La machine à vapeur

Dès 1687, le savant français Denis Papin songe à utiliser la force d’expansion de la vapeur. En 1698, l’Anglais Thomas Savery dépose un brevet sur une pompe destinée à l’exploitation minière de charbon et qui doit permettre de vider l’eau présente dans les galeries souterraines.
La première véritable machine à vapeur est mise au point par un autre britannique, Thomas Newcomen. En association avec Savery, ils améliorent le dispositif créé par celui-ci. Ils utilisent également les travaux de Denis Papin pour concevoir un système de moteur atmosphérique qui sera utilisé une première fois en 1712 dans les mines de charbon près de Dudley, dans le centre de l’Angleterre. Ces pompes deviennent rapidement courantes dans toutes les mines de l’Europe mais elles demeurent très coûteuses à l’emploi.

Les transformations techniques de l’époque sont dues à des besoins pratiques et aux nécessités de l’économie. La révolution industrielle naît en Angleterre au 18^e siècle, sur la base de l’exploitation du charbon. La production augmente considérablement, mais il est nécessaire, pour satisfaire les besoins, d’exploiter encore plus efficacement et plus profondément les galeries. Savery et Newcomen cherchent donc à mettre au point de nouvelles techniques car le contexte réclame ces innovations.
C’est l’Écossais James Watt qui, dans la seconde moitié du 18^e siècle, apporte à la machine à vapeur les perfectionnements nécessaires qui vont lui permettre de jouer un rôle décisif dans l’évolution du processus de révolution industrielle.

Les machines à vapeur de Savery ou Newcomen posent un réel problème de rendement, c'est-à-dire que sur un temps donné, le volume d’extraction est faible. Elles posent également un problème de continuité dans le mouvement. Au bout de quelques cycles de fonctionnement, les machines s’arrêtent, il faut péniblement les remettre en marche.

Afin d’améliorer la puissance et la régularité de la machine, l’ingénieur écossais James Watt (1736-1819) a l’idée de transformer ces premières inventions. Il y ajoute un volant qui a pour but de réguler la vitesse de fonctionnement. Si la machine tourne trop vite, le volant se met en rotation plus rapidement et accumule ainsi une partie de l’énergie. Cependant, il ne permet pas de réaliser à lui seul une vitesse uniforme de la machine ; c’est pour cela que Watt va y ajouter un régulateur. Ce régulateur est un dispositif permettant à l’appareil de régler la vitesse de rotation. Il rajoute également un balancier, système ingénieux qui permet de transformer le mouvement de translation du piston en un mouvement de rotation, pour faire tourner un arbre moteur par exemple. James Watt complète le dispositif avec un condenseur externe qui va permettre de recondenser la vapeur sans refroidir les parois du cylindre, et en dernier lieu, il met au point le cylindre à double action où la vapeur entraine le piston lors de sa montée et sa descente. La puissance de la machine en est fortement augmentée.

Doc. La machine de Watt

En 1769, il dépose un premier brevet pour cette nouvelle machine. Il s’associe à l’industriel Matthew Boulton pour le fabriquer à grande échelle. L’association entre Watt et Boulton s’avère avantageuse pour les deux hommes. Ils partagent la même curiosité pour les sciences, ont le même esprit d’entreprise. Grâce à Matthew Boulton, la commercialisation des machines débute en 1775. Les deux hommes en écouleront près de 600 au Royaume-Uni. Ces nouvelles techniques vont offrir d’incroyables potentialités et vont bouleverser les modes de production ou de transports.

Les relations de Matthew Boulton dans le milieu politique permettent à Watt d’obtenir la prolongation de son brevet sur la machine à vapeur, ce qui leur assure un monopole juteux jusqu’en 1800. Une fois le marché britannique équipé, la firme Boulton & Watt se lance à la recherche de nouveaux débouchés à l’étranger. La demande est très forte pour créer de l’énergie dans les fabriques en plein essor ; la machine à vapeur y remplace les roues à aube, celles-ci fonctionnent grâce à l’énergie hydraulique. La machine trouve également une application pour frapper les monnaies. Ainsi le neveu de Boulton dirige l’assemblage de la première machine à vapeur à la Monnaie de Saint-Pétersbourg en 1802.

Watt et Boulton sont amenés à jouer un rôle d’experts dans l’application de la vapeur à des fins industrielles. Grâce à une technique de vente très efficace, ils deviennent rapidement leaders dans leur domaine et font de la machine à vapeur le fer de lance de l’industrialisation qui débute en Europe.
Les applications de la machine à vapeur sont nombreuses. Elle devient le moteur des usines. Dans les filatures et tissages, elle actionne les métiers à tisser, dans les forges elle permet d’actionner d’énormes marteaux-pilons. Les applications se multiplient également dans le domaine des transports. Entre 1763 et 1769 l’ingénieur militaire Cugnot réalise un fardier, c'est-à-dire une voiture portant de lourds fardeaux. Celle-ci est alimentée par une machine de Newcomen qui a été perfectionnée. Les bateaux à vapeur voient leur nombre croître également. Mais c’est surtout le chemin de fer qui va bénéficier de ces inventions. La première locomotive à vapeur est mise en marche en Angleterre par Richard Trevithick en 1804. Elle atteint alors la vitesse de 8km/h.