Machine à vapeur - Définition
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Introduction
La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe. Il transforme l'énergie thermique que possède la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudières en énergie mécanique.
Comme première source d'énergie mécanique constructible et maîtrisable par l'Homme (contrairement à l'énergie de l'eau, des marées ou du vent, qui nécessitent des sites spéciaux et que l'on ne peut actionner facilement à la demande), elle a eu une importance majeure lors de la Révolution industrielle. Mais au XXe siècle, la machine à vapeur « alternative » a été supplantée par la turbine à vapeur. Le moteur électrique et le moteur à combustion interne l'ont aussi remplacée dans la mise à disposition d'énergie mécanique.
Maquette recto se trouvant au Bois du Cazier | 
Maquette verso se trouvant au Bois du Cazier |  Machine à vapeur : le mouvement de la biellette qui relie le régulateur centrifuge au papillon d'admission de vapeur est montré ici en mouvement continu. Dans la réalité, la biellette n'est activée que lorsque la machine accélère ou ralentit. |
Histoire
Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent à l'Antiquité : Héron d'Alexandrie conçut et construisit au Ier siècle ap. J.-C. l'éolipyle qui, bien que considérée comme un jouet du fait de sa faible puissance, n'en était pas moins un moteur à vapeur, à réaction.
En 1543, dans le port de Barcelone, un navigateur et inventeur espagnol, Blasco de Garay fit sous les yeux de nombreux hauts personnages, dont Charles Quint, la démonstration d'un bateau mû par la vapeur d'un chaudron et des roues à aubes, mais il semble que ses nombreuses inventions n'ont pas eu de suite. Comme il a gardé secret son procédé, on ne connaît pas le mécanisme exact de son fonctionnement.
Il fallut attendre le XVIIe siècle pour que réapparaisse l'idée d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau. En 1601, Giambattista della Porta, puis en 1615, Salomon de Caus, décrivent une pompe capable de chasser l'eau d'un récipient. En 1629, Giovanni Branca suggère l'idée de moulins mus par la vapeur et, l'année suivante, David Ramseye obtient un brevet pour une pompe mue par un moteur à feu. En 1663 Edward Somerset améliore le projet de Caus en équipant la chambre à vapeur d'un refroidisseur, il construit un modèle de grande taille, mais meurt avant d'avoir pu appliquer pratiquement sa création.
En 1668, le jésuite flamand Ferdinand Verbiest décrit dans son livre le premier véhicule terrestre mû par un jet de vapeur et une roue à aubes.
En 1698, Thomas Savery dépose un brevet sur une pompe destinée à l'exploitation minière, fonctionnant à la vapeur, directement inspirée des travaux de Edward Somerset. Par la suite, il la perfectionne en collaboration avec Thomas Newcomen, grâce, entre autres, aux travaux du Français Denis Papin. Ce dernier, après avoir inventé un prototype d'autocuiseur, avait eu l'idée du piston, donnant ainsi accès à des puissances insoupçonnées jusqu'alors. Un premier modèle commercial fut utilisé dès 1712 dans les mines de charbon, près de Dudley, dans le centre de l'Angleterre. Ces pompes fonctionnaient en produisant un vide dans une chambre fermée où l'on fait se condenser de la vapeur, grâce à un jet d'eau. Les vannes d'admission et d'échappement, d'abord à commande manuelle, sont automatisées par Henry Beighton, en 1718. Ces pompes deviennent rapidement courantes dans toutes les mines humides de l'Europe. Elles restent cependant très coûteuses à l'emploi, car le cylindre doit être réchauffé avant chaque admission de vapeur.
L'Écossais James Watt (1736-1819) répare un moteur Newcomen en 1763 : il cherche alors des idées d'amélioration pour en augmenter l'efficacité. Ses réflexions débouchent en 1765 sur l'idée d'une chambre de condensation pour la vapeur séparée par une valve, idée sur laquelle il dépose un brevet en 1769. Il commence alors à produire des moteurs améliorés avec le financement de Matthew Boulton.
Il continue en parallèle à chercher des idées sur et autour de son invention. En 1781 il met au point le système mécanique permettant de créer un mouvement de rotation à partir du mouvement rectiligne du piston, ce qui lui permet ensuite de concevoir le cylindre à double action où la vapeur entraîne le piston, lors de sa montée et de sa descente. La puissance de la machine en est fortement augmentée.
Il formalise aussi une utilisation possible en 1784 en déposant un brevet sur une locomotive à vapeur, invente un indicateur de pression de la vapeur dans le cylindre, et, en 1788, une valve de puissance sur laquelle il utilise ensuite l'idée de Boulton d'employer un régulateur centrifuge pour rendre la vitesse constante indépendamment des variations de la production de vapeur et des sollicitations de puissance en sortie. Il introduit aussi une nouvelle unité de mesure de la puissance, le cheval vapeur.
Certains lui reprochent d'avoir freiné le développement des systèmes à haute pression fonctionnant par l'expansion de la vapeur auxquels il ne croyait pas, mais prônés par d'autres inventeurs comme Jonathan Hornblower, qui durent attendre l'expiration des brevets en 1800, après leur prolongation en 1782. Ce dernier mit au point, en 1781, un double cylindre combiné où la vapeur passe d'abord dans un cylindre dans lequel elle pousse le piston avant de passer dans un cylindre fonctionnant selon le principe de la condensation qui équivaut à un système à double action. Mais son invention reste expérimentale, sans application possible du fait des brevets de Watt, et il faut attendre 1803 et Arthur Woolf pour la voir émerger enfin. Combiné à un nouveau type de condenseur conçu par Edmund Cartwright qui enveloppe le cylindre et l'apparition des chaudières produisant de la vapeur à haute pression, cela va permettre la fabrication de machines compactes et puissantes, nécessaires à une utilisation mobile.
