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Comprendre le fonctionnement de la machine de Newcomen (machine à vapeur)

Ce document a été en partie créé à partir d'un article rédigé sur les Cahiers de Science et Vie.
LES PÈRES FONDATEURS DE LA SCIENCE - CARNOT
« Pourquoi sa machine a soufflé le chaud et le froid sur toute la physique ».

A. L'eau, le feu et la puissance

En 1712, sur le carreau d'une mine de charbon, une nouvelle machine fait irruption dans le paysage industriel anglais. Cette pompe est d'un modèle totalement inédit. Son lourd balancier oscille 12 fois par minute, remontant à chaque fois 45 litres d'eau puisés quelque 50 mètres plus bas. On l'entend et on la voit de loin : des coups sourds, suivis quelques secondes plus tard d'un chuintement sonore, rythment sa marche. Un panache de fumée s'en élève continûment. Son concepteur s'appelle Thomas Newcomen (le « nouveau venu »). Né à Dartmouth dans le Devon, il est artisan et négociant en produits métalliques. Sa machine concrétise la première utilisation convaincante d'une force découverte près de soixante-dix ans plus tôt : la pression atmosphérique.

B. Principe de fonctionnement

L'idée de génie du ferronier anglais, Thomas Newcomen, consiste à forcer la condensation de la vapeur d'eau (passage de l'état gazeux à l'état liquide) → schémas n°2 et n°3.

Schéma n°1

Au début du temps moteur, le piston est en position haute, le cylindre est empli de vapeur et toutes les soupages sont fermées.

Schéma n°2

Le cycle commence par l'injection d'eau froide (ouverture de la soupape d'injection).

Schéma n°3

Suite à l'injection, la vapeur chaude est refroidie et se condense : elle passe de l'état gazeux à l'état liquide.
Cette eau liquide occupe alors un volume beaucoup plus petit que celui occupé par la même quantité de vapeur : il se crée un vide sous le piston. La pression atmosphérique peut s'exercer : elle pousse le piston vers le bas.

Ce mouvement entraîne le balancier et la pompe comme on peut le voir sur l'animation ci-dessus.

Schéma n°4

Le temps de remise aux conditions initiales commence par l'ouverture de la soupape d'admission. Tiré vers le haut par le poids de la pompe d'exhaure*, le piston remonte tout en aspirant la vapeur de la chaudière dans le cylindre. Quand le piston est en haut, l'admission se poursuit jusqu'à ce que l'eau de condensation ainsi que l'air éventuellement présent soient chassés par une soupape alors ouverte (non représentée sur les différents schémas. Elle est fermée sur les schéma n°1, n°2 et n°3). Cette eau descend à travers le tuyau R représenté sur le dessin ci-dessous.

Enfin, la soupape d'admission se ferme et un nouveau temps moteur peut débuter.

Exhaure* : épuisement des eaux d'infiltration d'une mine, d'une carrière ...

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