- 1 L’entrée « machine à vapeur » de l’Encyclopaedia Universalis (http://www.universalis.fr/encyclopedi (...)
- 2 Edgerton David, Pestre Dominique, « De l’innovation aux usages. Dix thèses éclectiques sur l’histoi (...)
- 3 L’Académie royale des sciences doit examiner les machines, suivant l’article XXXI du règlement de 1 (...)
1C’est entendu pour tout le monde, la machine à vapeur a été inventée par Watt1. Tout au plus, chez les Français en particulier, toujours fiers d’être les premiers, mentionne-t-on Denis Papin comme précurseur. Les Anglais ont le leur, Thomas Savery, et il faut bien convenir que les machines de Savery ont eu plus de succès que celles de Papin. Mais est-ce si simple, voire si simpliste ? Entre les premiers essais de Denis Papin à la fin du XVIIe siècle et les premières machines de Watt dans le dernier quart du XVIIIe, il s’écoule près un siècle. Il ne faut donc pas confondre histoire d’une technique et date d’une invention. Cet article illustre la difficulté de réellement « dater » une invention, ce que souligne David Edgerton dans son article « Dix thèses éclectiques sur l’histoire des techniques2 » en distinguant histoire des inventions et histoire des techniques en usage. Pour cela nous suivrons différentes inventions de « machines à vapeur » au XVIIIe siècle en France, à travers leur examen par les commissaires désignés par l’Académie royale des sciences. Il ne s’agit pas de refaire, à nouveaux frais une histoire de la machine à vapeur, mais d’éclairer, à travers des procédures d’examen et d’approbation des « machines nouvelles3 », les hésitations techniques, les bifurcations, la maturation d’une invention. Nous voulons également mettre en valeur dans ces processus, la progressive évolution du régime de la pensée opératoire au sein de l’Académie royale des sciences.
- 4 Par ce mot nous entendons une utilisation de machines reproductibles, insérées dans un contexte éco (...)
2En France, au XVIIIe siècle l’Académie Royale des Sciences est un « point de passage obligé » pour toute invention de machine, en particulier si l’inventeur souhaite la mettre en exploitation en bénéficiant de la protection du privilège exclusif, ancêtre du brevet d’invention. Entre 1699 et 1750 plusieurs inventeurs présentent des machines à vapeur, soit du type « Savery », soit du type « Newcomen ». Nous savons aujourd’hui que seul ce dernier type a été utilisé « industriellement4 ». Il se trouve que nous disposons de sources permettant de suivre le déroulement du processus technico-juridique aboutissant à l’attribution d’un tel privilège pour une machine de Newcomen. Mais nous disposons également de sources montrant que plusieurs inventeurs vont tenter, soit d’obtenir le privilège pour une machine identique, soit de proposer d’autres types de machine, plutôt du type Savery.
- 5 Les lecteurs qui sont trop allergiques aux détails techniques pourront sauter cette partie mais il (...)
3Pour découvrir cette maturation de l’invention de la machine à vapeur sur plusieurs dizaines d’années, il nous faut en première partie comprendre les principes de fonctionnement de ces diverses machines5. Dans une seconde partie nous analyserons la présentation à l’Académie royale des sciences d’une machine à vapeur du type Newcomen, depuis l’examen technique par les commissaires jusqu’à l’obtention du privilège exclusif. Cette machine ne s’impose pas définitivement, des inventeurs continuent de présenter des machines du type Savery, techniquement antérieures à celle de Newcomen, ou bien imaginent des utilisations problématiques. Ces différentes « inventions » feront l’objet de la troisième partie. Dans une quatrième partie conclusive, après avoir rendu compte des améliorations décisives qu’apporte Watt à la machine de Newcomen, nous pourrons nous interroger à la fois sur l’autonomie des techniques et sur leur nécessaires interactions avec les contraintes de l’environnement technique et avec les contraintes économiques.
- 6 Une copie de ce brevet se trouve aux archives de l’Académie des sciences, pochette de séance de l’a (...)
4Au XVIIIe siècle, l’idée d’utiliser la vapeur comme source d’énergie était, si l’on peut dire, une idée « en l’air ». Les premiers essais de Denis Papin, qui a l’idée du piston, ne réussissent guère. La première machine ayant réellement été employée est la machine de Thomas Savery qui dépose un brevet en 16966. Dans cette machine (voire figure 2), la vapeur agit directement sur l’eau, pour la refouler, sans actionner une pompe mais en utilisant la condensation de la vapeur pour aspirer l’eau à puiser.
5Cette machine présente deux difficultés majeures : la hauteur d’aspiration ne peut dépasser 10 mètres, la pompe étant complètement solidaire de la machine à vapeur, fait qu’on ne peut la situer plus profondément dans la mine et le refoulement à quelques dizaines de mètres nécessite des pressions de plusieurs atmosphères que les joints et tuyauteries de l’époque supportent assez mal, vu la température de la vapeur sous pression. En fait Savery va combiner ses idées à celles de Thomas Newcomen pour aboutir en 1712 à la première machine opérationnelle.
- 7 Histoire de l’Académie Royale des Sciences avec les mémoires de mathématique et de physique titrés (...)
- 8 Le produit de la pression par le volume du gaz est constant (à une température donnée).
6Les 20 et 24 juin 1699, Amontons présente à l’Académie un mémoire7 sur le « Moyen de substituer commodément l’action du feu à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines ». Il n’y a pas de description précise d’une machine dans ce mémoire mais des considérations plus générales sur les ordres de grandeur des forces que l’on pourrait déployer avec une « machine à feu ». Il analyse les problèmes liés à la compression de la vapeur d’eau selon la température et reprend la loi de Mariotte (PV = k)8. Sans nous attarder sur les différentes expériences dont il rend compte, il mesure par exemple la pression accessible avec la vapeur d’eau obtenue par ébullition de l’eau, ce sont des considérations de « thermodynamique » avant l’invention de ce mot naturellement.
- 9 Le cheval-vapeur est une unité « empirique », définie par James Watt pour exprimer la puissance d’u (...)
7Dans la partie suivante, Amontons compare le travail effectué par 5 hommes poussant un cabestan pour faire mouvoir une machine au travail effectué par 4 chevaux dont il calcule le coût d’utilisation total (nourriture, valets d’écurie). Il arrive au résultat d’une « puissance » (on dirait aujourd’hui « travail ») de 60 livres sur une lieue en une heure (à peu près 30x4000/3600 = 33 kgm par seconde, qui correspondent dans notre système actuel à 330 watt, soit environ 0,4 cheval-vapeur9). En raisonnant sur le travail des ouvriers polisseurs de miroirs, il arrive à une puissance égale au 1/6 de celle d’un cheval. Notons que sans utiliser les notations et les unités contemporaines, il raisonne correctement sur le produit de la force multipliée par le déplacement et divisée par le temps, et poursuit avec des considérations sur les frottements que nous laisserons de côté. Il arrive enfin à la description d’une machine, un « moulin à feu » mu « simplement » par la dilatation de l’air chauffé (voir figure 1), une machine « imaginaire » qui lui permet, par une suite de calculs, d’affirmer que, conceptuellement, une telle machine pourrait être l’équivalent de 39 « chevaux » qui n’auraient pas besoin de se reposer ou d’être nourris. Avec pour seule contrainte d’installation, la proximité du combustible.
8Que retenir de ce mémoire ? Qu’il s’agit d’une tentative de justification théorique, scientifique autrement dit, de la possibilité d’obtenir une source d’énergie10 l’aide de la chaleur. Même si le montage paraît bien difficile à réaliser, et d’ailleurs Amontons ne prétend pas le faire, et même si les calculs ne sont pas tous reproductibles, il y a là une conceptualisation qui ne peut qu’encourager les praticiens à rechercher des solutions plus concrètes afin d’utiliser le feu comme source d’énergie, la chaleur, dirions-nous.
Figure 1 : Machine d’Amontons
Source : MARS 1669, p. 123
- 11 Hauteur accessible avec les techniques de l’époque mais ici la pression n’est plus celle de la vape (...)
9La machine n’agit pas directement comme pompe mais entraine une vraie pompe que l’on peut placer dans la mine et qui peut refouler l’eau sur environ 50 mètres11 de hauteur. Rien n’empêche de placer plusieurs pompes à des hauteurs différentes pour puiser l’eau plus profondément. C’est une machine dite « atmosphérique », la force agissante étant obtenue par la pression atmosphérique refoulant un piston (voir figure 3).
10Le principe de fonctionnement est simple : la vapeur produite par l’ébullition de l’eau dans la chaudière (A) entre dans le cylindre (B) et repousse le piston (D) vers le haut, la soupape (C) est alors fermée et de l’eau froide est injectée (soupape P). Le refroidissement de la vapeur, sa condensation et donc sa diminution de volume conduisent à une dépression (presque le vide) dans le cylindre. La pression atmosphérique agissant sur le piston fournit alors le travail moteur qui entraine la pompe refoulant l’eau. Le mouvement ascendant du piston a permis l’aspiration dans le corps de pompe qui n’est pas représenté.
11Dès l’invention, des machines de ce type sont installées en Angleterre pour pomper l’eau des mines, et en particulier des mines de charbon. Elles sont économiques : le combustible est sur place et on peut brûler du charbon de médiocre qualité. La machine ne supporte pas des pressions trop élevées. Dans ses débuts, le fonctionnement était manuel, un ouvrier ouvrant et fermant alternativement les soupapes. Ce fonctionnement a été assez rapidement automatisé et la machine de Newcomen peut être considérée comme la première machine réellement industrielle. Pour la première fois, la machine est clairement séparée de la pompe qu’elle entraîne alors que dans les machines de Papin ou de Savery, il n’y a pas de séparation nette entre le piston de la machine et le piston de la pompe. Ils sont confondus chez Papin. Chez Savery c’est la vapeur elle-même qui agit comme piston pour refouler l’eau.
12Ce sont deux Anglais, Meyer et John May, qui ont introduit les premières machines de Newcomen en France. Il est possible de suivre les étapes qui vont de la première expertise académique à l’attribution du privilège.
13L’affaire commence le 31 janvier 1725 :
- 12 Archives de l’Académie des sciences, registre de séance du 31 janvier 1725 page 56 de la version nu (...)
« Mr de Morville ayant renvoyé à l’Académie une machine dont on se sert en Angleterre pour élever l’eau par le moyen du feu, on a nommé pour l’examiner Mrs Donsenbray et Réaumur »12.
- 13 René-Antoine Ferchaut de Réaumur, académicien de 1708 à 1757, titulaire de 157 commissions entre 17 (...)
- 14 Louis-Léon Pajot d’Ons-en-Bray, académicien honoraire de 1716 à 1754, titulaire de 68 commissions e (...)
- 15 AADS, R 11 mai 1726, 336, les citations suivantes sont extraites de ce compte rendu.
- 16 Naegel Paul, La question du privilège en France pour la machine de Watt, 2010, disponible sur HAL S (...)
- 17 Ce serait l’origine de la rue de la Pompe à Passy dans le 16e arrondissement de Paris
14L’examen des inventions sur demande de l’administration est une des obligations du règlement de 1699. L’examen technique d’une invention par l’Académie, s’il est demandé par l’administration, est indispensable en effet, pour permettre à un inventeur d’obtenir le privilège exclusif d’exploitation commerciale de son invention, en particulier pour une machine très novatrice. Il n’est pas clair que la demande de privilège ait été déjà formulée en 1725, le registre ne mentionnant que le renvoi « d’une machine dont on se sert en Angleterre pour élever l’eau ». Ici, la demande est transmise par Morville, secrétaire d’État aux affaires étrangères, les demandeurs de privilège n’étant pas régnicoles. Deux académiciens sont nommés afin de l’examiner et d’en rendre compte à l’Académie qui fera sien l’avis des commissaires en l’inscrivant dans les registres. Réaumur13 et Donsenbray14 sont très souvent titulaires de commissions d’examen. L’examen a pris du temps, presque 18 mois. C’est en séance du 11 mai 1726, que le compte rendu est lu15. On le trouvera in extenso en annexe 1. Le délai anormalement long entre la demande et le compte rendu, de janvier 1725 à mai 1726 laisserait penser que la construction n’était pas achevée. Cette première machine, selon Paul Naegel16, a été installée à Passy dans les jardins du marquis de Bully17 et elle était opérationnelle en mai 1726, date du compte-rendu.
- 18 Les dimensions de la machine du musée des sciences et techniques de Londres ne sont pas nécessairem (...)
15Les académiciens examinent donc une machine installée, contrairement à l’examen de nombreuses inventions de machines qui se font sur des maquettes. Les commissaires sont allés examiner la machine sur place à Passy, et ils ont même pu en suivre l’installation. Dans une première partie du compte-rendu, ils en donnent une description avec les différentes dimensions significatives. D’abord statique, cette description commence par les pompes actionnées par la machine (la distinction entre la machine et les pompes proprement dite n’est pas marquée, on a longtemps parlé de « pompe à feu »). Les dimensions de la machine sont considérables, près de 7,7 m pour le levier et 0,64 m de diamètre pour le cylindre (voir figure 4 et 5)18. Le fonctionnement dynamique est ensuite abordé, le principe en est bien compris :
« Au-dessous de ce dernier tuyau est une grande chaudière remplie en partie d’eau. Du feu entretenu au dessous de cette chaudière dans un fourneau, fait continuellement bouillir l’eau qui fournit une vapeur d’où dépend tout l’effet de la machine. »
Figure 4 : Machine de Newcomen
Source : photographie personnelle prise au Science and Technology Museum de Londres en février 2014
Figure 5 : Machine de Newcomen
Source : photographie personnelle prise au Science and Technology Museum de Londres en février 2014
16Au mouvement ascendant du piston de la machine correspond le mouvement descendant des pistons des pompes et la montée du levier du côté du cylindre de la machine. Les commissaires ont bien observé que la vapeur ne fournissait pas une force importante et que la force nécessaire à la remontée des pistons des pompes qui refoulent l’eau était produite par la pression atmosphérique agissant sur le piston, du fait du vide créé dans le cylindre par l’injection d’eau froide provoquant la condensation de la vapeur :
« C’est dans l’instant suivant que la grande force doit agir lorsque les pistons seront à leur tour élevés de cinq pieds et demi dans leurs corps de pompe avec l’eau qu’ils doivent verser. Ce n’est pas la vapeur qui va produire ce second effet, il est dû à la pression de l’atmosphère. »
- 19 La pression atmosphérique a longtemps été exprimée en « mm de mercure », 28 pouces français corresp (...)
- 20 Dans le système légal d’unité (SI) cette force devrait être exprimée en newtons, nous gardons sa va (...)
17Le rapport des volumes de l’eau liquide et de l’eau vaporisée étant de 1 à 1 600, il est clair que le vide obtenu est suffisant pour que s’exerce la pression atmosphérique, même si la condensation n’est pas parfaite et qu’il reste de l’air et de l’eau liquide. Cela est bien noté par les commissaires qui font le seul calcul accessible, en supposant un vide parfait et donc une action parfaite de la pression atmosphérique égale à un cylindre de 28 pouces de hauteur de mercure19 agissant sur le piston de 2 pieds de diamètre, ce qui correspond à 3 300 kg20 :
« Si la condensation de la vapeur était parfaite, qu’il y eut pendant quelques instants un vrai vide dans le tuyau de fer, la force qui agirait sur son piston serait à peu près égale à un cylindre de mercure de deux pieds de diamètre et de 28 pouces de hauteur. Celle qui agit est très considérable quoiqu’elle le soit beaucoup moins. »
- 21 En unités métriques.
- 22 Suivant la définition du Dictionnaire du Commerce de Jacques Savary des Brûlons
- 23 Cf. Garçon Anne-Françoise, « The three states of technology. An historical approach to a though reg (...)
- 24 Il va de soi que ces définitions « à la hache » n’épuisent pas les distinctions nécessaires mais el (...)
18Après observation et description, le compte-rendu aborde le calcul des effets de la machine, calcul du débit d’abord en fonction des dimensions des pompes et de la cadence, le débit total calculé21 est alors de 3 985 litres à la minute. La consommation de bois est identifiée comme un problème, celle qui est citée, cinq voyes de bois, pourrait valoir22 environ 2 m3. On voit bien que l’examen est fait dans un régime technique de pensée opératoire, voire technologique. Nous utilisons ici les distinctions introduites par A.-F. Garçon23 sur les différents régimes de la pensée opératoire, de la pensée toujours présente dans une technique. Ces régimes se superposent tout en se succédant et il n’est pas dans notre propos de détailler le travail d’A.-F. Garçon. Retenons simplement des caractéristiques très tranchées permettant de comprendre cette distinction. Le régime de la pratique pourrait alors être caractérisé par l’oralité de la transmission et l’imitation des gestes et des pratiques, le régime de la technique par l’utilisation de l’écrit pour la transmission et l’explicitation des diverses opérations techniques, le régime de la technologie par la rationalisation des opérations techniques, leur mathématisation et l’interaction avec la science24.
- 25 Le dossier de la demande se trouve dans la pochette de séance (PS) de l’année 1726, conservée aux a (...)
19Après réception du compte rendu, le Bureau du commerce, en charge de l’attribution des privilèges, transmet à l’Académie la demande du seul John May25. Le Bureau considère que l’attribution du privilège est possible mais sous certaines conditions, celle en particulier de fixer le prix des machines en fonction du débit d’eau que la machine peut fournir à une hauteur donnée. Et il demande aux commissaires chargés de l’examen de définir ce prix. De plus, dans la demande très détaillée de May, il se trouve plusieurs conditions très restrictives qui bloquent toute évolution ou amélioration de la machine :
- 26 AADS, PS 1726. Sauf mention contraire les citations de ce paragraphe seront issues des documents de (...)
« Ces termes me paraissent trop étendus et il serait peut-être à craindre que l’on ne gênât par une pareille clause, contre l’intention du Roi, l’industrie de ceux qui pourraient inventer des machines propres à élever des eaux lesquelles, quoique sur les mêmes principes, pourraient cependant être différentes de celle du Sr. May »26.
20Souci de ne pas bloquer les améliorations ou de permettre la copie par des Français ? Les échanges de correspondance entre l’Académie et le Bureau du commerce montrent qu’effectivement cette dernière préoccupation est bien présente.
- 27 Le texte complet se trouve en annexe 2.
21La demande se présente en trois parties27. D’abord une partie juridique. À l’évidence May s’est fait assister d’un juriste français. La rédaction du privilège est complète, le Roi n’a plus qu’à signer ! Dans une deuxième partie, que l’on pourrait qualifier « d’annexe technique », le projet définit les débits obtenus en fonction des diamètres des pompes et des hauteurs d’eau à élever. Cette partie se présente sous forme d’un tableau numérique. Enfin la troisième partie donne les conditions financières et l’engagement de service :
« Le Sr. May et ses associés fourniront des machines pour élever des eaux pour la ville de Paris et autres grandes villes du royaume, depuis vingt pieds de hauteur, jusqu’à cent pieds, à prendre au dessus des basses eaux des rivières et autres sources. Ils entretiendront les machines de tous leurs mouvements et fourniront un conducteur pour gouverner les machines pendant l’espace de cinquante années que durera le privilège après lesquelles les dites machines resteront aux villes, moyennant une rente annuelle par pouce et par ligne élevées aux différentes hauteurs suivant le tarif ci-après. »
22Les engagements réciproques de May et de ses associés d’une part, de leurs clients, villes ou particuliers, d’autre part, sont ensuite détaillés. Ainsi on prévoit que la ville construise les bâtiments et qu’elle fournisse les ouvriers, charge au fournisseur de les encadrer :
« […] les intéressés au privilège ne fournissant que la machine avec tous ses mouvements et fourneau, le conducteur et l’entretien. »
23Et pour les particuliers qui ont un tarif spécial :
« Le dit Sr. May et ses associés n’entretiendront pas les machines mais fourniront un homme intelligent pendant trois mois après que la machine aura été posée pour dresser et instruire les hommes que les particuliers destineront à la conduite, à condition de payer le voyage et le séjour de l’homme qui sera envoyé, par les intéressés au privilège. »
- 28 On voudra bien pardonner cette expression un peu triviale mais couramment utilisée dans l’industrie (...)
- 29 AADS, R 1727, p. 450. Les citations suivantes sauf mention contraires sont tirées du registre de sé (...)
24Ce document nous semble très actuel, c’est un contrat « bien bouclé28 ». La réaction du Bureau du commerce est compréhensible : il convient de le faire commenter par les spécialistes techniques. L’Académie répond à la demande du Bureau le 11 juin 172729 :
« Mrs. Donsenbray et de Réaumur qui avaient été nommés pour examiner le projet de privilège de M. May, anglais y ont fait les remarques suivantes. »
25Les deux commissaires commentent point par point le projet de May. Ainsi pour la durée demandée pour le privilège (50 ans), les académiciens sont très critiques :
« 2° On n’accorde guère les privilèges pour un temps si long, ordinairement c’est pour vingt années et quelquefois seulement pour dix, on les renouvelle quand le bien public parait le demander. Il y aurait encore une restriction à mettre ici, c’est qu’en cas que l’impétrant ne fit pas usage de son privilège dans un temps prescrit, dans un an par exemple, qu’il en demeurerait déchu. »
26Ils pointent le risque de contrebande, à propos de la demande d’exonération des droits de douane pour « toutes sortes de matériaux nécessaires aux machines », et demandent d’encadrer strictement ce droit en le limitant aux pièces spécifiques et aux matériaux et cela en quantités limitées au besoin d’entretien, étain et plomb pour les soudures par exemple. Certaines exigences juridiques exorbitantes sont également relevées comme le court-circuit de toutes les juridictions pour les conflits concernant le privilège, en demandant la compétence unique du Roi et de son Conseil.
27Sur la demande spécifique de l’administration de fixer un prix a priori, le commentaire des deux académiciens illustre leur niveau de réflexion technologique :
« 6° Le Conseil paraîtrait souhaiter une clause dont il n’est pas fait mention dans ces lettres c’est un tarif de prix de chaque machine proportionnel à la quantité d’eau qu’elle donnera, lequel tarif serait au contrescel des lettres, il serait certainement commode et utile s’il pouvait être fait sur des appréciations justes et constantes mais ce n’est guère possible de bien apprécier de nouvelles machines dont la première construction est toujours plus chère qu’elle ne l’est par la suite, aussi nous ne nous souvenons pas qu’on ait jusqu’ici le prix [illisible] que machine nouvelle en en accordant le privilège. On pourrait bien évaluer à peu près les prix des chaudières, corps de pompe et autres parties des machines. Mais les particuliers ne se tenteront pas d’acheter toutes les parties dont une machine composée […] exigeront que les entrepreneurs les montent, qu’ils construisent les machines en entier et peut être qu’ils fassent bâtir les murs et les charpentes convenables, qu’ils fassent agir les machines pendant un temps pour instruire des gens dans le pays où elles auront été construites à bien conduire leurs mouvements. De là il est aisé de voir que l’établissement de chaque machine dépend de quantité de circonstances peu propres à entrer dans un tarif et que peut être le plus simple sera ici de laisser la liberté de faire des marchés de gré à gré. Si les entrepreneurs veulent tenir leurs machines trop chères on les leurs laissera et les particuliers n’en donneront le prix demandé que quand ils croiront y trouver un avantage réel. »
28A travers la recommandation des académiciens, se lit le souci de rendre efficace et réussi l’appropriation de la machine : pas d’achat en pièces détachées, montage par le fournisseur, réalisation des infrastructures nécessaires et formation du personnel de conduite de la machine. La fixation du prix par la loi de l’offre et de la demande est jugée préférable à la fixation du prix par l’administration.
- 30 BONNASSIEUX Pierre, Conseil du commerce et Bureau du commerce (1700-1791, Inventaire analytique des (...)
- 31 . Ainsi, la machine de Newcomen installée par la Compagnie d’Anzin à Fresnes dans le début des anné (...)
29Finalement le privilège a été accordé, comme le mentionne le procès verbal de la séance du Bureau du commerce du 3 octobre 172730. Le devenir de cette machine ne nous est pas connu, et nous ignorons l’usage fait par John May et ses associés du droit à installer d’autres machines de Newcomen, dans la France des années 173031.
30On pourrait penser que cette machine de Newcomen s’est imposée immédiatement en rendant obsolètes les autres types de machine, celles de type Savery particulièrement, Il n’en est rien. Dans les quelques dizaines d’années qui suivent, des propositions diverses sont soumises à l’Académie.
- 32 AADS, R 1726, p. 431
- 33 AADS, R 1727, p. 20
- 34 Le principe de fonctionnement est exactement l’inverse de celui de Newcomen : le refoulement se fai (...)
31Ainsi, cette nouvelle demande d’examen d’une « machine à feu », enregistrée le 6 juillet 172632. La machine est décrite dans le compte-rendu des commissaires du 11 janvier 172733. Il s’agit d’une machine du type Savery, qui refoule l’eau en hauteur par l’action directe de la vapeur sur l’eau, sans piston, et qui aspire par le vide créé par la condensation. C’est un prototype : elle a été construite seulement pour l’essai de démonstration et les commissaires regrettent de ne pas l’avoir vue en fonctionnement pour en apprécier les performances. Signe de la réflexion des commissaires, ils attirent l’attention sur la difficulté inhérente aux machines de type Savery34. En effet pour refouler l’eau par la vapeur en l’absence de piston, la pression fournie doit être plus importante et donc les tuyauteries doivent être plus résistantes. En dépit des plans détaillés fournis par l’inventeur, les commissaires restent dubitatifs devant cette machine plus délicate à réaliser :
« Cette construction demande plus de solidité dans la chaudière qui contient l’eau bouillante et sa vapeur qu’il n’en faut à la machine de Passy ; aussi Mr de Boffrand a eu attention de mettre un modérateur à la sienne pour laisser échapper la vapeur lorsque sa force excède celle qu’on désire. Il n’y en a pas à la Machine de Passy. »35
Figure 6 : Machine type Savery présentée par de Boffrand
Source : MINV, tome 4, 1720-1726
- 36 1/12.
- 37 AADS, PS 1726.
32L’inventeur, le célèbre Boffrand, « architecte et inspecteur des ponts et chaussées » présente aussi les plans détaillés et un modèle réduit « du pied au pouce36 » d’une machine de Newcomen. Dans sa demande d’examen37, l’administration exprime clairement une préférence nationale, en arguant de la compétence de l’architecte qui avait fait construire une première machine :
« [… ] étant juste que si vous trouvez celle de M. de Boffrand aussi bonne que celle de l'anglais il eût quelques préférence, étant né français et ayant travaillé avec succès dans celle qu'il avait entreprise à Cachan. »
- 38 GALLON Jean-Gaffin, Machines et inventions approuvées par l’Académie royale des sciences depuis son (...)
33Le statut de ces deux machines est incertain. D’une part il n’y a pas d’approbation formelle, qu’aurait sanctionnée leur mention à la section « Machines et invention approuvées » dans l’Histoire annuelle de l’Académie. Mais d’autre part, elles sont citées dans un recueil quasi-officiel des machines approuvées par l’Académie38. La machine de May, en regard, est citée et décrite dans l’Histoire de 1726 et dans le recueil des machines et inventions approuvées, publié par Gallon. La machine « type Newcomen » de Boffrand n’étant qu’une copie, l’Académie aura hésité à l’approuver formellement.
34Que conclure de ces hésitations et incertitudes ? Les académiciens ont compris que la machine de Savery était une impasse technique alors que la machine de Newcomen était la seule solution efficace dans le contexte technique des années 1720. Le nationalisme technique et le souci de ne pas décourager les inventeurs expliquent certainement cette semi-approbation.
35En 1739 encore, l’Académie examine une machine destinée à pomper l’eau mais sans mouvement, sans action de la vapeur d’eau, uniquement par aspiration d’un vide créé par le refroidissement de l’air préalablement mis sous pression par le chauffage d’un « vase » 39. L’absence de dimensions empêche de se représenter la faisabilité de la machine qui pour élever l’eau doit amener l’air à une assez forte pression pour que son refroidissement puisse opérer l’aspiration nécessaire. Les académiciens l’apprécient comme n’étant « pas nouvelle » bien que son type diffère de celles qu’ils avaient examinées auparavant.
- 40 AADS, R 1740, p. 119 et 23 mars 1740, p.121
36Le 19 mars 1740 « un gentilhomme portugais entre et fait voir une machine pneumatique de son invention » 40. C’est en fait une machine de Newcomen avec deux améliorations. L’une consiste à diminuer le volume de la chaudière pour réduire le temps de montée en pression, l’autre à automatiser le fonctionnement par adjonction d’un dispositif à levier commandant l’ouverture des robinets d’admission de vapeur et d’injection d’eau de refroidissement. L’invention est approuvée :
« Les moyens que Mr de Moura a employés pour remplir ses vues nous ont parues fort ingénieux, conformes en tous points aux principes de Physique et de Mécanique, mais d’une exécution qui demande beaucoup d’attention et d’exactitude, quoiqu’on ne puisse pas dire qu’elle soit trop difficile pour les faire rejeter. »
37Malheureusement, quoiqu’officiellement approuvée41, la machine de Moura n’est pas reprise dans le recueil des machines et inventions approuvées. Il faut noter que l’automatisation de l’ouverture des soupapes était effective en Angleterre, semble-t-il, depuis 1718.
- 42 AADS, R 1742, p. 496. Tous les détails sur la machine et de son installation sont dans le compte re (...)
- 43 Il s’agit de la colline du Panthéon actuel, les rues citées dans le projet sont les actuelles rue T (...)
- 44 Les dimensions de l’ouvrage laissent perplexe. L’altitude de la montagne Saint Geneviève étant de 6 (...)
38Le 17 novembre 174242, Gensanne, ingénieur réputé pour ses compétences en hydraulique et en métallurgie, propose d’installer une machine de Newcomen sur la partie élevée de l’Estrapade43, en creusant un puisard pour pomper l’eau de la Seine amenée par une galerie souterraine44. Son idée directrice : profiter de la hauteur de la colline pour y installer une machine de Newcomen qui entrainerait une ou plusieurs pompes montant l’eau depuis ce puisard, pour ensuite organiser une distribution d’eau depuis la hauteur de la Montagne Sainte-Geneviève. Gensanne cherchait à mettre à profit une caractéristique inédite de la machine, son indépendance vis-à-vis de la source d’énergie hydraulique, qui imposait d’installer les machines entraînant les pompes à proximité immédiate des cours d’eau.
- 45 AADS, R 9 janvier 1743, p. 8. Martin Folkes, fellow of the Royal Society, est membre associé de l’A (...)
- 46 AADS, R 23 janvier 1743, p.25. Desagliers, fellow of the Royal Society, est correspondant de l’acad (...)
39L’examen a été long et complexe. En pleine guerre de succession d’Autriche, où, pourtant, France et Angleterre sont adversaires, une correspondance suivie s’établit avec la Royal Society britannique, afin d’obtenir des renseignements plus précis sur l’installation urbaine d’une machine de Newcomen. Une lettre de Folkes à Maupertuis informe l’Académie qu’une telle installation a été abandonnée à cause de la pollution subie par les maisons du voisinage45. Dans une seconde lettre, lue en séance par Maupertuis et annotée par Desaguliers46, Folkes aborde le problème de la consommation de charbon :
« […] sur la pompe à feu pratiquée en Angleterre et où il paraît que cette pompe est regardée comme très utile et qu’il n’y a que la dépense excessive de charbon de terre qui empêche qu’on ne s’en serve dans plusieurs occasions où ce charbon coûterait trop. »47
- 48 AADS, R 6 février 1743 p. 91.
40Le 6 février 1743, les commissaires chargés de l’examen du projet de Gensanne demandent le renfort de chimistes pour mieux analyser le problème des fumées48. Ils ne sont donc pas moins de 5 commissaires à rendre compte le 9 mars 1743 de ce long examen. Il est vrai que l’entreprise quelque peu pharaonique de Gensanne nécessitait la résolution de nombreux problèmes. La conclusion est négative, au terme d’un long rapport où toutes les difficultés sont examinées, ainsi que toutes les solutions envisagées par Gensanne pour les pallier :
- 49 AADS, R 9 mars 1743, p.166.
« Il résulte de tout ce que nous venons de rapporter que le projet de Mr de Gensanne n’est pas du nombre de ceux qu’on peut exécuter sans courir le risque de faire de très grandes dépenses qui deviennent inutiles par la suite. »49
41Résumons ces difficultés. Après la consommation de charbon, jugée excessive par les Anglais, vient la pollution :
- 50 Ibidem p. 162. 200 toises font environ 400m.
« Elle infectait par sa fumée les maisons des environs […] nous avons consulté d’autres personnes qui nous ont dit qu’à 200 toises aux environs de la machine de Londres, les maisons étaient extrêmement noires. »50
42Le coût ensuite. Pour les Anglais, la machine ne peut être utilisée que dans des endroits isolés ou sur les mines de charbon où on peut brûler les têtes de mines et les résidus de charbon sans valeur. Autrement ces machines ne seraient pas rentables. Le risque d’accident enfin :
« Il arrivait quelquefois qu’une explosion brisait la machine, tuait ou estropiait ceux qui la servent. »51
43Le rapport contient une analyse quantitative des débits théoriques fournis par Gensanne ou calculés par Desaguliers pour celle de Londres. Si les débits théoriques concordent, le débit réel mesuré à Londres n’est que de 56 % du débit théorique. Remarquons que le projet de Gensanne n’est pas uniquement descriptif. Il a procédé à des calculs, envisagé les problèmes de maintenance en installant une machine supplémentaire en attente. En réponse, les commissaires font remarquer que pour atteindre le débit promis ce n’est pas 2 mais 4 machines qu’il faut installer, une étant en attente pour l’entretien. La pollution par les fumées serait considérable, l’ingénieur ayant prévu un dispositif de lavage des fumées jugé inopérant après essai. Dernière difficulté, le canal d’alimentation de la machine : l’eau peut se polluer dans le canal souterrain s’il n’y a pas assez de courant, la prise d’eau sur la Seine est proche des arrivées de bois flottés et des déversements polluants des teintureries et des tanneries du faubourg Saint Marcel. Gensanne a pensé au problème mais ses solutions ne sont pas jugées suffisantes. Avec raison, le filtrage au sable qu’il propose retenant les vases mais pas les pollutions chimiques.
44Cet épisode qui peut prêter à sourire devant l’énormité du projet, illustre bien néanmoins le processus d’appropriation de la machine à vapeur entre enthousiasme devant les possibilités offertes par la machine, illusions et réalisme des propositions et des critiques. En pleine guerre entre la France et l’Angleterre, les savants correspondent et échangent des informations techniques. Le calcul a toute sa place dans le projet et dans sa critique, les considérations financières et entrepreneuriales enrichissent la réflexion. Nous sommes bien dans un régime de pensée opératoire qui s’ouvre vers le régime de la technologie.
- 52 AADS, R 15 janvier 1744, p. 11.
- 53 AADS, R 29 février 1744, p. 101
- 54 MINV tome 7, p. 227.
45Gensanne, nullement découragé, revient devant l’Académie l’année suivante52. Cette fois, il ne s’agit pas d’un projet complexe mais d’une machine à vapeur. Et, surprise, c’est une machine de type Savery (voir figure 7). La machine est toujours dénommée « pompe à feu », signe de la prégnance de l’association entre la machine et la pompe qu’elle entraîne. Le compte rendu date du 29 février53, l’examen par les commissaires est nettement plus rapide, comme s’il y avait familiarisation avec ces machines d’un nouveau genre et elle est approuvée et décrite dans le recueil des machines54. La machine présente des améliorations, en particulier un régulateur qui automatise le fonctionnement. Mais, il est surprenant de constater que le compte rendu commence par une longue description de la « machine anglaise », citant Savery comme son inventeur et décrivant ensuite une machine de type Newcomen. La distinction ne semble pas très nette dans l’esprit de Réaumur et Nicole, les deux commissaires désignés pour l’examen. Après avoir décrit le cycle de Newcomen et l’action de la pression atmosphérique qui refoule l’eau dans la pompe, ils présentent la machine de Gensanne où le cycle est inverse, puisque c’est l’action de la vapeur, directement sur l’eau aspirée par le vide de la condensation, qui refoule l’eau.
Figure 7 : Machine de Savery proposée par Gensanne
Source : MINV tome 7, p. 253
46Cela est d’autant plus surprenant que Réaumur était commissaire en 1726 pour la machine de Passy et que Nicole était commissaire pour le projet de Gensanne en 1744. Y-a-t-il confusion dans l’esprit des commissaires, volonté de favoriser un Français, qui plus est connu pour la qualité de ses machines hydrauliques ? On ne sait, mais l’approbation est là. Les commissaires notent que ce type de machine, plus compacte, est plus facilement déplaçable et que l’on peut donc l’installer aisément à proximité du point de pompage. Observons sur la planche de la figure 7, l’utilisation de la machine : l’eau élevée sert à faire tourner une roue hydraulique. Cela montre la persistance de l’image mentale de la machine qui ne peut être, au milieu du siècle, que rotative, entraînée par l’eau et non alternative.
- 55 Naegel Paul, La question du privilège…, op.cit., 2010.
- 56 Payen Jacques, Capital et machines à vapeur au XVIIIe siècle - Les frères Périer et l'introduction (...)
47James Watt apporte, à partir des années 1765-1775, des améliorations significatives à la machine de Newcomen. Ce serait en réparant une telle machine qu’il aurait eu l’idée de ces améliorations. Notre propos n’est pas de détailler l’histoire de la machine de Watt et de son introduction en France. Cette histoire est fort bien traitée dans l’article de Paul Naegel55 et l’ouvrage de Jacques Payen pour ne citer que ces deux références56. Nous nous contenterons d’indiquer les quatre modifications et adjonctions qui transforment la machine de Newcomen en une machine qui devint le moteur de base de la grande industrie au XIXe siècle. Les académiciens avaient déjà remarqué l’importance du vide dans le cylindre. Le refoulement de la vapeur pour une condensation extérieure permit de supprimer ce problème en faisant agir la vapeur des deux côtés du piston. De même Watt améliore la distribution de la vapeur, ce qui permit de monter en pression. Plus subtilement, si l’on peut dire, Watt sort du paradigme de la pompe et transforme le mouvement alternatif en mouvement circulaire, source d’énergie d’usage général. Les machines à vapeur peuvent alors être substituées progressivement aux roues hydrauliques et ne plus dépendre des cours d’eau, même si elles subissent une autre dépendance, la proximité du combustible, dépendance que la machine va elle-même atténuer avec les locomotives à vapeur. Enfin le régulateur à boule et le volant d’inertie vont réguler le mouvement de la machine et éviter les à-coups et emballements.
48À travers les différents examens d’invention correspondant à des solutions techniques différentes, nous avons pu constater que « l’évidence » technique contemporaine des dispositifs de Watt n’a pu, en fait, qu’être le résultat d’une compréhension plus approfondie, venue de l’usage de la machine de Newcomen et des diverses tentatives pour trouver d’autres solutions techniques. La persistance de l’image mentale de la machine de Newcomen se voit dans les premières machines de Watt où le cylindre est vertical, avant d’arriver à la position horizontale qui s’est ensuite imposée. Cette maturation se lit aussi à travers les hésitations des savants de l’Académie qui ne disposent pas du recul nécessaire pour arbitrer clairement entre Savery et Newcomen. Dans l’article de Paul Naegel que nous avons cité, on voit que la machine de Newcomen reste une référence pour apprécier l’installation des frères Périer dans les années 1780, puisque les académiciens demandent une comparaison de la consommation en combustible entre les deux types de machines, étant entendu que celle de Watt ne peut être approuvée que si cette consommation est diminuée. Ajoutons que les évolutions et améliorations diverses qui suivent et aboutissent à la machine de Watt ne peuvent se comprendre que dans un contexte technique non moins déterminant. Sans les machines à aléser de Wilkinson, les machines de Watt n’auraient pu réellement s’imposer.
49Cette longue maturation de l’invention, de la machine de Savery à la machine de Watt, illustre l’autonomie des techniques et leur rythme d’évolution. Loin de l’inventeur « génial et héroïque », l’invention se déploie lentement, s’améliore et se complexifie, tout en explorant les impasses et les cohabitations. Il nous semble qu’à la question « qui a inventé la machine à vapeur ? » nous pourrions répondre Newcomen dont les machines ont été les premières à avoir eu une véritable utilisation industrielle et cela avec une extraordinaire longévité. Ainsi, la machine installée en 179557 à Elsecar, près de Barnsley (Yorkshire, Grande-Bretagne) a fonctionné jusqu’en 1923, puis a repris du service en urgence en 1928, les pompes électriques ayant été noyées par une inondation ! Elle a donné ses derniers coups de pompe en 1951, pour une démonstration, avant de voir son cylindre définitivement endommagé en 195358.
50Lorsque en 1838, paraît un Traité des machines à vapeur et de leur application59, traduction du livre de Thomas Tredgold paru en 1827, le regard rétrospectif de l’auteur nous donne une liste chronologique de tous les inventeurs en détaillant les apports de chacun, grands et petits, depuis Salomon de Caux jusqu’à Henri Bell60. La longue liste des « inventeurs » illustre la nature progressive de l’invention, de ses nombreuses améliorations, de détail ou de principe. Le tableau parle de lui-même (voir figure 9).
Figure 9 : Tableau chronologique des inventeurs de machines à vapeur, d’applications ou d’améliorations de cette machine.
|
1615. Salomon de Caus
1665. Marquis of Worcester
1685. Sir Samuel Morland
1690. Denis Papin
1698. Thomas Savery
1698. Denis Papin
1705. Thomas Newcomen
1718. Henri Beighton
1720. Leupold
1756. Jonathan Hulls
1759. Bernard Bélidor
1741. John Payne
1751. Francis Blake
1757. Keane Fitzgerald
1758. William Emerson
1762. Joseph Black
1765. John Smeaton
1766, John Blakey
|
1769. James Watt
1781. Jonathan Hornblower
1782. Marquis de Jouffroy
1788. Patrick Miller
1790. Bétancourt
1790. R. de Prony
1795. John Banks
1797. Edmond Cartwright
1797. John Cutt
1799. Matthew Murray
1799. W. Murdock
1801. John Robison
1801. Joseph Bramah
1801. John Dalton
1802. William Symington
1802. Trevithick and Vivian
1804. Arthur Woolf
1806. Oliver Evans
1807. Robert Fulton
|
Thomas Tredgold, op. cit.
- 61 Nous recommandons vivement de lire cette introduction (voir le lien à la note 59). Notons également (...)
51On pourrait citer61 toute l’introduction du traducteur français, ancien élève de Polytechnique, tellement elle renferme de vues pertinentes sur ce long processus de l’invention, sur les déterminismes pesant sur la technique malgré l’autonomie de celle-ci, et sur l’importance du contexte :
- 62 Tredgold Thomas, Traité des machines à vapeur et de leur application, op. cit., p.vj.
« Il ne suffit pas, en effet, qu’une invention soit conçue à une époque donnée, il faut encore qu’elle se trouve en rapport avec les besoins et l’état social contemporains. »62
52De même, pour une pensée opératoire qui entre dans le régime de la technologie, le propos du livre est clairement souligné par le traducteur :
« Dans cet état de choses, la publication d’un ouvrage qui, en popularisant la science des machines à vapeur, rappellerait, classerait et confirmerait pour les gens instruits ce qu’ils savent en partie, et mettrait les moins habiles au niveau des perfectionnements les plus récents, ainsi que tous les résultats d’un siècle d’expérience. »63
- 64 Cf. le compte rendu d’examen du 11 mai 1726.
53Nous nous permettrons enfin une remarque sur l’affirmation que l’on rencontre parfois, selon laquelle l’invention de la machine à vapeur doit peu à la science, la thermodynamique et les théorèmes de Carnot étant largement postérieur aux machines de Newcomen et de Watt. C’est oublier que la mise en évidence, au XVIIe siècle, de l’existence de la pression atmosphérique, de sa mesure, de la possibilité de faire le vide dans une enceinte fermée, enfin de la loi de Mariotte sur les gaz, a permis aux inventeurs et aux savants de l’Académie et d’ailleurs, de comprendre et de calculer les premières machines à vapeur64.
Flux RSS
