Le carnet du CFC

Petite histoire de la locomotion à vapeur terrestre

MAD

Et du côté des locomotives sur rails

Le chemin de fer n'était pas une idée nouvelle à cette époque, déjà, les anciens faisaient rouler des chariots guidés par des dalles avec ornières, ce fut l'origine de l'empierrement des routes dont la résistance était moindre. Vers 1630, l'industrie minière, utilisait des chariots, chargés de charbon et guidés par de lourds madriers. Ils étaient traînés par des chevaux de la mine au vaisseau. Vers la fin du 18ème siècle, la construction de ces "tram-ways" avait fini par être bien comprise. Par ailleurs, l'économie que procurait une route à pente uniforme, justifiait la construction de remblais et de déblais importants et un seul cheval pouvait remonter sans effort les berlines (sur ces tram-ways de bois) qui descendaient d'elles-mêmes par gravité jusqu'au port. 
Il est facile de comprendre que les roues en fonte s'usaient bien moins vite que les poutres sur lesquelles elles roulaient et en 1738, A Whitehaven on eut l'idée de protéger les madriers par de plaques de fonte. En 1776, un tramway construit pour le Duc de Norfolk était constitué de barres de fonte quadrangulaires, disposées sur des longrines de bois. En 1789, un autre tramway exécuté par William Jessup en Leicestershire avait un rail en forme de cornière et les roues munies de mentonnets pour assurer le guidage. Quarante plus tard, James Wright (Pensylvanie) inventa la conicité de la jante qui prévient l'usure des mentonnets et réduit la résistance à la traction.
Le chemin de fer moderne n'est autre chose que le résultat de ces perfectionnements successifs apportés à l'ancienne route à ornières, auxquels vint s'ajouter l'usage de la machine à vapeur. 
Ainsi au commencement du 19ème Siècle, les deux éléments constitutifs du chemin de fer étaient disponibles et les ingénieurs prêts à fondre en un système unique la traction vapeur et la voie de fer.
En Grande-Bretagne, divers chemins de fer avaient fait leur apparition, quelques-uns d'une longueur considérable, et bien vite les intérêts des particuliers grandissant, une législation dû se mettre en place pour réguler cette nouvelle économie.

Bien vite la machine locomotive remplaça le cheval et c'est Richard Trevithick qui construit la première locomotive connue, en 1804, R. Trevithick eut pour maître Murdoch, le collaborateur de James Watt qui dirigeait le montage des machines d'épuisement en Cornouailles. Mécanicien ingénieux et accompli, le jeune Trevithick était à la fois talentueux et possédait de solides connaissances en mécanique. Avant de construite lui-même des machines à vapeur, il dirigea de grandes machines d'épuisement. 

L'année 1800 marqua un tournant dans le monde industriel : les brevets de Watt tombent dans le domaine public, les inventeurs vont pouvoir en reprendre les principes et les améliorer pour leur propre compte.

En 1801, Trevithick construisit un chariot à vapeur capable de rouler sur route le Puffing Devil. Ce chariot est constitué d'un cylindre vertical logé dans la chaudière. La bielle du piston était reliée à une crosse en T qui faisait tourner les roues avant au moyen de longues bielles. L’essieu arrière, dont les roues, plus petites, étaient directrices. 

En 1803 Trevithick construisit une locomotive dans l'atelier des forgeons de la compagnie de Pen-y-Darran. La chaudière de cette locomotive était de forme cylindrique, aplatie aux extrémités et faite de fer forgé. Le fourneau et la cheminée étaient dans l'intérieur de la chaudière, où se trouvait placé horizontalement le cylindre unique, de huit pouces de diamètre, avec un va-et-vient de quatre pieds six pouces. Comme dans la première machine, les roues étaient mises en mouvement par un engrenage à éperon, sur le côté duquel fonctionnait aussi un volant, afin de continuer le mouvement de rotation dans l'axe coudé à la fin de chaque coup de piston dans le cylindre unique. La vapeur perdue passait dans la cheminée au moyen d'un tube qui y aboutissait à angle droit. Trevithick touchait là à une découverte : l'échappement activait par son action le tirage. Pourtant son dépôt de brevet en 1815 pour l'invention d'un système de ventilateur pour actionner le tirage semble prouver clairement qu'il ignorait l'action exercée par le jet de vapeur perdue sur la combustion.

A l'époque où les brevets s'essoufflèrent, il s'associa avec Andrew Vivian. Ils conçurent ensemble et firent breveté la machine qui obtint un succès total sur le tram-road et c'est ce qui le rendit célèbre. 
Cette machine avait une chaudière cylindrique à carneaux, semblable à celle imaginée par Oliver Evans, et un seul cylindre implanté verticalement dans la chambre à vapeur de la chaudière, qui manœuvrait les manivelles extérieures de l'essieu arrière, au moyen de très longues bielles, articulées à une traverse. Les tiges-guides étaient maintenues au moyen de contre-fiches qui s'appuyaient à l'autre extrémité de la chaudière. On n'essaya nullement de condenser la vapeur d'échappement, qui se rendait dans la cheminée. La pression adoptée était de 40 livres par pouce carré. 

Trevithick avait déjà réalisé nombre de machines sans condensation, dans lesquelles la pression s'élevait de 50 à 145 livres par pouces carré.
En 1808, il construisit le Trevithick's steam circus, un rail-road à Londres et y fit tourner "Catch me who can" (M'attrape qui peu) à l'emplacement de Torrington Square.
Elle était d'une construction simple. Le cylindre à vapeur était disposé verticalement à l'arrière de la chaudière, et la tête de bielle se reliait à deux tiges, une de chaque côté, qui faisait mouvoir les roues postérieures. La vapeur expulsée se rendait dans la cheminée, aidant ainsi au tirage. Cette locomotive qui pesait environ 10 tonnes, faisait 12 milles par heure, le long du chemin de fer circulaire que son constructeur avait établi.
Après quelques semaines, elle dérailla suite à la rupture d'un rail. A bout de ressources, Trevithick ne la répara pas. 
Il fut un des premiers à avoir compris le problème de l'adhérence de la roue en fer sur le rail et par conséquence, la puissance de la traction. 
Il appliqua sa machine à haute pression, sans condensation à plusieurs usages : un train de puddlage, au forage des roches, le dragage de la Tamise... Il s'intéressa également à la propulsion des navires et après une tentative de creusement de tunnel sous la Tamise qui se traduisit par un échec, il revint à ses études favorites. Après un séjour en Amérique latine, il revint en Angleterre et y mourut en 1833 à l'âge de 62 ans, dans une extrême pauvreté. Il inventa un nombre considérable de procédés, mais en appliqua fort peu et n'en retira aucun profit. Il frôla d'intéressantes découvertes sans en observer les bénéfices, ce qui fit dire à Smile que "Sa vie ne fut qu'une série de commencements".

En 1805, le Merstham Railway fut ouvert à la circulation et on rapporte qu'un jour, un seul cheval put traîner à la descente sur une pente de 1/120, un train de douze wagons chargés de 38 tonnes de pierre à la vitesse de 6 milles par heure. 

 

A peu près, vers cette époque, le colonel John Stevens, new-yorkais de naissance, à la fois ingénieur et homme d'État compris toute l'importance de la machine à vapeur appliquée aussi bien pour les transports terrestres que maritimes. Il compris également les avantages d'un réseau de communication intérieur bien tracé et bien organisé et fut le promoteur du développement des lignes de chemins de fer non plus dans une vision de point à point, mais de réseau complet, maillé, idées exposées dans un mémoire qu'il publia en 1812 et intitulé : Document tendant à prouver la supériorité des chemins de fer et des voitures à vapeur sur la navigation par canaux. L'avenir des "déjà" vieux tram-ways en bois des houillères allait se transformer en lignes reliant des villes entre elles. De plus pour Stevens, la vitesse allait bouleverser le transport : Je ne vois rien qui puisse empêcher une voiture à vapeur de se mouvoir sur ses rails avec une vitesse de 100 milles à heures (160 km/h). Ceci n'apparaissant que comme une vitesse possible, mais dans la pratique, il écrit plus loin dans le texte : je ne serais pas surpris de voir des voitures à vapeur marcher à la vitesse de 40 à 50 milles par heure. Stevens préconisa auprès des instances, des rails en bois recouverts de plaque de fer, la roue en fonte à mentonnet (encore existante aujourd'hui) et la machine à vapeur de 50 livres par pouce carré, sans condensation. A la lecture du document on s'aperçoit qu'il entre dans des détails plus circonstanciés : 

Le chemin de fer dont la mission était de relier la mine au port, devient un instrument de communication et de stratégie générale. Plus que des savoirs techniques, Stevens fit preuve de connaissances générales des sciences et arts mécaniques, mises au service de son pays.

William Hedley fut le premier à déterminer par des expériences, dans quelle limite on pouvait compter sur l'adhérence aux rails, des roues de la locomotive. Connaissant le succès que Trevithick avait rencontré, en Cornouailles dans ses expériences sur les roues lisses pour traîner des fardeaux extrêmement lourds, il construisit une voiture munie de quatre manivelles actionnées par des hommes. En faisant varier le poids de la voiture à l'aide de masses en fer, il détermina le rapport entre le poids de la voiture et celui de la charge pour obtenir l'adhérence. Trevithick ayant décliné la fabrication d'une locomotive pour traîner des trains de charbons des houillères de Wylam, Hedley tenta lui-même d'en fabriquer une : la Puffin Billy, nom qui vient de "puffer" (bruit d'échappement assourdissant). 
Construite 1813, elle est restée en service jusqu'en 1864. C'est la plus ancienne locomotive conservée au monde (London Science Museum). La chaudière horizontale est en fer forgé, à carneaux avec retour de flammes et de 50 livres par pouce carré de pression. La vapeur d'échappement était lancée de bas en haut dans une petite cheminée dont il resserra l'ouverture du tuyau et obtint ainsi un tirage conséquent. Elle est construite sur un châssis en bois. Les deux cylindres verticaux sont à l'arrière, sur un axe central relié par engrenages avec les quatre roues. La machine pouvait tirer 50 tonnes à la vitesse de 8 km à l'heure. 
Plus tard, il monta sa machine sur 8 roues. Les machines de Hedley continuèrent de fonctionner aux houillères de Wylam.

C'est vers cette époque (1811) que Blenkinsop expérimenta le rail denté, appelé plus tard crémaillère et que Chapman expérimenta le remorquage avec une chaîne (1812), alors que Brunton essaya les jambes articulées (1813) qui ne connurent aucune suite.

L'ère qui suivit est celle de Stephenson, point de convergence entre la traction vapeur et la voie de fer. Le 15 septembre 1830, c'est l'inauguration de la ligne Liverpool et Manchester. George Stephenson en a tout supervisé : voies, ponts et tunnels, et a dimensionné largement, en prévision du trafic.
C'est lui le père du chemin de fer à vapeur.

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