe
- On l’utilise dans les perceuses sans fil, les moyeux de vélo, les boîtes automatiques et les éoliennes
- Dans les voitures hybrides, il répartit la puissance entre moteur thermique, moteur électrique et roues
Balancier et mouvement parallèle
- La goupille de manivelle bouge non seulement de haut en bas mais aussi latéralement, alors que la tige de piston doit traverser bien droit le joint supérieur du cylindre
- En liaison directe, une force latérale s’exercerait sur le piston et détruirait rapidement le joint
- Le balancier transmet la charge latérale à de grands paliers circulaires que l’on savait alors fabriquer avec précision, mais son extrémité décrit elle-même un arc de cercle
- Le mouvement parallèle (parallel motion) breveté par Watt en 1784 relie le balancier et un point fixe par plusieurs bielles articulées
- Quand le balancier tire la tige de piston dans une direction, une autre bielle la tire presque autant dans la direction opposée
- Les deux courbes se compensent, de sorte que la tige de piston suit une trajectoire très proche d’une ligne droite
- Watt a écrit qu’il était plus fier du mouvement parallèle que de n’importe quelle autre invention mécanique qu’il avait réalisée
- Le mouvement alternatif du côté opposé du balancier sert à entraîner la pompe d’alimentation de la chaudière
Pompe d’alimentation de la chaudière
- En raison de la pression à l’intérieur de la chaudière, un simple raccordement au réservoir ferait refluer l’eau ; pour alimenter sans arrêter la marche, une pompe est nécessaire
- L’extrémité du balancier actionne une pompe dotée d’un plongeur étroit et de deux clapets anti-retour
- Quand le plongeur monte, la pression baisse, le clapet d’entrée s’ouvre et l’eau du réservoir entre
- Quand il redescend, la pression monte, l’entrée se ferme et le clapet de sortie vers la chaudière s’ouvre
- Les deux clapets fonctionnent automatiquement selon les variations de pression de l’eau
- La pression de la pompe doit être légèrement supérieure à celle de la chaudière, mais la quantité d’eau par course n’a pas besoin d’être grande
- En rendant le plongeur plus étroit, on réduit la force nécessaire selon la même relation
pression × surface, ce qui permet de maintenir le niveau d’eau de la chaudière avec une petite fraction de la puissance de la machine
Arbres de transmission et courroies en cuir dans les usines
- Avant la machine à vapeur, les usines s’implantaient au bord des rivières et faisaient tourner leur arbre principal avec une roue hydraulique ; des arbres en fer, des poulies et des courroies en cuir transmettaient ensuite la rotation à chaque machine
- En déplaçant la courroie d’une machine sur une loose pulley, on pouvait arrêter seulement cette machine par inertie, tandis que l’arbre principal et les autres continuaient de fonctionner
- Quand une corde ou une courroie s’enroule autour d’un cylindre, la tension de chaque portion en contact crée du frottement et réduit la tension transmise à la portion suivante
- En prenant un coefficient de frottement d’environ 0,3 pour une corde sur de la fonte, la diminution s’accumule selon la forme
e^-μθ - Une charge de 2 000 N n’en transmet plus que 300 N à la main après un tour autour d’un poteau, 46 N après deux tours, et 7 N après trois
- En prenant un coefficient de frottement d’environ 0,3 pour une corde sur de la fonte, la diminution s’accumule selon la forme
- Lors de l’installation, la courroie est tendue pour que les deux brins tirent de manière comparable
- Quand la machine demande de la puissance, le frottement transfère une partie de la tension du brin de retour détendu vers le brin moteur
- La puissance transmise vaut la différence de tension entre les deux brins × la vitesse de la courroie
- Si un volant d’inertie de 16 pieds de diamètre tourne à 60 tr/min, la vitesse de la courroie est d’environ 15 m/s
- Si la différence de tension entre les deux brins d’une courroie en cuir large de 1 pied est de 2 000 N, elle peut transmettre environ 40 chevaux
- Pour empêcher une courroie plate de sortir d’une poulie cylindrique, on utilise un crown qui rend la poulie légèrement plus bombée au centre
- Si la courroie s’écarte du centre, la surface de contact conique ramène son bord avant vers le milieu
- Au centre, les pentes s’équilibrent de part et d’autre et la courroie reste en place sans guide supplémentaire
De la roue hydraulique à l’entraînement direct par vapeur
- L’usine hydraulique de Cromford de Richard Arkwright a ouvert en 1771, puis la diffusion du système d’usine a intensifié la concurrence pour les bons emplacements en bord de rivière
- Les usines hydrauliques pouvant s’arrêter en période sèche, on utilisait des pompes à vapeur pour remonter l’eau située sous la roue hydraulique vers l’amont
- Cela conservait la rotation régulière de la roue hydraulique, mais gaspillait du charbon pour remonter la même eau
- Watt vendait des machines de pompage de 16 à 20 chevaux pour transmettre 10 chevaux aux machines
- En combinant la machine à double effet avec le balancier, la manivelle et le volant d’inertie, la machine à vapeur a pu entraîner directement des lignes d’arbres
- Les propriétaires d’usine ont alors pu installer leurs ateliers près des ouvriers et des matières premières plutôt que près d’un cours d’eau précis
- Boulton & Watt ont fabriqué 496 machines entre 1775 et 1800
- 38 % étaient des machines de pompage
- 62 % produisaient une puissance rotative, principalement utilisée dans l’industrie textile
Régulation automatique de la vitesse par le régulateur
- Quand on raccordait une machine à un moteur qui tournait à 30 tr/min à vide, la charge augmentait et la vitesse chutait
- Le conducteur pouvait régler le papillon à chaque fois, mais cela était très fatigant, et en cas de survitesse, le volant en fonte pouvait éclater
- Watt adapta pour la machine à vapeur le régulateur centrifuge (governor), dérivé d’un dispositif utilisé sur les moulins à vent pour régler la vitesse de la meule
- Boulton écrivit à Watt qu’il avait vu à Manchester en 1788 un dispositif qui réglait une meule avec des boules en rotation
- Watt ne déposa pas de brevet sur cette idée empruntée
- Un engrenage conique entraîne un arbre vertical, et deux boules lourdes suspendues à des bras articulés s’écartent vers l’extérieur selon la vitesse
- Quand la vitesse augmente, les boules montent et soulèvent un manchon coulissant, tandis qu’une fourche et une longue tige se déplacent de façon à fermer le steam cock
- Quand la vitesse baisse, les boules redescendent et rouvrent le steam cock
- La hauteur des boules indique directement la vitesse de rotation selon la relation
h = g/ω²- La masse disparaît de l’équation, donc des boules plus lourdes poussent plus fortement sur la tringlerie mais montent à la même hauteur pour une même vitesse
- Si on le faisait tourner directement à la vitesse du vilebrequin, il faudrait des bras d’environ 1 m de long ; on faisait donc tourner le régulateur plus vite avec un engrenage conique afin de l’installer sur une colonne plus courte
Le moteur à balancier achevé
- La puissance est transmise dans l’ordre vapeur de la chaudière → cylindre et piston → distribution → mouvement parallèle → balancier → bielle de liaison → manivelle et volant → poulie à courroie
- Le régulateur ajuste l’alimentation en vapeur selon les variations de charge, et la pompe d’alimentation à l’autre extrémité du balancier complète l’eau de la chaudière
- Le plus ancien moteur rotatif encore existant, installé en 1785 à Londres à la brasserie Whitbread, est du même type
- Le cylindre avait un diamètre de 64 cm et la course du piston était de 1,8 m
- Le volant de 4,3 m de diamètre tournait à 20 tr/min et brûlait environ 40 kg de charbon par heure
- Il fut d’abord évalué à 10 chevaux et remplaça la roue entraînée par des chevaux de la brasserie
- Après sa conversion en double effet en 1795, le même cylindre fut réévalué à 15 chevaux
- Comme la redevance annuelle de Boulton & Watt augmentait selon la puissance, la brasserie refusa une évaluation à 20 chevaux
- Il resta en service pendant 102 ans au total
Les évolutions après le moteur à balancier
- Dans les années 1780, les machines-outils ne permettaient pas encore de fabriquer avec précision de longs guides de crosshead, d’où la nécessité du balancier et du mouvement parallèle
- Au XIXe siècle, l’amélioration des raboteuses rendit les guides rectilignes pratiques, et le lourd balancier devint inutile
- Dans les années 1860, la plupart des nouveaux moteurs d’usine entraînaient directement le volant
- Les bateaux à roues à aubes américains avaient besoin d’un fort couple à basse vitesse, autour de 20 tr/min, et disposaient de plus d’espace au-dessus de la ligne de flottaison qu’en dessous ; ils utilisèrent donc de hauts walking beam jusque dans les années 1880
- Les navires hauturiers plaçaient des machines similaires à l’intérieur de la coque, puis passèrent à des moteurs plus petits et plus rapides à mesure que les roues à aubes furent remplacées par des hélices
- Les arbres de transmission et les courroies en cuir restèrent suspendus au plafond des usines jusqu’au XXe siècle
- Avec l’arrivée des moteurs électriques, chaque machine reçut sa propre source de rotation indépendante, et les longs arbres ainsi que les courroies furent remplacés par des câbles électriques
- Il devenait ainsi possible d’arrêter un seul tour sans modifier la charge du moteur central qui faisait tourner toute l’usine
Les progrès du rendement des machines à vapeur
- La machine de Newcomen ne transformait qu’environ 0,5 % de la chaleur du charbon en travail utile
- Le condenseur séparé de Watt porta cette proportion utile à environ 3 %, permettant à la force vapeur de se diffuser au-delà des mines de charbon
- Les Corliss valves permettaient un contrôle plus précis de la détente de la vapeur, et les compound engines la faisaient se détendre par étapes dans plusieurs cylindres
- Les grandes machines marines comme celles utilisées sur le Titanic dans les années 1890 dépassaient 10 % de rendement grâce à la haute pression et à la détente composée
- La turbine à vapeur remplaça le piston alternatif par une roue en rotation continue, et les centrales modernes à turbines à vapeur convertissent aujourd’hui plus de 40 % de la chaleur en électricité
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Je suis l’auteur. Le moteur à balancier produit de l’énergie grâce à la vapeur et a joué un rôle central au début de la révolution industrielle. L’article explique en profondeur son fonctionnement, son histoire et les compromis d’ingénierie auxquels ses concepteurs ont été confrontés, avec plusieurs schémas interactifs pour rendre les concepts faciles à visualiser.
Chacun de ces sujets pourrait à lui seul donner lieu à un développement bien plus long que l’article actuel. Dire « l’eau et la chaleur produisent de la vapeur, la vapeur pousse un piston, et le mouvement alternatif est transformé en mouvement rotatif » paraît simple, mais la machine réelle ne l’est absolument pas.
George Polya(0), Richard Feynman(1) et Grace Hopper(2) sont des modèles de cette tradition. J’essaie moi aussi de le faire sur mon blog et dans du code source, mais les supports visuels interactifs sont absurdement difficiles à créer ; j’imagine donc la quantité d’amour et d’efforts investis dans cet article.
Quand je regarde une technologie ancienne, la première question qui me vient n’est pas « comment ça marche ? », mais « comment ont-ils bien pu fabriquer ça ? ». Je me demande comment ils produisaient et vérifiaient le vide, comment ils coulaient des alliages dans des formes précises, comment ils fabriquaient des miroirs de précision, combien d’échecs il a fallu avant de réussir, et comment ils lubrifiaient et étanchéifiaient les pièces.
En étudiant pendant quelques jours, je pourrais sans doute expliquer 80 % de l’invention, mais si j’essayais de la fabriquer moi-même, je me heurterais sans cesse à des obstacles techniques et je n’arriverais probablement pas à en reproduire 1 %, chaque point prenant des années.
En élevant un enfant de trois ans, j’ai eu le plaisir inattendu d’apprendre bien plus que prévu sur l’ingénierie des locomotives à vapeur. La créativité nécessaire pour relier des formes et des articulations appropriées afin d’obtenir le mouvement voulu au moment exact, avec un cycle parfait et un régulateur, est stupéfiante.
L’explication est particulièrement excellente parce qu’elle montre progressivement quel problème chaque pièce résout, et j’aimerais aussi lire un article consacré uniquement aux locomotives.
Il fonctionne aussi très bien avec de l’air comprimé ou avec la buse vapeur d’une machine à espresso. Quand j’étais enfant, mon père m’avait même fabriqué une chaudière avec une bombe aérosol en acier, un tube de cuivre et un brûleur à alcool en plaque de laiton, mais ce n’était pas adapté à un enfant de cinq ans ; même à l’époque, il ne m’a laissé l’allumer que vers douze ans.
Les systèmes mécaniques qui bougent et accomplissent un vrai travail procurent une grande satisfaction, aussi bien aux enfants qu’aux adultes.
Comme il n’y a pas de combustion dans le cylindre d’un moteur à vapeur, une chemise d’eau de refroidissement aurait l’effet inverse ; il fonctionne donc dans un environnement thermique bien plus extrême qu’un moteur à combustion interne. Pour tenir compte de la dilatation thermique, l’alésage est usiné avec un léger cône, et dans les moteurs à double effet, on donne parfois au cylindre une forme très légèrement en sablier afin que le piston ne se coince pas aux deux extrémités. Pour aller plus loin, il vaut la peine de chercher des informations sur la technologie des voitures à vapeur Doble ou sur le moteur d’avion Besler.
On dit que l’expression « balls out », qui signifie pousser quelque chose à ses limites, viendrait des masses d’un régulateur centrifuge de moteur, complètement écartées vers l’extérieur à pleine vitesse.
https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_governor
Je l’ai utilisée lors d’une réunion au travail et quelqu’un s’est plaint que c’était obscène ; quand j’en ai expliqué l’origine, tout le monde a été surpris, pensant que l’expression faisait référence aux testicules.
Dans la Grèce antique, il existait une machine à vapeur appelée Hero’s engine, utilisée comme jouet. Faute de métallurgie et de techniques d’usinage suffisantes pour fabriquer des pistons, des soupapes, etc., elle n’a pas pu être exploitée davantage.
Le progrès technique s’accumule toujours par itérations ; il n’apparaît pas soudainement sous forme de révolution. Qu’il s’agisse d’un langage de programmation, d’un framework ou d’une méthodologie, une nouveauté qui ne se tient pas sur les épaules des géants n’a tout simplement pas de base sur laquelle être appliquée.
On aurait sans doute pu y ajouter une prise de force élémentaire, mais elle a probablement été jugée peu pratique.
Même la police du corps du texte ressemble beaucoup à celle de https://ciechanow.ski et semble être IBM Plex Sans. Toutes les unités sont dans le système SI, ce qui est particulièrement appréciable.
La série de la BBC Age of Steam de Fred Dibnah donne un excellent aperçu du développement de la technologie britannique des machines à vapeur et de la révolution industrielle.
https://www.youtube.com/watch?v=kl_UA36ouzM&list=PL2vJ5Cg-wl...
Si vous voulez voir une véritable machine à balancier à London, il y en a une à Tottenham : https://www.mbeam.org/
Quinn, de la chaîne YouTube Blondihacks, est modéliste mécanicienne et spécialiste de l’usinage ; elle montre la construction de chaudières et de machines à vapeur d’une manière accessible aux non-initiés.
Je recommande vivement la vidéo d’introduction The Model Engineering Learning Curve (https://www.youtube.com/watch?v=Ps_BQJEMnGA). Elle construit depuis des années une locomotive miniature, avec plus de 100 vidéos accumulées (playlist), et présente aussi le wobbler, l’équivalent du « Hello World » des petits moteurs usinés (vidéo).
S’il ne fallait voir qu’une chose dans tout cet article, je conseillerais ces vidéos.
Les premières machines à vapeur étaient des machines à vide : on remplissait le cylindre de vapeur, puis on la condensait afin de tirer le piston vers le bas. L’amélioration et le brevet de Watt portaient sur un condenseur séparé, qui évitait de devoir réchauffer tout le cylindre à chaque cycle, et réduisait de moitié la consommation de charbon.
Watt vendait des licences d’exploitation plutôt que des droits de fabrication, et percevait la moitié de la valeur du charbon économisé grâce à son brevet. Il y eut donc beaucoup de machines non autorisées, et on contournait souvent le brevet en affirmant que le condenseur n’était pas séparé du cylindre, mais intégré d’une manière ou d’une autre.