It’s All About Steam.

Pendant des siècles, l’homme a tenté d’exploiter la puissance mécanique de la chaleur et de l’eau. Dès 200 avant JC, dans son Pneumatica, Héro d’Alexandrie a décrit un dispositif appelé Aeolipile, considéré comme le premier moteur à vapeur enregistré. Une boule contenant de l’eau était placée au-dessus d’un chaudron et, à mesure qu’elle chauffait, deux tubes coudés en saillie projetaient des jets de vapeur qui faisaient tourner la boule. De nombreux dispositifs de ce type ont été conçus au cours des siècles suivants, au fur et à mesure que les scientifiques étudiaient les principes de l’hydraulique, de la pneumatique et les propriétés des gaz, mais ces dispositifs n’effectuaient pas de travail réel. Ce n’est qu’au XVIIIe siècle, en Grande-Bretagne, que la machine à vapeur a commencé à changer non seulement le visage de l’industrie, mais aussi le rapport de l’humanité au travail et à la société.

Comment fonctionne un moteur Newcomen

L’eau est bouillie pour créer de la vapeur qui pousse vers le haut sur un piston dans un cylindre. La tige du piston est fixée à une poutre transversale et, à mesure que le piston monte, le poids d’une tige de pompe accrochée à l’extrémité opposée de la poutre tire vers le bas. Lorsque le piston atteint le haut du cylindre, un jet d’eau est injecté dans le cylindre du piston, ce qui provoque la condensation de la vapeur et fait redescendre le piston. L’eau de refroidissement s’évacue et le cycle se répète indéfiniment.

En 1712 , Thomas Newcomen et son assistant John Cally ont dévoilé le premier moteur à vapeur commercialement viable. Le moteur atmosphérique de Newcomen utilisait la vapeur pour alimenter une pompe. Bien qu’il ne soit pas très efficace, des centaines de ces moteurs ont été utilisés pour pomper l’eau des mines de charbon britanniques et des zones inondées.

À la fin du 18e siècle, James Watt, l’homme qui sera finalement appelé le père du moteur à vapeur, a grandement amélioré l’efficacité du moteur stationnaire lorsqu’il a breveté un moteur « à double effet » qui utilisait de la vapeur à haute pression des deux côtés du piston pour doubler le rendement. Ses brevets portent également sur des dispositifs auxiliaires tels que des manomètres, des vannes d’étranglement et des régulateurs de vapeur. En partenariat avec le fabricant Matthew Boulton, les améliorations et les inventions de Watt ont alimenté la révolution industrielle.

Suivant les améliorations de Watt, de nombreux inventeurs ont tenté d’adapter la machine à vapeur aux modes de transport sur terre et sur l’eau. Réaliser la puissance de la vapeur motrice permettrait, pour la première fois dans l’histoire, à l’homme de se déplacer sur terre à une vitesse supérieure à celle du cheval domestiqué.

La locomotive Tramroad de Trevithick

En 1802, Richard Trevithick fait breveter un « moteur à haute pression » et crée le premier moteur de locomotive à vapeur sur rails. Trevithick écrit le 21 février 1804, après l’essai de sa locomotive à haute pression, qu’il a « transporté dix tonnes de fer, cinq wagons et 70 hommes… sur 9 miles… en 4 heures et 5 minutes. » Bien qu’il s’agisse d’un voyage au son pesant, c’était le premier pas vers une invention qui allait complètement changer la relation de l’homme au temps et à l’espace.

George Stephenson et son fils, Robert, ont construit la première locomotive à vapeur pratique. Stephenson construit son « travelling engine » en 1814, qui sert à transporter le charbon de la mine de Killingworth. En 1829, les Stephenson ont construit la célèbre locomotive Rocket, qui utilisait une chaudière multitubulaire, une pratique qui s’est perpétuée dans les générations successives de machines à vapeur. La Rocket a remporté la compétition lors des essais de Rainhill, qui visaient à déterminer s’il était préférable de déplacer des wagons sur des rails à l’aide de machines à vapeur fixes utilisant un système de poulies ou de locomotives à vapeur. Le Rocket a remporté le prix de 500 £ avec sa vitesse moyenne de 13 miles par heure (sans tirer de charge, le Rocket atteignait des vitesses de 29 miles par heure), battant le Novelty de Braithwaite et Erickson et le Sans Pareil de Timothy Hackworth. Les Stephenson ont incorporé dans leurs moteurs des éléments qui ont été utilisés dans les générations suivantes de moteurs à vapeur.

Moteur de locomotive breveté de Stephenson

Bien que la première locomotive à fonctionner sur un chemin de fer américain ait été le Stourbridge Lion, construite en 1828 et importée d’Angleterre par Horatio Allen de New York, les locomotives britanniques ne sont pas venues dominer les chemins de fer américains parce qu’elles étaient trop lourdes pour les voies américaines relativement légères et souvent inégales. En fait, la Lion a rapidement été reléguée au fonctionnement d’une machine à vapeur stationnaire.

Les inventeurs et ingénieurs américains avaient suivi une voie parallèle à celle des Britanniques et, dès 1812, John Stevens avait adressé une pétition au Congrès pour soutenir un chemin de fer national. Il avait également construit la première locomotive à vapeur américaine en 1825. Il s’agissait d’un moteur à chaudière multitubulaire qui fonctionnait sur une voie circulaire de démonstration sur sa propriété de Hoboken, dans le New Jersey. Bien qu’il n’ait pas réussi à obtenir un soutien financier pour un chemin de fer national ou pour sa locomotive, Stevens a plus tard fondé l’un des premiers chemins de fer américains, le Camden & Amboy Railroad.

Le Tom Thumb de Peter Cooper, construit en 1830, a été la première locomotive américaine à tirer un wagon de passagers sur un chemin de fer. Bien que petite, elle était suffisamment puissante pour convaincre les directeurs de la compagnie ferroviaire Baltimore and Ohio de l’application pratique de la locomotive à vapeur.

Best Friend of Charleston

La distinction d’être le premier à tirer un train de voitures sur un chemin de fer américain en service régulier revient au Best Friend of Charleston en 1831. Conçu par E. L. Miller et construit à New York, le Best Friend a fonctionné pendant près de six mois jusqu’à ce que sa chaudière explose lorsqu’un ouvrier, irrité par le bruit de la vapeur sifflante, a enfoncé une soupape de sécurité.

L’année 1831 voit également Matthias Baldwin créer la Baldwin Locomotive Works. Sa deuxième machine à vapeur, la E.L. Miller, a établi le prototype à partir duquel les moteurs ultérieurs se sont développés. À la fin du XIXe siècle, l’entreprise de Matthias Baldwin est devenue le plus grand constructeur de locomotives à usine unique au monde et a dominé le marché pendant plus de cent ans, en fabriquant environ 59 000 locomotives.

Les premières locomotives étaient construites avec des roues fixes, ce qui fonctionnait bien sur les voies droites, mais pas aussi bien sur le terrain montagneux de l’Amérique. Un ingénieur civil américain, John Jervis, a conçu la locomotive l’Experiment en 1832, qui avait un chariot de guidage pivotant à quatre roues, également connu sous le nom de « bogie », qui pouvait suivre la voie et permettre aux locomotives de voyager sur les chemins de fer avec des courbes plus serrées.

Locomotive America construite par le Grant Locomotive Works, de Paterson, N. J., pour l’Exposition de Paris de 1867, une locomotive 4-4-0 américaine standard du milieu du 19e siècle.

Le pilote, ou « cow catcher », était unique aux locomotives américaines. Les voies ferrées n’étaient pas clôturées et les compagnies ferroviaires étaient responsables des dommages causés par une collision avec un animal, qui pouvait faire dérailler une locomotive. La John Bull, vers 1833, fut l’une des premières locomotives américaines à être équipée d’un tel dispositif pour dégager les obstacles de la voie. Bientôt, les pilotes sont devenus des appareils standard pour les locomotives américaines.

Les locomotives pouvaient être configurées de plusieurs façons, catégorisées par la disposition des roues du bogie avant, des roues motrices et du bogie arrière. La configuration 4-4-0 (c’est-à-dire quatre roues sur le bogie avant et quatre roues motrices, sans bogie arrière), était la plus utilisée aux États-Unis et a été connue sous le nom d’American Standard. Les locomotives qui se rencontrèrent au Promontory Summit, la Jupiter de la Central Pacific et l’Engine n° 119 de l’Union Pacific, étaient toutes deux des locomotives 4-4-0.

Les fabricants américains produisaient des locomotives de capacité égale à celle des moteurs britanniques, mais à un coût inférieur. Bien que les moteurs américains aient été décorés de façon élaborée avec des cuivres coûteux et que les coûts de main-d’œuvre aient été plus élevés qu’en Grande-Bretagne, les fabricants américains ont réduit les coûts en utilisant de la fonte moins coûteuse plutôt que du fer forgé pour de nombreux composants. Les chemins de fer américains ont commencé par utiliser des locomotives importées de Grande-Bretagne, mais à la fin du XIXe siècle, l’Amérique était un producteur majeur de locomotives et avait exporté plus de 2 900 moteurs.

Il n’est pas exagéré de dire que l’énergie à vapeur et les locomotives ont eu le même effet transformateur au 19e siècle que l’ordinateur au 20e. Robert Thurston, dans son livre de 1878 sur l’histoire de la machine à vapeur, a déclaré qu’il serait « superflu de tenter d’énumérer les avantages qu’elle a conférés à la race humaine, car une telle énumération comprendrait un ajout à chaque confort et la création de presque tous les luxes dont nous jouissons aujourd’hui. »