À la fin du XVIIe siècle les travaux précurseurs de l'ingénieur français Denis Papin sont à l'origine de la "révolution de la vapeur". Son dispositif est amélioré, notamment par l'ingénieur écossais James Watt, à la fin du XVIIIe siècle. La machine à vapeur constitue une innovation technique capitale qui permet la "révolution industrielle".
Les inventeurs de la machine à vapeur
Denis Papin, le précurseur
Denis Papin (1647 - 1712) est un physicien et inventeur français. Chrétien de confession calviniste, il s'installe à Londres en 1675, pour fuir le climat d'intolérance religieuse qui règne alors en France. En 1690, il met au point le premier cylindre-piston à vapeur. Il s'agit d'un cylindre de fonte contenant un piston, dans lequel on fait chauffer de l'eau jusqu'à ce que la vapeur ainsi formée pousse le piston vers le haut. Avec cette invention, Denis Papin est le précurseur de la machine à vapeur.
Portrait de Denis Papin tenant les plans d'une de ses inventions
XJamRastafire via Wikimedia Commons (artiste anonyme, 1689)
Thomas Newcomen et la première utilisation de la machine à vapeur
L'ingénieur anglais Thomas Newcomen (1663 - 1729) met au point en 1712 le premier dispositif qui permet d'utiliser le cylindre-piston à vapeur de Denis Papin pour un usage industriel. Le piston est relié à un balancier qui transfère les mouvements verticaux du piston à une pompe.
La machine de Newcomen en fonctionnement
James Watt, l'inventeur
James Watt (1736 - 1819) est un ingénieur et inventeur écossais. S'intéressant beaucoup au potentiel de la vapeur, il connaît bien les travaux de Denis Papin et de Thomas Newcomen. Dans la seconde moitié du XVIIIe siècle, il les perfectionne pour finalement construire une véritable machine à vapeur.
Grâce à un système d'axes mécaniques il parvient à transformer le mouvement vertical du piston en un mouvement circulaire. La machine de James Watt, dite "à double effet", est l'aboutissement d'une succession d'inventions qui constituent une étape fondamentale dans l'histoire des technologies : c'est la première fois que les hommes parviennent à transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique. Ces inventions sont à l'origine de ce qu'on appelle la "révolution industrielle".
Portrait de James Watt devant les plans de sa machine à vapeur
Dcoetzee via Wikimedia Commons (tableau de Carl Frederik von Breda, 1792)
La machine de James Watt
Agrillo Mario via Wikimedia Commons, modifié
Le fonctionnement de la machine de James Watt
Usages et diffusion de la machine à vapeur
Le pompage de l'eau
La machine de Thomas Newcomen est la première à être utilisée à des fins industrielles. Son système de pompage est utilisé dès le début du XVIIIe siècle dans les mines de charbon. En effet, l'un des principaux problèmes qui se posaient dans ces mines était l'inondation de galeries par des eaux souterraines.
L'usage de machines à vapeur pour pomper l'eau n'est cependant pas restreint au domaine de la mine. Il est également adapté à la distribution d'eau dans les villes. En 1777, à Paris, les frères Périer, fondateurs de la Compagnie des Eaux de Paris, installent deux pompes à vapeur (également appelées "pompes à feu") sur les rives de la Seine, pour puiser de l'eau dans le fleuve et ensuite la redistribuer.
Un ingénieur critique les "machines à feu" de Paris (1791) :
"Bien loin d'attaquer directement la machine à feu, elle est faite avec autant de talent que d'intelligence, et on lui doit tous les éloges, quant à l'exécution ; mais je ne crains point d'avancer que, si elle eût été restreinte dans des dispositions limitées, elle n'auroit pas été nuisible, comme elle l'est de fait [...] soit par l'inondation d'une grande quantité de caves d'une portion considérable de Paris [...] soit par les excavations qu'elles ont déjà produites [...]."
Extrait des Observations sur les avantages et les inconvénients de la pompe à feu de Chaillot et sur des améliorations nécessaires à la rivière de Seine, en ce qui concerne la capitale, Jean-Pierre Ango, 1791.
La "pompe à feu" de Chaillot à Paris, en 1781
Popolon via Wikimedia Commons
Une diffusion rapide dans le monde industriel
Les usages de la machine à vapeur connaissent une diffusion rapide. Le procédé est adapté aux différentes industries. Dans l'industrie sidérurgique, la machine à vapeur permet d'actionner de grands marteaux pour battre le métal aussi bien que des soufflets pour maintenir le feu d'une forge. Au XIXe siècle, la machine à vapeur permet la mécanisation de l'industrie textile.
Une usine de tissage en Angleterre (1835)
T. Allom via Wikimedia Commons
Vers une révolution des transports
En 1769 ,l'ingénieur français Joseph Cugnot (1725 - 1804) invente une machine qu'il appelle le "fardier". La machine à vapeur y est utilisée pour actionner les roues du premier véhicule automobile jamais construit. Joseph Cugnot destine son "fardier" à transporter un canon. Cependant, le véhicule est trop lourd et ne fonctionne pas.
Le "fardier" de Cugnot, premier véhicule automobile (1771)
Roby via Wikimedia Commons
Le marquis de Jouffroy d'Abbans entreprend d'utiliser la machine à vapeur pour le mouvement des bateaux. Il invente ainsi en 1783 le "pyroscaphe", ancêtre du bateau à vapeur. Le premier essai est réalisé sur la Saône à Lyon, et il est concluant : le pyroscaphe parvient à naviguer sur la rivière pendant plus de dix minutes.
Maquette du premier bateau à vapeur, le "pyroscaphe" du marquis de Jouffroy d'Abbans (1774)
World Imaging via Wikimedia Commons
En 1803, l'ingénieur anglais Richard Trevithick met au point une machine qu'il appelle "cheval de fer". C'est un véhicule mû par une machine à vapeur et dont la fonction est la traction : il s'agit de la première locomotive. En 1804, il réalise un essai concluant sur une ligne reliant la mine de fer de Pen-y-Darren à une commune éloignée de 15 kilomètres. Sa locomotive parvient à tracter cinq wagons contenant 70 personnes et 10 tonnes de fer sur cette distance, en un peu plus de 4 heures, soit avec une vitesse moyenne d'environ 4 km/h.
Le "cheval de fer" de Richard Trevithick, première locomotive
Andy Dingley via Wikimedia Commons