Pendant des années, la société a bénéficié d’énormes innovations technologiques en raison du développement rapide de la révolution industrielle. Bien que plusieurs événements soient responsables de l’avancement de la révolution industrielle, la seule innovation qui est à la tête de la discussion est la machine à vapeur.
La machine à vapeur est un appareil qui convertit l’énergie de la vapeur en travail mécanique avec des applications polyvalentes. Le développement de la machine à vapeur était une merveille technologique qui a transformé la façon dont les usines et les travailleurs fonctionnaient, entraînant une efficacité accrue, une réduction du temps et une puissance de sortie énorme.
Les usines ont commencé à se déplacer des zones riveraines et extérieures vers des emplacements intérieurs tandis que les travailleurs bénéficiaient des économies d’échelle qui accompagnaient le développement. Cependant, même si la machine à vapeur a apporté d’énormes avantages, les méthodes traditionnelles utilisées auparavant n’ont pas été entièrement abandonnées.
Avant le développement de la première machine à vapeur commercialeles usines comptaient sur les chevaux, l’eau et le vent comme principale source d’énergie. La plupart des usines étaient soit situées près des berges des rivières, soit autour de zones à forte intensité de vent.
Les usines situées près de la rivière utilisaient souvent l’eau de la rivière pour entraîner leurs roues hydrauliques et alimenter leur équipement, tandis que d’autres utilisaient une combinaison de chevaux et d’énergie éolienne comme source d’énergie.
Bien que ces sources d’énergie faisaient le travail pour la plupart des usines, elles étaient souvent peu fiables. Les rivières peuvent parfois connaître des périodes de sécheresse ou geler en raison des conditions météorologiques, tandis que les changements d’intensité du vent pourraient sonner le glas pour les usines fonctionnant à l’énergie éolienne.
Le besoin d’une source d’énergie meilleure et plus fiable est apparu lorsque les Britanniques sont passés du bois au charbon comme source de chauffage pour leurs maisons. Ce changement a augmenté la demande de charbon, forçant les mineurs à creuser plus profondément afin de trouver plus de charbon pour répondre à la demande.
Cependant, il n’y avait qu’un seul problème, l’eau. Creuser plus profondément signifiait que les mineurs rencontraient fréquemment des sources d’eau souterraines. Ces sources d’eau se sont précipitées dans les mines, interrompant le processus de creusement, et au moment où elles ont finalement trouvé du charbon, les mines étaient généralement inondées.
Pour lutter contre les inondations, les mineurs ont utilisé un système complexe de poulies tirées par des chevaux pour pomper l’eau des mines. Bien que cela se soit avéré fonctionnel à l’époque, le processus était souvent fastidieux, lent et coûteux car les chevaux devaient être nourris et entretenus. Ce nouveau problème a posé un défi important aux mineurs, et les ingénieurs ont dû revoir leurs planches à dessin à la recherche d’une meilleure solution.
La machine à vapeur telle que nous la connaissons aujourd’hui est passée par plusieurs étapes de développement et d’améliorations avant d’arriver enfin au modèle qui a inauguré la révolution industrielle. Il a été initialement inventé pour aider les mineurs à pomper l’eau des mines inondées.
Et même si l’ingénieur britannique Thomas Savery est souvent crédité d’avoir inventé la machine à vapeur, la connaissance de la puissance de la vapeur est disponible depuis des décennies et a été présentée pour la première fois à travers l’Aeolipile.
L’éolipile
L’Aeolipile était un appareil inventé par le mathématicien grec Hero Alexander au cours du premier siècle. L’appareil était une combinaison d’une sphère creuse montée sur de l’eau bouillante à l’aide d’une paire de tubes.
Les tubes transportaient la vapeur générée par l’eau vers la sphère, qui faisait tourner la sphère dans un mouvement de rotation au contact. La vapeur épuisée a ensuite été expulsée à travers deux tubes situés sur l’équateur de la sphère.
L’invention de Hero n’a jamais eu d’applications pratiques, mais c’était la première fois que le monde voyait le pouvoir de la vapeur. Après la découverte de Hero, plusieurs autres scientifiques se sont appuyés sur ses travaux au fil des siècles, ce qui a finalement conduit au développement de la machine à vapeur par Thomas Savery.
Le moteur de Savery (Le camion de pompiers)
En 1698, l’ingénieur britannique Thomas Savery a breveté et développé le premier moteur à vapeur commercial. Dans ses mots, « Engine by fire », son moteur utilisait le feu pour pomper l’eau des mines. Le moteur de Savery fonctionnait en remplissant un réservoir de vapeur, puis en isolant le réservoir de la source de vapeur.
Lorsque la température dans le réservoir rempli de vapeur a chuté en raison de l’isolement, la vapeur s’est condensée, créant un vide dans le réservoir. Le vide était formé par la différence de volume entre les phases liquide et gazeuse de l’eau.
L’eau des mines s’est précipitée pour remplir le vide, et bien que le système de vide ait réussi, il ne pouvait fonctionner efficacement qu’à de faibles profondeurs. L’eau aspirée dans le réservoir était ensuite expulsée ou forcée jusqu’à 80 pieds à l’aide de la pression de la vapeur.
Malgré le fait que le moteur de Savery était moins cher et plus efficace que les chevaux, il avait un coût de vie considérable en raison des fréquentes explosions de chaudières qui se produisaient pendant les opérations. De plus, le moteur de Savery a été conçu pour des opérations intermittentes, les ingénieurs ont donc dû travailler plus fort pour rechercher un moteur capable de fonctionner en continu.
Le moteur atmosphérique de Newcomen
En 1712, Thomas Newcomen a développé une solution au moteur de Savery, qui s’appelait le moteur atmosphérique. Le moteur de Newcomen a été le premier appareil capable de transmettre une puissance continue à une machine.
Son appareil fonctionnait en condensant de la vapeur sous un piston qui créait un vide chargé de puiser l’eau par le bas. Au lieu d’utiliser une pression de vapeur excessive, Newcomen a trouvé un moyen d’utiliser une pression de vapeur égale à 1 atmosphère pour obtenir un travail continu, c’est pourquoi il est appelé moteur atmosphérique.
Le moteur atmosphérique était une amélioration significative du moteur de Savery. Les Britanniques l’utilisaient pour puiser l’eau des puits, pomper l’eau des mines et fournir de l’eau aux usines qui fonctionnaient avec des roues hydrauliques.
L’appareil est resté incontesté pendant environ 50 ans, mais son principal défaut était qu’il consommait trop de vapeur pour réchauffer le piston pendant chaque course de chauffage et de refroidissement. Ce processus était extrêmement inutile et inefficace, ce qui a conduit au développement du moteur Watt.
Le moteur de Watt
En 1765, James Watt, un ingénieur écossais travaillant à l’Université de Glasgow, a été chargé de réparer un modèle à l’échelle de laboratoire du moteur du Newcomen. Les modèles à petite échelle étaient efficaces, mais les modèles à grande échelle consommaient trop de vapeur et s’arrêtaient généralement de fonctionner après quelques coups.
En étudiant le moteur, Watt a découvert que le problème était dû à une chaudière sous-dimensionnée qui ne pouvait pas fournir suffisamment de vapeur pour réchauffer le cylindre pendant ses sessions de chauffage et de refroidissement.
Après une série d’expériences, il a découvert que l’introduction d’un condenseur séparé résoudrait le problème de la consommation excessive de vapeur, permettant au cylindre de rester constamment chaud. Cette découverte était révolutionnaire, mais il n’a pas pu la mettre en œuvre pour des raisons financières.
Les années ont passé, mais Watt n’était toujours pas près de mettre en œuvre sa découverte dans une machine à vapeur pleinement fonctionnelle. Néanmoins, il continua son travail sur la machine en attendant qu’une aubaine se présente.
Ce n’est qu’en 1775, 10 ans après sa découverte, qu’il a finalement obtenu sa percée indispensable sous la forme d’un partenariat avec Mathew Boulton. Leur partenariat a conduit à la naissance du moteur atmosphérique Watt, souvent appelé moteur Watt-Boulton.
Comme le moteur de Newcomen, le moteur de Watt fonctionnait sur le principe de la différence de pression mais différait en ce que le cylindre du moteur de Watt restait chaud à tout moment. Cette amélioration a considérablement augmenté l’efficacité du moteur et l’a rendu acceptable dans d’autres usines en dehors du secteur minier.
Le développement du moteur atmosphérique de Watt a ouvert la voie à la révolution industrielle. La révolution industrielle était une ère motivée par l’idée de remplacer le travail humain par des machines plus efficaces et plus rentables à long terme.
Cette ère a été facilitée par deux développements cruciaux : Partenariat d’ingénierie entre Watt et Boulton et le développement ultérieur du nouveau moteur atmosphérique amélioré de Watt. Le moteur de Watt permettait aux usines d’être situées loin des têtes de rivière, comme cela se faisait dans le passé. Et au début du 19e siècle, le moteur a vu des applications dans différents secteurs, y compris l’exploitation minière, l’agriculture et les usines textiles, où les travailleurs l’ont utilisé pour alimenter de grosses machines.
Développement de Trevithick
D’autres améliorations apportées à la machine à vapeur par Trevithick en 1803 ont vu son application transcender dans le secteur des transports. Trevithick a développé un appareil connu sous le nom de moteur à haute pression qui utilisait de la vapeur à haute pression pour fournir de l’énergie pour un travail utile.
Son travail a facilité la fabrication de moteurs plus petits qui ont ensuite été adaptés à différents modes de transport. Vers le milieu du 19e siècle, les bateaux, les trains et les wagons de route fonctionnaient tous sur des moteurs à vapeur.
Cette amélioration signifiait que les récoltes pouvaient être transportées de la zone de production vers différentes parties du monde dans un délai plus court. L’intégration de la locomotive à vapeur dans les trains a également réduit efficacement le coût et le temps de transport des personnes, des matières premières et des marchandises du site minier aux usines et des usines au marché de consommation.
La propagation de la révolution industrielle
Bien que la révolution industrielle ait commencé en Grande-Bretagne, il n’a pas fallu longtemps pour que le reste de l’Europe et les États-Unis rattrapent leur retard. Aux États-Unis, la machine à vapeur a favorisé l’ère de l’expansion vers l’ouest. Cela a conduit au développement de chemins de fer, de bateaux à vapeur et de diverses entreprises manufacturières responsables de la transformation de l’économie américaine.
Un autre facteur qui a conduit à l’industrialisation rapide du monde était les partenariats. Le partenariat de Watts avec Boulton était un partenariat d’ingénierie et de construction de moteurs chargé de résoudre divers problèmes de fabrication et de partager des solutions avec d’autres sociétés.
Assez rapidement, d’autres entreprises ont emboîté le pas et ont commencé à rechercher et à partager des informations. La collaboration généralisée entre les entreprises a remarquablement réduit le temps nécessaire pour résoudre les problèmes et développer les équipements et les biens nécessaires pour stimuler le progrès de la société.
Avancer
En route vers la fin du 19e siècle, les ingénieurs ont commencé à développer des moyens d’améliorer l’efficacité du moteur à vapeur. La machine à vapeur faisait le travail, mais son efficacité n’était que d’environ 30 %.
En 1884, la turbine à vapeur a été inventé, ce qui a éliminé le besoin d’une manivelle et d’un volant d’inertie tout en augmentant considérablement la puissance et l’efficacité de la puissance de la vapeur. Suite au développement de la turbine à vapeur, le moteur à combustion interne a été développé et adopté plus tard comme un moyen meilleur et efficace d’alimenter les machines et les véhicules en marche.
L’adoption du moteur à combustion interne a lentement commencé à éliminer les moteurs à vapeur. Vers le milieu du 20e siècle, la plupart des usines et des véhicules étaient propulsés par des moteurs à combustion interne.
De nos jours, même si les moteurs à vapeur tels que nous les connaissons ne sont plus utilisés dans la plupart des régions du monde, la puissance de la vapeur a encore diverses applications dans les industries, en particulier dans la production d’électricité.
Les centrales géothermiques et nucléaires utilisent respectivement l’énergie produite à partir de sources souterraines et de réactions de fission pour produire de la vapeur surchauffée, qui est utilisée pour faire tourner les turbines à vapeur pour produire de l’électricité.
Indépendamment des avancées technologiques qui se sont produites au fil des siècles, certaines entreprises se sont tournées vers les moteurs à vapeur comme remplacement potentiel des moteurs à combustion interne dans le but de réduire la pollution de l’air.
Sources
« Machine à vapeur. » (2021) Wikipédia. Disponible à: https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine (Consulté le 2 décembre 2021).
Bellis, M (2021). « Comment fonctionnent les machines à vapeur ? » ThoughtCo, 16 février. Disponible sur : https://www.thoughtco.com/steam-engines-history-1991933 (consulté le 3 décembre 2021)
« Révolution industrielle : machine à vapeur pour les enfants ». CanardsTechnological Solutions, Inc. (TSI), disponible sur : www.ducksters.com/history/us_1800s/steam_engine_industrial_revolution.php. (Consulté le 3 décembre 2021)
Palerme, E (2014). « Qui a inventé la machine à vapeur », Livescience, 14 mars. Disponible à: https://www.livescience.com/44186-who-invented-the-steam-engine.html (Consulté le 3 décembre 2021)
Lire, C (2013). « Brève histoire des machines à vapeur ». Disponible à: https://www.egr.msu.edu/~lira/supp/steam/
Encyclopédie du nouveau monde « Moteur à vapeur », 3 janvier. Disponible à: https://www.newworldencyclopedia.org/entry/steam_engine
