La machine à vapeur de Watt

Le récit

Une maquette à réparer

James Watt naquit en 1736 à Greenock, en Écosse, dans une famille de constructeurs de navires et de commerçants. C’était un garçon de santé fragile, qui passait beaucoup de temps à la maison, et il apprit tout seul la géométrie et la mécanique. Devenu adulte, il s’installa à Glasgow où, ne pouvant pas ouvrir de boutique parce qu’il ne faisait pas partie des corporations de la ville, il fut engagé par l’université comme fabricant d’instruments scientifiques. Il y fit la connaissance de professeurs comme Joseph Black, le chimiste qui avait étudié la chaleur, et qui devint son ami et son conseiller.

Pendant l’hiver 1763-1764, l’université lui demanda de réparer la maquette d’une machine de Newcomen, qui servait aux cours de physique. Watt la remit en état, mais il remarqua une chose étrange : la petite maquette consommait énormément de vapeur, bien plus qu’il ne paraissait nécessaire. Pourquoi ? Il étudia le problème avec beaucoup de soin, en mesurant et en faisant des essais.

L’idée du condenseur

Il comprit ainsi que le défaut venait de la façon dont la machine travaillait. Dans les machines de Newcomen, la vapeur entrait dans le cylindre puis, pour créer le vide, elle était refroidie par un jet d’eau froide ; à chaque coup, il fallait réchauffer le cylindre, ce qui consommait une grande quantité de vapeur et de charbon. C’était comme si, pour faire un voyage en voiture, on devait chaque fois réchauffer un moteur froid.

Un jour de printemps 1765, alors qu’il se promenait à Glasgow Green, une grande prairie de la ville, l’idée lui vint : pourquoi ne pas faire condenser la vapeur dans un récipient séparé, toujours maintenu froid, en laissant le cylindre toujours chaud ? La vapeur passerait du cylindre au condenseur, où elle se transformerait en eau et créerait le vide, sans refroidir le cylindre. C’était une solution simple et géniale.

De l’idée à la machine

Avoir l’idée était une chose, construire une machine qui fonctionne en était une autre : pour les détails, il fallut des années de travail et d’échecs. Un entrepreneur, John Roebuck, finança les premiers essais, et en janvier 1769 Watt obtint le brevet pour sa « nouvelle méthode pour réduire la consommation de vapeur et de combustible dans les machines à feu ». Mais Roebuck fit faillite, et Watt dut trouver un autre associé.

Il le trouva en 1775 en la personne de Matthew Boulton, un industriel de Birmingham, propriétaire d’une grande usine, la Soho Manufactory. Boulton crut au projet et apporta de l’argent, des ateliers et des ouvriers, et ensemble ils fondèrent la « Boulton & Watt ». Une autre aide décisive vint de John Wilkinson, qui avait inventé une machine pour forer les canons avec précision : il pouvait construire des cylindres parfaitement lisses, indispensables pour que la vapeur ne s’échappe pas.

La première machine de Watt pour un client, en 1776, pompait l’eau d’une mine de charbon. Elle fonctionnait avec moins d’un tiers du charbon d’une machine de Newcomen, et ce fut un succès. Pour se faire payer, Boulton et Watt ne vendaient pas la machine, mais faisaient payer aux clients un tiers de ce qu’ils économisaient en charbon.

De la pompe à l’usine

Watt ne s’arrêta pas là. Les premières machines servaient seulement à pomper l’eau, avec un mouvement de haut en bas. Mais les propriétaires d’usines voulaient aussi faire tourner des roues et des machines. Grâce à quelques systèmes ingénieux, comme les engrenages appelés « soleil et planète » (1781), il transforma le mouvement alternatif en mouvement de rotation, et rendit la machine « à double effet », c’est-à-dire capable de pousser le piston dans les deux sens. Il inventa un régulateur à boules tournantes, qui maintenait automatiquement une vitesse constante (1788).

Ainsi, les machines à vapeur purent actionner des métiers à filer, des métiers à tisser, des moulins, des marteaux-pilons et des pompes, même loin des rivières et des cascades. En 1800, la Boulton & Watt en avait construit environ cinq cents. Pour expliquer aux clients la puissance d’une machine, Watt inventa une unité de mesure : le « cheval-vapeur », défini en comparant sa force à celle des chevaux qui travaillaient dans les mines.