La puissance de la vapeur fut l'un des développements les plus importants de la révolution industrielle (1760-1840) en Grande-Bretagne. Inventée pour la première fois sous la forme d'une pompe dans les années 1690, une multitude d'inventeurs ont modifié les créations et bricolé des machines jusqu'à ce qu'une alternative efficace et puissante à l'énergie musculaire, hydraulique et éolienne ne finisse par attirer les utilisateurs commerciaux. Tout au long du 19e siècle, la machine à vapeur a révolutionné l'industrie et les voyages, apportant autant d'avantages que de défis.
Exploiter la puissance de la vapeur
Avant la révolution industrielle, les grandes machines étaient actionnées par des roues à aubes, des animaux ou des humains. Ces trois moyens étaient relativement coûteux (du moins en Grande-Bretagne). Ces sources d'énergie fonctionnaient bien, et les roues à aubes étaient les meilleures de toutes, mais le besoin logique d'avoir une source d'eau était une limite. Les roues à eau pouvaient également mal fonctionner par temps froid. Une industrie, en particulier, avait besoin d'une nouvelle technologie pour être plus performante: l'extraction du charbon. L'extraction du charbon avait toujours été limitée par le fait que plus les puits étaient profonds, plus la nappe phréatique s'infiltrait et empêchait l'extraction du charbon. Ce qu'il fallait, c'était une puissante machine-pompe. En 1700, la Grande-Bretagne produisait 80% du charbon en Europe. Les mines de charbon étaient une grande industrie, et c'est ce qui poussa les investisseurs et les inventeurs à trouver une solution bon marché aux mines inondées afin de pouvoir extraire davantage de charbon. C'est pourquoi la machine à vapeur, bien qu'utilisant les théories des scientifiques de toute l'Europe, fut inventée en Grande-Bretagne.
La puissance de la vapeur fut d'abord exploitée pour une pompe par Thomas Savery (c. 1650-1715), brevetée en 1698, mais sa puissance était limitée. Le premier principe important est que l'eau chauffée produit de la vapeur qui est 1500 fois plus volumineuse. La vapeur, lorsqu'elle se refroidit et se condense à nouveau en eau, réduit alors considérablement son volume et crée un vide partiel. Le vide crée une force d'aspiration, qui peut être utilisée pour aspirer de l'eau. En termes scientifiques, on a découvert que le poids de l'atmosphère extérieure, avec sa pression plus élevée que le vide dans la machine, crée une force énergétique qui peut être utilisée pour déplacer quelque chose d'un endroit à un autre.
Les principes du vide et de la pression atmosphérique étaient connus au 17e siècle des scientifiques tels que Galilée (1564-1642) et Evangelista Torricelli (1608-1647), mais le problème était de construire un appareil moteur suffisamment solide pour résister aux pressions impliquées. Si la pression pouvait être maîtrisée et augmentée, elle pourrait être utilisée pour aspirer un piston, et pas seulement de l'eau comme l'avait fait la pompe à vapeur de Savery. Le mouvement descendant du piston dans le vide est une course motrice qui peut être utilisé pour soulever une poutre à levier. Comme une balançoire, le piston descend et la poutre attachée monte. La poutre qui monte peut alors soulever une autre pièce de la machine. Lorsque le réservoir d'aspiration est vidé à l'aide de valves pour évacuer la vapeur, la poutre retombe dans sa position naturelle grâce à la gravité, et le piston est alors tiré hors du réservoir d'aspiration, prêt à répéter le cycle.
En 1710, Thomas Newcomen (1664-1729), un ferronnier de Dartmouth, trouva la voie à suivre en ajustant l'invention de Savery, il augmenta essentiellement la vitesse du processus de condensation (en injectant de l'eau froide), et donc la puissance. Une autre innovation clé était qu'au lieu d'utiliser une tige de piston droite (qui pouvait facilement se bloquer si elle était légèrement pliée), on utilisait une chaîne. La pompe du moteur à vapeur de Newcomen fut utilisée pour la première fois dans une mine de charbon à Dudley dans les Midlands en 1712. La machine pouvait aspirer 5 000 gallons (22,7 000 litres) par heure d'un puits de mine de 153 pieds (46,6 mètres) de profondeur. Le "moteur atmosphérique" de Newcomen n'était pas très efficace en termes de charbon nécessaire pour le chauffer, mais comme il fonctionnait dans des mines de charbon, ce n'était pas un problème. Pour utiliser une telle machine ailleurs sans que son coût soit prohibitif, il faudrait encore quelques modifications techniques.
L'efficacité des premières machines à vapeur fut améliorée grâce à l'ouvrier écossais James Watt (1736-1819) en 1769, puis en 1778 avec l'aide de Matthew Boulton (1728-1809). Watt sépara les parties chaudes et froides de la machine qui nuisaient à l'efficacité de l'action de condensation. Sa machine est donc souvent appelée condenseur séparé. Watt s'assura également que la vapeur poussait le piston vers le bas en même temps que le vide le tirait vers l'intérieur, augmentant ainsi la puissance (mesurée en "chevaux-vapeur", un terme inventé par Watt). Watt fit ensuite appel aux compétences de John et William Wilkinson, qui étaient des experts en fabrication de canons. Les Wilkinson pouvaient fournir au moteur à vapeur de Watt des pièces en fer de bien meilleure qualité, ce qui garantissait que très peu de vapeur ne s'échappait par accident du mécanisme du piston. Watt continua à bricoler sa machine jusqu'à ce qu'il n'atteigne le point où sa machine à vapeur n'utilisait qu'un quart du charbon de Newcomen. Désormais, les pompes à vapeur pouvaient être utilisées dans les mines d'étain et de cuivre où le charbon était cher.
Les machines à vapeur continuèrent à évoluer. Une amélioration importante fut le moteur à expansion, qui coupe essentiellement la source de chaleur avant que la vapeur ne se soit complètement dilatée, permettant à l'expansion de se poursuivre naturellement et économisant ainsi du carburant. Le contrôle de l'expansion de la vapeur à l'aide de soupapes constitua un autre progrès. La conception d'une course motrice circulaire (mouvement rotatif), qui pouvait actionner un volant d'inertie, beaucoup plus polyvalent qu'une tige droite ou une chaîne et beaucoup plus stable, était encore bien plus efficace. Grâce à l'évolution des matériaux et à la contribution d'autres concepteurs, qui partageaient souvent leurs découvertes, il devint possible en 1800 d'exploiter uniquement la partie vapeur du processus sans se soucier de la partie condensation. Plus puissantes mais consommant beaucoup moins de carburant et beaucoup moins chères à faire fonctionner que jamais auparavant, les machines à vapeur pouvaient désormais être utilisées pratiquement partout.
La machine à vapeur existait dans toutes les tailles et était désormais une pièce de machinerie extraordinairement complexe. Dans le cadre de l'étrange entraide de la révolution industrielle, les machines étaient utilisées pour améliorer d'autres machines. Ainsi, les moteurs à vapeur alimentaient des machines de découpe et de travail du métal pour produire des pièces meilleures et plus solides qui pouvaient être utilisées pour les moteurs à vapeur à venir. En 1800, la Grande-Bretagne comptait plus de 2 500 machines à vapeur, la plupart utilisées dans les mines, les filatures de coton et les usines de fabrication. Ces moteurs se nourrissaient de charbon et, grâce à leur succès, l'extraction du charbon connut un véritable essor. Les machines à vapeur furent également utilisées dans les mines de charbon d'autres pays européens, notamment en Belgique, en France, en Allemagne et aux Pays-Bas.
Tout au long du 19e siècle, la présence de machines partout dans le monde signifia que des perfectionnements furent apportés par ceux qui travaillaient avec elles au quotidien. En 1845, William McNaught, par exemple, augmenta considérablement la pression et donc la puissance de ses machines. Cette évolution finit par aboutir à la première turbine à vapeur, qui convertissait l'énergie en une roue aux pales fines, comme un ventilateur géant. Elle fut inventée en 1884 par Charles Parsons (1854-1931) qui l'utilisa pour propulser son navire Turbina à la vitesse étonnante de 34,5 nœuds. En 1907, on comptait plus de 9,5 millions de machines à vapeur en Grande-Bretagne. Ce fut la fin de l'évolution de la machine à vapeur, avant que le moteur à combustion et l'électricité ne prennent le relais comme principales sources d'énergie. Au cours du 19e siècle, cependant, la vapeur parcourut un long chemin depuis les mines de charbon et trouva toute une série d'utilisations dans toutes les grandes industries.
Les trains à vapeur
Le système de canaux en Grande-Bretagne avait longtemps été le meilleur moyen de transporter des marchandises d'un endroit à l'autre, mais sa domination était sur le point d'être contestée par une alternative moins chère et beaucoup plus rapide : les chemins de fer. En 1801, le premier véhicule routier à vapeur fut inventé par Richard Trevithick (1771-1833) suite à son développement du moteur à vapeur haute pression (les moteurs basse pression n'avaient tout simplement pas la puissance nécessaire pour entraîner des véhicules). Sa machine était très performante, mais elle était pénalisée par la mauvaise qualité des routes disponibles. En 1803, Trevithick inventa la première machine ferroviaire à vapeur qui pouvait fonctionner sur ses propres rails. Le 27 septembre 1825, le train Locomotion 1 inventé par George Stephenson (1781-1848) transporta les premiers passagers du chemin de fer de Stockton à Darlington, dans le nord-est de l'Angleterre. En 1829, le fils de George Stephenson, Robert Stephenson (1803-1859), créa la Rocket, qu'il présenta aux essais de Rainhill. Ces essais étaient des concours destinés à trouver la meilleure locomotive pour la nouvelle ligne ferroviaire qui devait relier Manchester à Liverpool et qui fut ouverte en 1830. En 1838, Birmingham était reliée à Londres; en 1841, les passagers pouvaient prendre le train de la capitale à Bristol. Les chemins de fer étaient en plein essor.
Les rails en fer se répandirent si rapidement en Grande-Bretagne que le phénomène fut connu sous le nom de "Railway Mania". En 1870, il y avait plus de 24 000 km de voies ferrées. Pour de nombreuses destinations, les passagers n'avaient plus à braver les calèches lentes et inconfortables qui étaient auparavant le seul moyen de voyager sur de longues distances. La vitesse et le confort étaient désormais ce à quoi les voyageurs s'attendaient.
Navires à vapeur
La vapeur et les transports semblaient faits l'un pour l'autre. La conception des navires fut un autre domaine révolutionné par l'arrivée de la machine à vapeur, mais il y avait un problème fondamental. Comme une machine à vapeur avait besoin d'une énorme quantité de charbon et d'eau douce pure pour fonctionner (afin de ne pas endommager les mécanismes), tout navire propulsé par une roue à aubes à vapeur devait consacrer une grande partie de sa capacité de charge à ces éléments essentiels. Pour ces raisons, les premiers bateaux à vapeur étaient généralement de petite taille et limités à de courts trajets, généralement le long des rivières. Pour les navires à vapeur de longue distance, il fallait des moteurs encore plus efficaces, et les ingénieurs se mirent donc au travail. Une fois de plus, la nécessité conduisit à l'invention. Les nouveaux moteurs à vapeur récupéraient désormais la vapeur d'échappement perdue et comportaient plusieurs pistons ou manivelles. Cette augmentation de la puissance et de l'efficacité signifiait qu'il fallait moins de carburant et que la domination de la voile pouvait enfin être remise en question.
Le premier ferry à vapeur fut l'Hibernia, qui transportait des passagers entre Holyhead au Pays de Galles et Dublin en Irlande. Des navires à vapeur furent développés simultanément dans d'autres pays, notamment aux États-Unis pour le transport sur les fleuves Ohio et Mississippi à partir de 1811. Des navires plus grands apparurent et traversèrent même l'Atlantique, mais le problème de l'espace pour les moteurs et le charbon faisait qu'il ne restait pas beaucoup de place pour les marchandises ou les passagers. Par conséquent, ces premiers navires n'étaient pas commercialement viables. Les voyages en mer sur de longues distances étaient tout simplement trop coûteux en raison du prix du carburant. Il était nécessaire de repenser la taille des navires.
Le grand ingénieur Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) utilisa un moteur à vapeur pour propulser ses navires géants : le Great Western (1838), le Great Britain (1843), un navire à hélice innovant, et le SS Great Eastern, le plus grand navire du monde avec ses 211 mètres de long, achevé en 1858. Ces navires et d'autres traversèrent l'Atlantique plus rapidement que jamais auparavant (10 jours contre 32 à la voile), et de nouvelles routes ambitieuses vers l'Inde et l'Australie furent rapidement établies. Le premier navire de charge utilisant la vapeur fut le John Bowes, construit en 1852.
L'ère de la voile, du moins pour les grands navires, touchait à sa fin. Les navires à vapeur ne dépendaient pas du vent et pouvaient se déplacer en ligne droite (les voiliers, eux, devaient virer de bord contre un vent de face), ce qui réduisait la longueur des voyages. La vitesse devint la nouvelle priorité des voyageurs océaniques. L'accès plus rapide et moins cher des navires à vapeur à de nouvelles ressources et à de nouveaux marchés de consommation dans le monde entier poussa l'industrie à produire toujours plus de biens, ce qui conduisit à la production de nouvelles machines à vapeur.
Les machines à vapeur
En 1789, des métiers à tisser à vapeur furent utilisés dans les usines textiles, une machine inventée par Edmund Cartwright entre 1784 et 1786 et utilisée pour la première fois dans les usines du baron du coton Richard Arkwright (1732-1792). La machine de Cartwright doublait la vitesse de production mais n'était pas si efficace que cela; les inventeurs suivants travaillèrent sur ce problème avec succès. En 1835, environ 75 % des filatures de coton utilisaient la vapeur. Une usine fonctionnant à la vapeur n'avait pas besoin d'être située près d'une source d'eau, ce qui permettait de choisir de meilleurs sites où il y avait plus de monde et où les ressources naturelles, comme le charbon, étaient proches.
Les pompes pour eaux usées fonctionnaient à la vapeur, les fontaines des villes aussi, tout comme les moteurs qui débarrassaient les zones gorgées d'eau pour les rendre utiles à l'agriculture. Les pièces de monnaie étaient désormais frappées par des machines à vapeur. Les presses à imprimer fonctionnaient à la vapeur et leur efficacité rendit les journaux beaucoup plus abordables dans l'avant-dernière décennie du 19e siècle. Même dans les nombreux travaux effectués à la main, les outils utilisés étaient souvent fabriqués à l'aide de machines actionnées par la vapeur. En bref, tout travail où il fallait pousser, tirer, soulever ou presser pouvait être rendu beaucoup plus efficace grâce aux machines à vapeur. La machine vedette, et certainement la plus grande, était le marteau à vapeur.
En 1839, le marteau à vapeur fut inventé par James Nasmyth (1808-1890). Il servait à façonner de très gros morceaux de fer pour en faire des composants de machines tels que des arbres de transmission pour les navires. Le marteau fonctionne grâce à la puissance de la vapeur qui soulève un poids important et le laisse tomber verticalement sur le métal à plier. Il est essentiel que la machine contrôle la descente du poids, à la fois en termes de vitesse et de précision, ce qui permet une production uniforme de fer ou d'acier façonné. Plus tard, l'énergie de la vapeur permit également de faire descendre le poids, ce qui signifie qu'il était possible de façonner n'importe quelle pièce de métal, quelle que soit sa taille. Les marteaux à vapeur atteignaient une taille prodigieuse, certains mesuraient plus de 10,6 mètres de haut et pesaient 90 tonnes, ce qui signifiait qu'ils créaient un bruit énorme que l'on pouvait entendre dans toutes les villes.
L'un des grands avantages des moteurs à vapeur était qu'ils pouvaient être déplacés là où ils étaient nécessaires. C'était particulièrement utile pour l'agriculture et des engins tels que les batteuses. Les moteurs à vapeur pouvaient désormais ressembler à un petit train, mais il ne s'agissait pas de véhicules de transport ; ils étaient conçus pour permettre à la puissance de la vapeur d'atteindre l'endroit où elle était nécessaire. Les fêtes foraines, qui se déplaçaient dans tout le pays, furent un autre bénéficiaire de la puissance de la vapeur, utilisée pour faire fonctionner les manèges mécaniques. Un type distinct de machine à vapeur portable, la locomotive routière, se développa tout particulièrement pour ces foires, et elle devint une attraction en soi.
Conséquences
Si la vapeur permit de réduire les coûts de production, d'augmenter les profits et de rendre les biens de consommation produits en masse moins chers, ces avantages avaient un coût. Les industries traditionnelles comme le tissage à la main furent pratiquement détruites par l'arrivée des usines à vapeur. Les diligences, les malles-poste, les auberges et les éleveurs et soigneurs de chevaux tous souffrirent lorsque les trains leur volèrent le travail. De nombreuses personnes perdirent le moyen de subsistance dont elles, leurs parents et leurs grands-parents dépendaient pour vivre. Les hommes, en particulier, perdirent leur emploi, les propriétaires d'usines préférant employer des femmes et des enfants moins chers. La vie devint exiguë dans les villes et l'air, nettement moins pur.
Certaines personnes protestèrent contre ces changements, notamment dans les grandes villes manufacturières du Yorkshire, du Lancashire et du Nottinghamshire. La période entre 1811 et 1816 fut particulièrement problématique pour les propriétaires d'usines. Connus sous le nom de Luddites, d'après leur chef mythique Ned Ludd, les protestataires les plus violents firent irruption dans les usines et brisèrent les machines qui leur avaient enlevé leur gagne-pain. L'Establishment riposta. De généreuses récompenses furent offertes pour toute information sur les luddites ou pour leur capture, et l'armée fut appelée à protéger les usines. Les protestataires qui se firent prendre encouraient des peines sévères, comme la pendaison ou la déportation en Australie.
La révolution de la vapeur entraîna des pertes d'emplois et des bouleversements pour beaucoup, mais elle créa également de nouveaux emplois. Les machines permettaient de construire des usines plus grandes, ce qui nécessitait un plus grand nombre de travailleurs, et donc plus de personnes commencèrent à vivre dans les villes. Les machines nécessitaient d'énormes quantités de charbon, et les nouveaux produits qu'elles fabriquaient nécessitaient davantage d'acier et de fer, ce qui entraîna une augmentation du nombre de mines et d'emplois. Les machines offraient de nouvelles possibilités dans l'utilisation des métaux, de sorte que de vastes projets de construction tels que des tunnels, des ponts et des chemins de fer générèrent davantage d'emplois. Les chemins de fer avaient besoin d'ingénieurs, de conducteurs, d'ouvriers, de chefs de gare et de porteurs. Les magasins fleurissaient, car les travailleurs urbains avaient un peu plus d'argent qu'auparavant, qu'ils pouvaient dépenser pour acheter des marchandises intéressantes provenant de tout l'Empire britannique. Les stations balnéaires étaient en plein essor grâce aux excursions en train. La domination séculaire de l'agriculture en Grande-Bretagne touchait à sa fin, et un tout nouveau mode de vie commençait pour beaucoup.
La puissance de la vapeur, les machines et la concentration du travail eurent une autre conséquence durable. Les usines équipées de machines lourdes étaient des lieux chauds et bruyants, et les travailleurs devaient travailler de longues heures. Ces mauvaises conditions contribuèrent à la formation du mouvement syndical qui cherchait à protéger les droits des travailleurs contre les propriétaires d'usines sans scrupules. Une fois établis, les syndicats furent en mesure de collecter des fonds auprès de leurs membres et d'aider les travailleurs malades ou blessés qui ne pouvaient pas travailler (et n'étaient donc pas payés). Les propriétaires n'appréciaient pas ces limites à leurs profits et le gouvernement interdit les syndicats entre 1799 et 1824, mais le mouvement de protection des travailleurs ne put être arrêté indéfiniment.
Pendant ce temps, les machines à vapeur continuèrent à se répandre dans de nouvelles régions, tant géographiques qu'industrielles. Des machines à vapeur furent construites dans tout l'Empire britannique et ailleurs, propageant l'innovation jusque dans les régions où le charbon était plus cher grâce aux grands progrès réalisés en matière de rendement énergétique. D'autres pays rattrapèrent rapidement la Grande-Bretagne. La révolution industrielle, alimentée par la vapeur, était devenue un phénomène mondial perpétuel irrépressible.
