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Les réseaux de force motrice hydraulique

Sat, 30 Sep 2023 00:00:00 +0000

Illustration : Un accumulateur hydraulique. Image : [Les Chatfield](https://www.flickr.com/photos/61132483@N00/7184633723).

L’utilisation des moteurs à eau était largement répandue en Europe et en Amérique dans la seconde moitié du dix-neuvième siècle. Reliées à un robinet, ces petites turbines hydrauliques pouvaient faire fonctionner n’importe quelle machine aujourd’hui alimentée à l’électricité. Comme nous l’avons montré dans un précédent article, faire fonctionner ces moteurs à l’eau courante n’était pas une solution particulièrement durable. Du fait des niveaux de pression à la fois faibles et irréguliers dans les réseaux d’adduction, ces moteurs consommaient d’énormes quantités d’eau potable.

Tandis qu’aux Etats-Unis les moteurs à eau tombèrent en désuétude au début du vingtième siècle, les Européens trouvèrent une solution pour réduire leur importante consommation d’eau, perfectionnant ainsi la technique de transmission d’énergie par voie hydraulique. Ils déployèrent des « réseaux de force motrice hydraulique », dédiés à la distribution d’eau sous pression pour des usages de force mécanique exclusivement, et les convertirent à des régimes de pression beaucoup plus élevés et constants, rendus possibles par l’invention de l’accumulateur hydraulique.

La quasi-totalité de ces réseaux demeurèrent en service jusque dans les années 1960 et 1970. Comparée à l’électricité, la transmission de l’énergie hydraulique comme force motrice s’avère très efficace, quand elle est utilisée pour alimenter des machines puissantes mais fonctionnant de manière intermittente, lesquelles peuvent être réparties sur une aire géographique de la taille d’une ville entière.

“L’usage de l’eau est un sujet étonnamment peu considéré dans les publications d’ingénierie. Cantonnée à une image romantique ou populaire, la force motrice hydraulique n’a jamais conquis l’intérêt du grand public, contrairement à la machine à vapeur, la locomotive ou même le moteur à combustion interne.” Ian McNeil, Hydraulic Power, 1972

Les bases théoriques de la transmission de l’énergie hydraulique furent établies en 1647 par le jeune prodige français Blaise Pascal. Il découvrit, par le biais d’expériences scientifiques, que l’eau – contrairement à l’air – est un fluide quasi incompressible et transmet la pression de manière uniforme dans toutes les directions.

Les conséquences pratiques de ce qui deviendra plus tard le Principe de Pascal, aussi appelé “paradoxe hydrostatique”, furent démontrées par sa “machine à multiplier les forces”, schématiquement illustrée ci-dessous. Elle consiste en 2 cylindres, reliés entre eux par un tuyau. L’ensemble du dispositif est rempli d’eau et scellé hermétiquement. Le premier cylindre contient un piston de faible diamètre, tandis que le second cylindre contient un piston de diamètre 100 fois supérieur.

Machine à multiplier les forces.

Pascal parvint à démontrer qu’en plaçant un poids sur le petit piston, la force exercée permettrait de soulever un poids 100 fois plus lourd disposé sur le grand piston. En d’autres termes, selon le principe de Pascal, une force peut être appliquée à une petite aire pour exercer une force plus importante sur une plus grande surface : une machine exploitant ce principe pour multiplier une force de la sorte est appelée presse hydraulique. Le rapport entre les forces exercées respectivement sur le petit et le grand piston s’appelle l’avantage mécanique du levier hydraulique – dans l’exemple précédent, il est de 100 pour 1. Autrement dit, il est possible de générer une force résultante de 100 kg en appliquant une force initiale de seulement 1 kg.

Une Machine à Multiplier les Forces

La multiplication des forces était tout sauf une nouveauté au début du dix-septième siècle. Des systèmes plus simples, tels que les poulies, engrenages, cabestans, treuils et grues à tympan (aussi appelées « roues de carrier ») – autant de variantes du bras de levier, vieux de 7000 ans – étaient capable de générer une importante force résultante à partir d’un effort initial moindre. Les Romains, par exemple, construisaient des grues dont l’avantage mécanique pouvait atteindre 70 pour 1, ce qui signifie qu’un seul homme exerçant une force d’environ 25 kg pouvait soulever 1,75 tonnes.

Toutefois, la version hydraulique du mécanisme de levier présente un avantage considérable par rapport aux mécanismes qui l’ont précédée : les pertes d’énergie par friction sont minimes, et indépendantes de l’avantage mécanique. Par conséquent, le rapport de multiplication potentiel est presque infiniment plus grand, et les 2 pistons peuvent être éloignés d’une distance considérable – jusqu’à 25 km environ, comme nous le verrons plus loin.

En hydraulique, les pertes d’énergie par friction sont indépendantes de l’avantage mécanique, le rapport de multiplication des forces est donc potentiellement quasi infini

L’augmentation du rapport de multiplication peut être effectuée soit en augmentant le rapport de taille entre la surface des deux pistons, soit en exerçant une force plus importante sur le plus petit piston. Tout comme dans les dispositifs plus anciens évoqués ci-dessus, l’accroissement de l’avantage mécanique s’accompagne toujours d’une diminution de la vitesse.

Si une force hydraulique faible est convertie en une force plus grande, sa vitesse de fonctionnement sera réduite de manière inversement proportionnelle, dans la mesure où la distance parcourue est proportionnelle à la force. Par exemple, en descendant le petit piston de 10 centimètres vers le bas, on n’élèverait l’autre piston qu’au 1/100ème de cette distance.

Pascal barrel experiment.

Par conséquent, au sein d’un système en circuit fermé, le poids le plus lourd ne pourrait être déplacé vers le haut que sur une distance très courte, relative à la longueur du bras du piston. Cette limite intrinsèque disparaît toutefois si l’on introduit de l’eau supplémentaire au sein du système et que le petit piston, au lieu de ne descendre qu’une seule fois, réalise plusieurs cycles de montée-descente – c’est-à-dire quand il fonctionne comme une pompe. Dans ce cas, le grand piston continuera de monter.

La Presse Hydraulique

Les matériaux disponibles à l’époque n’étant pas assez robustes pour résister à une telle pression, Pascal ne put faire qu’indirectement la démonstration de son principe. Il faudra attendre un siècle et demi pour que la multiplication hydraulique des forces soit réellement mise en pratique. La première utilisation qui en tira profit n’était pas un engin de levage, mais presque le contraire : il s’agit de la presse hydraulique, générant une force dite de compression.

La traditionnelle presse à vis, en usage à cette époque, avait connu peu d’évolutions depuis son invention par les Romains, qui l’utilisaient alors pour presser les olives et le raisin. Elle nécessitait, pour fonctionner, des efforts conséquents avec d’importantes pertes d’énergie par friction (+80 %), et ne pouvait exercer de pression supérieure à 25 tonnes. (La vis, qui convertit le mouvement de rotation en un mouvement linéaire vertical, consiste tout simplement en un plan incliné “enroulé” en spirale autour d’un cylindre).

À gauche : La presse à vis. Crédit d’image : [Bruce K. Satterfield](http://emp.byui.edu/SATTERFIELDB/Olive%20Tree/olive%20tree%20horticulture.htm) À droite : La presse hydraulique.

On doit l’invention de la presse hydraulique, en 1796, à un serrurier et charpentier anglais, Joseph Bramah. Son fonctionnement est entièrement basé sur les travaux théoriques de Pascal. Actionnée par une pompe manuelle, la presse hydraulique de Bramah permit d’augmenter considérablement la force pouvant être développée par un humain.

Avec les matériaux disponibles à l’époque, Bramah parvint à obtenir un ratio de 1000 pour 1, ce qui signifie qu’un poids effectif de 60 tonnes pouvait être actionné par un effort initial de 60 kg seulement sur le bras de la pompe. Le rendement de cette presse hydraulique était supérieur à 90%.

Les Ports et Chantier Navals

Bien qu’ils fussent particulièrement adaptés aux opérations de levage, les systèmes hydrauliques firent peu de progrès dans ce domaine pendant la première moitié du dix-neuvième siècle. Cela tient en grande partie aux difficultés rencontrées pour convertir le mouvement linéaire des béliers et vérins hydrauliques en mouvement rotatif des tympans de grue. Si pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de divers engins de levage manuels, la nécessité de disposer de grues de plus en plus grandes et surtout plus puissantes se faisait sentir.

A partir des années 1930, l’acier commença à entrer dans la construction navale, de manière concomitante à l’augmentation de la taille des navires. Les systèmes traditionnels de levage n’étaient plus adaptés au regard des charges à soulever. La grue à vapeur, apparue dans les années 1850, fut la solution qui s’imposa alors dans la plupart des pays. Toutefois, une alternative intéressante fit son apparition dans les ports et chantiers navals britanniques : la grue hydraulique.

Pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de grues et engins de levage manuels.

C’est au cours des années 1840 que l’ingénieur anglais William Armstrong commença à concevoir et utiliser des grues hydrauliques relativement puissantes. Conscient que les systèmes hydrauliques sont plus adaptés aux mouvements lents et réguliers, Armstrong mis au point une technique permettant de soulever une charge en une seule course de piston ou vérin, démultipliant suffisamment le mouvement par un jeu de poulies.

Hydraulic crane.

Ses efforts furent cependant mis à l’épreuve par les caractéristiques des réseaux d’adduction d’eau de l’époque, source d’énergie pour ces machines, dont la pression était à la fois faible et variable. La puissance mécanique maximale fournie par une machine hydraulique est en effet déterminée par la pression et le débit d’eau. La hauteur maximale d’un château d’eau étant limitée, il en va de même pour la pression au sein du réseau de distribution qui lui est associé. Un château d’eau d’une hauteur de 50 m (165 pieds) peut ainsi délivrer une pression de 70 psi (4,8 bars environ).

Il en découle que le seul moyen d’accroître la puissance mécanique d’une grue hydraulique alimentée par un réseau d’adduction est d’augmenter le débit d’eau. L’inconvénient est alors double : ceci entraîne d’une part une consommation accrue d’eau potable, et induit d’autre part une augmentation de la taille et du coût des conduites, valves, vérins et autres composants du réseau. En outre, en période de forte consommation d’eau potable de la part des autres usagers, le niveau d’eau du réservoir ou château d’eau diminue, de même que la pression hydraulique au sein du réseau et, in fine, la puissance délivrée en sortie par la machine.

L’Accumulateur Hydraulique

En 1851, Armstrong mit au point une solution alternative qui résolut ces différents problèmes : l’accumulateur hydraulique. Bien qu’étant beaucoup plus compact qu’un château d’eau, ce dispositif pouvait générer une pression hydraulique de 700 psi (48 bars) ou plus – dix fois supérieure à celle du réseau d’eau potable. Cela permettait de fournir une puissance supérieure d’un ordre de grandeur (c’est-à-dire de la multiplier par un facteur 10) sans augmenter la consommation d’eau potable ni surdimensionner la taille des composants.

L’accumulateur hydraulique d’Armstrong consistait en un cylindre vertical dans lequel un vérin ou un piston plongeur exerçait une pression sur l’eau. Ce piston était lesté d’un contrepoids, lequel prenait généralement la forme d’un réservoir de lestage cylindrique entourant le cylindre central (image de gauche, ci-dessous). Ce réservoir était ballasté avec des granulats (pierres concassées), de la ferraille ou tout autre matériau de lestage.

Hydraulic accumulators. À gauche : Un accumulateur hydraulique dans le Port de Bristol. Wikipedia Commons. À droite : Accumulateur hydraulique, Walsh Bay, Sydney. Source : [NSW HSC Online](http://hsc.csu.edu.au/engineering_studies/application/lift/3377/hydraulics.htm)

Il fallait, pour obtenir une pression de 700 psi, l’équivalent de 100 tonnes de ballast, appliquées sur un piston d’environ 45 cm de diamètre et d’une course verticale (distance maximale parcourue dans le cylindre) de 6 à 7 mètres. Un autre type d’accumulateur hydraulique fonctionnait avec un ballast briqueté (image ci-dessus, à droite) ou un empilement de brames d’acier (plaques rectangulaires), disposées sur un plateau. Les accumulateurs hydrauliques pouvaient être installés soit en extérieur, soit au sein d’un bâtiment conçu à cet effet.

Un accumulateur hydraulique pouvait fournir une puissance dix fois plus élevée que celle d’un château d’eau, et maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau.

Le fonctionnement d’un accumulateur hydraulique repose sur un mécanisme analogue à celui d’un château d’eau. En partie basse du cylindre central se trouvent une arrivée et une sortie d’eau. L’eau du port pouvait être directement introduite dans l’accumulateur par une pompe à vapeur, soulevant ainsi le piston, pour être ensuite envoyée sous pression dans les conduites via la valve de sortie, abaissant alors le piston.

L’énergie était stockée temporairement lors de l’ascension du vérin, puis récupérée lors de sa descente. Le débit de pompage de la machine à vapeur était régulé en fonction du niveau d’eau dans l’accumulateur, soit automatiquement par un système de liaisons mécaniques, soit avec l’aide d’un opérateur.

Hydraulic accumulator.

Contrairement à un château d’eau, un accumulateur hydraulique permettait de maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau quelque soit le volume d’eau contenu dans son cylindre, car la pression y est générée par le poids du ballast et par non le poids de l’eau elle-même – pour le dire autrement, l’accumulateur hydraulique génère une pression au moyen d’un poids extérieur plutôt que par la seule énergie gravitaire (liée à la différence de hauteur).

Avec un rendement de charge/décharge supérieur à 98 %, et aucune autodécharge, l’accumulateur hydraulique était un dispositif extrêmement efficace sur le plan énergétique.

Des Machines Industrielles Alimentées par la Force Motrice

Son introduction eut deux effets majeurs. Premièrement, elle élargit considérablement l’éventail des opérations susceptibles d’être réalisées par des machines à énergie hydrauliques. Les moteurs à eau connectés au réseau d’eau potable se limitaient alors à de petits appareils domestiques ou des outils d’atelier. Mais Armstrong et d’autres ingénieurs adaptèrent l’usage de l’eau sous haute pression à tout un large spectre d’opérations industrielles nécessitant des puissances importantes, telles que le forgeage, le poinçonnage, l’emboutissage, le bordage, le cisaillage et le rivetage (ancêtre de la soudure).

Riveteuse hydraulique.

Dans les ports, l’eau sous haute pression servait non seulement à actionner les grues et engins de levage destinés à la manutention de marchandises sur les quais et dans les entrepôts, mais aussi les portes d’écluses, les ponts tournants, ascenseurs à bateaux et cales sèches. Dans les gares de triage, la distribution de force motrice était utilisée pour déplacer le fret et les wagons (au moyen de treuils cabestan hydrauliques) ainsi que pour actionner les plaques tournantes, les monte-charges et engins de transbordement. Toutes ces applications de l’énergie hydraulique auraient été impossibles avec la pression généralement faible et irrégulière au sein des canalisations d’eau courante de l’époque.

Une fois encore, il suffit de regarder l’évolution des techniques de levage pour prendre la mesure du rôle crucial joué par l’énergie hydraulique dans le contexte de l’époque. En 1586, un obélisque de 344 tonnes fut déplacé d’une place de Rome vers une autre place. Domenic Fontana, ancien maçon puis architecte et maître d’œuvre au Vatican, en supervisa le transfert. Il décida, pour assurer cette mission, de soulever l’obélisque et de le poser horizontalement sur un traîneau pour le transporter au centre de la place Saint-Pierre, où il devait être nouvellement érigé. L’opération mobilisa 40 cabestans, actionnés par quelques 75 chevaux et 400 hommes. En 1878, John Dixon érigea un autre obélisque – l’Aiguille de Cléopâtre, d’une masse de 209 tonnes – au moyen de quatre crics hydrauliques de levage, actionnés par quatre hommes.

Les Réseaux de Force Motrice Hydraulique

Deuxièmement, l’accumulateur hydraulique rendit possible le transfert efficace d’énergie sur de longues distances. Dans une canalisation de 30 cm, la perte de charge dans le réseau s’élève à 10 psi par mile (environ 0,4 bar / km), une valeur indépendante de la pression. Par conséquent, en transportant de l’eau à une pression de 70 psi sur une distance de 7 miles (12 km), toute l’énergie initiale est dissipée en sortie. Mais en distribuant de l’eau sur cette même distance à une pression initiale de 700 psi, il résulte une pression de 630 psi à l’arrivée ; le rendement s’élève alors à 90 %.

Le rendement élevé de l’eau sous haute pression comme vecteur énergétique entraîna la construction d’au moins une douzaine de réseaux publics de distribution de force motrice dotés d’accumulateurs – dont la moitié en Grande-Bretagne. Grâce à l’action de machines à vapeur centralisées, l’eau y était pompée vers des accumulateurs hydrauliques, qui distribuaient ensuite l’eau sous haute pression sur un territoire plus ou moins vaste. Un ou plusieurs accumulateurs étaient installés dans chaque station du réseau, tandis que d’autres étaient répartis à des points stratégiques le long des canalisations, comme « sous-stations ».

L’idée d’un réseau de force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été esquissée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique.

Des années 1870 aux années 1890, des réseaux d’eau motrice sous pression furent ainsi déployés dans les principales villes industrielles de Grande-Bretagne : Kingston upon Hull, London, Liverpool, Birmingham, Grimsby, Manchester et Glasgow. Les compagnies portuaires et ferroviaires furent pionnières dans le développement cette technologie, et en demeurèrent les principales utilisatrices pendant plusieurs décennies.

Illustrations d’un accumulateur, d’une grue et d’un élévateur hydrauliques.

La force motrice hydraulique était en outre utilisée dans des procédés industriels de fabrication, pour actionner les ascenseurs d’immeubles publics, privés et commerciaux, mais aussi différents appareils domestiques et outils d’ateliers artisanaux. Quiconque avait la chance d’être situé à proximité d’une canalisation souterraine pouvait ainsi se raccorder au réseau public. Les consommations d’eau étaient relevées, au même titre que l’eau potable ou l’électricité aujourd’hui.

L’idée d’un réseau force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été évoquée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique. Mais Bramah, qui avait également imaginé le principe de l’accumulateur et de la grue hydrauliques, était trop en avance sur son temps. Il fallut attendre près de 60 ans pour que ses idées soient mises en pratique par Armstrong et ses contemporains.

La Compagnie d’Énergie Hydraulique de Londres

C’est à Londres que fut construit le plus vaste réseau de force motrice hydraulique, exploité par la “London Hydraulic Company”. À l’apogée de l’entreprise en 1917, pas moins de cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville. Dans les théâtres et autres équipements culturels de Londres, l’eau motrice était utilisée pour déplacer les décors, les consoles d’orgues, les rideaux coupe-feu et les plateaux de scène. La machinerie hydraulique du Tower Bridge était également actionnée par de l’eau sous pression, pompée dans six accumulateurs par des moteurs à vapeur, permettant la levée des bascules.

Illustration : plan du réseau de canalisations et stations de la London Hydraulic Power Company, 1895.

Les bornes à incendie bénéficiaient elles aussi du système haute pression, et plusieurs centaines d’entre elles étaient raccordées au réseau de la London Hydraulic Power Company. Ces dispositifs anti-incendie permettaient par ailleurs d’augmenter la pression au sein des canalisations domestiques en y injectant de petites quantités d’eau sous haute pression, au moyen de pompes à jet. En effet, l’eau comprimée fournie par le service d’eau motrice n’était pas disponible en quantité suffisante pour avoir un réel impact contre les incendies majeurs, tandis que l’eau potable domestique était abondamment disponible, mais à une pression trop faible pour atteindre les derniers étages des immeubles.

À Londres, cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville

Une autre application notable de l’eau sous haute pression à Londres fut le Silent Dustman, un système d’aspiration à énergie hydraulique commercialisé en 1910. Plusieurs grands hôtels en furent intégralement “équipés” : de l’eau courante était utilisée par une pompe à jet pour générer du vide dans un conduit principal, sur lequel venait se brancher le système d’aspiration. Le long de ce conduit, un certain nombre de buses permettaient de brancher des tuyaux souples. La poussière était ainsi aspirée vers le tube principal puis évacuée vers les égouts. Ce système, au fonctionnement à la fois silencieux et efficace, demeura en service jusqu’en 1937.

Une des stations du réseau de Londres. Noter la tour sur la droite, où sont installés les accumulateurs hydrauliques.

Malgré cela, à Londres, la force motrice hydraulique ne semble pas avoir eu d’impact réellement probant sur la vie quotidienne des habitants. Dans The Hydraulic Age (1980), Brinley Pugh avance que cela est “potentiellement lié au fait que la main d’œuvre domestique était à l’époque abondante et bon marché. Avec les conditions actuelles, l’histoire aurait été différente, dans la mesure où les potentialités offertes par l’énergie hydraulique étaient alors équivalentes à celles de l’électricité aujourd’hui.”

Dans la plupart des réseaux, l’eau était distribuée à une pression de 700 à 800 psi (48 à 55 bar), à l’exception de Manchester et Glasgow où l’eau était comprimée à 1120 psi. Ces deux villes rencontraient en effet une forte demande en énergie à destination de presses hydrauliques, utilisées pour la mise en balle du coton, une opération qui nécessitait une pression plus élevée.

Les Réseaux de Force Motrice en dehors du Royaume-Uni

Les réseaux britanniques firent des émules en inspirant la création de réseaux similaires ailleurs dans le monde : à Anvers en Belgique, Buenos Aires en Argentine, Melbourne et Sydney en Australie. Si les réseaux australiens étaient directement inspirés de ceux déployés au Royaume-Uni (avec 80 km de canalisations, celui de Melbourne fut le second plus grand jamais construit), le système argentin servait au pompage des eaux usées, tandis que le réseau d’Anvers était quant à lui conçu pour la production combinée – on parle aujourd’hui de “cogénération” – d’énergie mécanique et d’électricité. Cette dernière technique visait à palier les importantes pertes en ligne du transport d’électricité à cette époque.

"Zuiderpershuis" : une ancienne station de pompage hydraulique à Anvers. Les accumulateurs hydrauliques étaient installés dans les deux tours.

Dans The Hydraulic Age, Brinley Pugh écrit que :

“Concernant la transmission d’énergie, les premières centrales électriques furent confrontées aux mêmes problèmes que les centrales hydrauliques ; le “voltage” de leurs lignes y était l’équivalent de la “pression de service” des conduites d’eau et, par analogie, la chute de tension liée à la résistance électrique des câbles correspondaient à la chute de pression causée par la friction du fluide à l’intérieur des tuyaux. Les premières centrales électriques publiques fournissaient un courant continu : la tension de production était alors à peine plus élevée (de l’ordre de la perte en ligne dans les câbles) que celle délivrée en sortie dans les locaux des usagers, laquelle, pour des raisons de sécurité, devait être inférieure à 250 volts. Du fait de cette contrainte, l’aire de distribution et la quantité d’énergie qui pouvait être fournie demeuraient restreintes.”

Le réseau d’Anvers était conçu pour la cogénération d’énergie mécanique et d’électricité.

La ville d’Anvers utilisait depuis 1865 un réseau d’eau motrice pour alimenter les grues, ponts et écluses de son port. Il vint s’y ajouter en 1893 un second réseau, qui distribuait de l’eau sous haute pression à des sous-stations électriques disséminées dans toute la ville (au nombre de douze d’après la carte – toutefois, seules trois d’entres elles furent effectivement construites). Des turbines hydrauliques y généraient de l’électricité, ensuite distribuée dans un rayon de 500 m via des lignes électriques enterrées – distance maximale à laquelle le courant basse tension pouvait alors être distribué avec un bon rendement.

Grues hydrauliques dans le port d’Anvers. Image : Low-tech Magazine.

Le système anversois, utilisé pour l’éclairage public, réalisait ainsi à grande échelle ce que les moteurs à eau couplés à des dynamos assuraient à une petite échelle via le réseau d’eau courante (voir le précédent article. Environ 66 % de l’énergie hydraulique était convertie en électricité. À son apogée, le réseau atteignit 23 km de longueur totale, pour une puissance de 1200 CV. Il faut par ailleurs mentionner qu’à Londres, un certain nombre d’habitants utilisaient de petits générateurs domestiques pour produire de l’électricité directement à partir du réseau d’eau courante.

Force Motrice Hydraulique versus Electricité

Le développement fulgurant de la transmission d’électricité haute tension au tournant du siècle rendit immédiatement obsolète des systèmes comme celui d’Anvers. La partie du réseau dédiée à la production d’électricité disparut en 1900. En effet, comprimer de l’eau pour in fine générer de l’électricité induit une quadruple conversion énergétique – et par conséquent des pertes – qui s’avèrent inutiles dès lors que la production et le transport d’électricité deviennent efficaces.

La construction de nouveaux réseaux urbains de distribution de force motrice fut par ailleurs interrompue avant la fin du siècle par le déploiement rapide de réseaux électriques désormais efficaces. “Si le développement de ces systèmes avait démarré quelques années plus tôt, leur succès aurait pu être nettement plus important” écrit Ian McNeil dans son ouvrage Hydraulic Power (1972). “Quelques années plus tard, et ils n’auraient probablement jamais vu le jour.”

Néanmoins, la quasi-totalité des réseaux urbains de distribution d’eau motrice qui furent construits entre 1870 et 1890 restèrent en fonctionnement jusque dans les années 1960 voire 1970, utilisant sur la fin des moteurs électriques plutôt que des machines à vapeur pour le pompage. Le réseau exploité par la London Hydraulic Company fut le dernier à fonctionner : son exploitation perdura jusqu’en 1977. La plupart de ces réseaux publics continuèrent leur expansion au cours des premières décennies du 20eme siècle, et connurent leur âge d’or à la fin des années 1920. Le déplacement des usines vers l’extérieur des villes, à partir des années 1960 et 1970, porta le coup de grâce à leur inéluctable déclin.

Si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Ceci soulève deux questions. D’une part, pourquoi l’eau motrice n’est-elle pas devenue le vecteur universel de distribution de l’énergie comme l’avaient imaginé Joseph Bramah et William Armstrong ? D’autre part, si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Les Avantages de l’Énergie Électrique

En tant que vecteur de transmission d’énergie, la force hydraulique présente 3 principaux inconvénients par rapport à l’électricité. Tout d’abord, l’électricité peut être transportée efficacement sur des distances beaucoup plus grandes. La transmission hydraulique était (et demeure) au moins aussi efficace que la transmission électrique pour des distances comprises entre 15 et 25 km. Au-delà, l’électricité se démarque nettement par son meilleur rendement.

Porte d’écluse hydraulique du Greenland Dock à London, construite dans les années 1880. Crédits photographiques : [Chris Allen](http://www.geograph.org.uk/photo/2569524)

Un second inconvénient lié à la transmission de force hydraulique réside dans le fait qu’un réseau de distribution complexe et étendu induit nécessairement des pertes d’énergie supplémentaires. Chaque courbe ou angle dans le tracé des canalisations augmente en effet l’énergie dissipée par friction. Plus le réseau est sinueux, moins il est efficace. De son côté, la transmission électrique n’est pas confrontée à ce problème, ou du moins dans une moindre mesure. Le phénomène de friction au sein des canalisations limite ainsi la quantité de machines qui peuvent être raccordées à un réseau d’eau motrice, tandis qu’une production d’électricité peut virtuellement être divisée en autant d’usagers (points de distribution) que nécessaire.

La troisième contrainte de l’eau motrice est la capacité limitée du réseau de distribution. L’eau sous pression ne peut être transportée qu’au sein de conduites relativement étroites et à une vitesse lente – proche de celle de la marche à pied – afin d’éviter des pertes par friction excessives. En effet, ces pertes augmentent au carré de la vitesse de déplacement de l’eau : pour des vitesses plus élevées le rendement du dispositif chute alors drastiquement, et ce même sur des distances relativement courtes. Ceci impose une limite au débit global dans les conduites, et par conséquent à la puissance maximale fournie par un circuit hydraulique sous pression.

Dans le cas de tuyaux de 10 à 12 cm de diamètre – une taille couramment observée dans la plupart des réseaux d’eau motrice sous pression de l’époque – un système de transmission hydraulique pouvait délivrer une puissance maximale continue de 115 à 205 CV (85 à 150 kW). Des lignes électriques d’une dimension comparable peuvent fournir une puissance de plusieurs ordres de grandeur (puissances de 10) supérieur à cela.

Les Avantages de la Force Motrice Hydraulique

Toutefois, aucune des contraintes évoquées ci-dessus ne s’appliquait aux réseaux dont il a ici été question. Premièrement, tous étaient des systèmes décentralisés, dont le parc de machines desservies était situé dans un rayon n’excédant jamais 15 - 25 km de la source d’énergie. Deuxièmement, les engins hydrauliques alors en usage dans les ports, gares de triages, usines et immeubles se caractérisaient par de faibles vitesses de manœuvre ainsi qu’une fréquence d’utilisation irrégulière, la faible vitesse de transmission de l’hydraulique ne posait donc pas de problème particulier.

Exception faite du système de génération d’électricité déployé à Anvers – et rapidement abandonné – aucun des réseaux de type Armstrong ne fournissait d’énergie à un grand parc de machines en fonctionnement continu. (Mentionnons tout de même les réseaux hydrauliques moyenne pression en Suisse. Troisièmement, les pertes par friction causées par les angles et courbes des conduites étaient limitées, car un tel réseau servait généralement à alimenter un nombre relativement réduit de (très puissantes) machines.

Pompe, accumulateur et presse hydrauliques. Source : Portefeuille économique des machines, de l'outillage et du matériel, décembre 1864, [Bibliothèque nationale de France](http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5539152w/f79.pleinepage.langFR)

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Ceci n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, qui sont toujours d’actualité. A titre d’exemple, citons les mots de Robert Zahner, promoteur en son temps d’une autre alternative à l’électricité, l’air comprimé. Dans son livre The Transmission of Power by Compressed Air (1890), il écrivait que :

“Le caractère virtuellement incompressible de l’eau rend la méthode hydraulique impropre au transport d’énergie en quantité constante. Elle peut être mise à profit uniquement dans les cas où la force motrice doit être accumulée et utilisée à intervalles, réguliers ou non, par exemple pour soulever des poids, réaliser des opérations de poinçonnement, de forgeage par compression ainsi que d’autres travaux de nature intermittente, qui requièrent l’application d’une grande force sur une courte distance ou surface.”

La distribution de la force motrice de l’eau est “merveilleusement adaptée aux machineries lourdes et aux engins dont les opérations requièrent la concentration de puissances élevées, des mouvements de va-et-vient linéaires, et un fonctionnement intermittent” écrit quant à lui Louis Hunter dans The Transmission of Power (1991). La principale qualité de l’accumulateur hydraulique est de permettre le fonctionnement de machines qui nécessitent une puissance grandement supérieure à celle que peut fournir la source d’énergie – selon le principe de Pascal de “multiplication des forces”.

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Cela n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, toujours d’actualité

Lorsqu’une force ou un couple élevé sont nécessaires, les systèmes hydrauliques sont une solution beaucoup plus compacte et efficace énergétiquement que les mécanismes d’entraînement mécaniques ou électriques. En effet, les moteurs électriques comme les moteurs à combustion ont généralement besoin de composants mécaniques (boîtes de vitesse, chaînes, courroies) pour convertir leur vitesse de rotation élevée en une vitesse plus faible avec un couple plus important.

De même, les systèmes hydrauliques permettent de générer assez facilement un mouvement linéaire (translation) via le recours à des vérins hydrauliques tandis que l’énergie électrique doit recourir pour cela à de coûteux moteurs linéaires ou à des dispositifs mécaniques, de type transmission à pignon-crémaillère. C’est en ce sens que les énergies hydrauliques et électriques s’avèrent complémentaires : une des contraintes liées à la transmission hydraulique était la relative difficulté à convertir un mouvement linéaire en mouvement rotatif.

Hydraulic elevator.

Les turbines Pelton constituaient pour cela la solution la plus évidente. Leur vitesse de rotation élevée impliquait cependant l’ajout de mécanismes d’engrenages pour faire fonctionner des machines à faible vitesse. On disposait alors de systèmes hydrauliques de type vérin, capables de fournir une énergie rotative à des vitesses variables ou faibles, mais ces dispositifs offraient peu d’avantages comparés à des boîtes de vitesse mécaniques ou électriques.

Un troisième avantage conséquent de l’hydraulique est que l’énergie est toujours à disposition au sein des conduites et de l’accumulateur, mais ne subit aucune perte même quand la demande est nulle. Lorsqu’aucune des machines reliées au réseau n’était en fonctionnement, les accumulateurs hydrauliques maintenaient les conduites sous pression sans utiliser d’énergie supplémentaire. Ce dernier point constitue un avantage considérable dans le cas de machines utilisées de manière intermittente.

L’Hydraulique Aujourd’hui

L’énergie hydraulique est toujours utilisée de nos jours, en particulier pour des équipements d’industrie lourde qui impliquent des mouvements linéaires lents mais puissants, ainsi que dans des engins de travaux ou terrassement comme les pelleteuses. Mais les accumulateurs hydrauliques et réseaux publics de force motrice sous pression ont pour leur part disparu.

Le fluide sous pression n’est désormais plus de l’eau mais de l’huile, mélangée à des additifs. (L’huile végétale avait déjà été utilisée comme medium hydraulique au 19ème siècle). Contrairement à l’eau, l’huile ne gèle pas et n’est pas corrosive. Ceci augmente toutefois le coût de l’énergie hydraulique et ne permet évidemment plus le rejet du fluide dans les égouts, le port ou la mer en cas de maintenance ou de fuite.

C’est en partie du fait de la conversion à l’huile que furent développés des systèmes hydrauliques embarqués, circuits autonomes généralement composés d’une pompe, d’un accumulateur et d’un circuit de bouclage, prêts à être couplés à un moteur électrique ou diesel. Dans ce type de technologies les accumulateurs hydrauliques sont en principe beaucoup plus petits, utilisent un gaz pour compresser le fluide, et ne garantissent pas une pression constante au sein du circuit.

Les accumulateurs hydrauliques actuels (généralement à gaz comprimé, dits hydropneumatiques) n’ont désormais plus grand-chose à voir avec les accumulateurs "à poids" des réseaux d’eau motrice. Image : [HYD](http://www.hyd.com/tejas/products/products_frame.htm).

Si elle conserve une partie des avantages pratiques de l’hydraulique – à savoir de pouvoir transférer une grande quantité d’énergie et la restituer de manière précise, au moyen de composants très compacts – la version moderne de cette technologie élimine cependant un des principaux avantages propres aux réseaux de force motrice plus centralisés des dix-neuvième et vingtième siècles en termes d’efficacité. En effet, au sein d’un réseau municipal, déployé à l’échelle urbaine, une source relativement réduite d’énergie – en l’occurrence, une poignée d’accumulateurs hydrauliques – suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes. Les moteurs des stations de pompage n’avaient donc pas besoin d’être surdimensionnés pour couvrir les pics de charge.

Un avantage des réseaux de force motrice hydraulique était qu’une source d’énergie de relativement faible puissance suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes, distribuées dans toute une ville.

Brinley Pugh déplore ainsi cette évolution dans The Hydraulic Age (1980) :

“Il y a un siècle, seules quelques très grandes machines – les ponts à bascules et, ponctuellement, certaines presses hydrauliques – étaient équipées de leur propre système de pompage. On a vu ces derniers temps cette tendance s’étendre à des machines alimentées par la force motrice de toutes tailles et fonction, au point de devenir une pratique courante. Avec les systèmes hydrauliques embarqués, chaque composant sera bientôt actionné par son propre moteur et disposera de ses propres instruments de contrôle, filtres, etcetera, avec le contrôle périodique et la maintenance que cela implique.”

“Le moteur fonctionnera en continu tant que le circuit est en fonctionnement, quel que soit la pression dans la pompe qu’il alimente. Dans le cas où plusieurs unités sont installées, elles ne fonctionneront pas toutes à pleine puissance simultanément. Des économies substantielles d’énergie pourraient être réalisées en y substituant une usine de pompage centralisée alimentant plusieurs unités ; du fait de la diversification des machines, la puissance maximale requise à un instant donné sera toujours inférieure à la somme des puissances individuelles.”

“L’avantage d’une station centralisée par rapport à plusieurs unités plus modestes réside dans sa capacité à répondre à une demande variable. De petites stations autonomes doivent chacune disposer d’une capacité suffisante pour satisfaire la demande crête (maximale) dans leur aire de distribution, or ces pics de charge n’interviennent pas au même moment. A contrario, une centrale regroupant toutes les aires géographiques des sous-stations se contentera de répondre au pic de demande totale simultanée, lequel sera normalement inférieur à la somme des pics de puissance locaux.”

Des Alternatives à l’Électricité

Comme dans le cas d’autres techniques de transmission de l’énergie mécanique – tels que les systèmes de pompes avec tige à saccades et les courroies de transmission sans fin – c’est la meilleure efficacité de la transmission électrique sur de longues distances qui a en grande partie causé la disparition des réseaux urbains de distribution de force motrice. Toutes ces alternatives à l’électricité, aujourd’hui oubliées, mériteraient d’être réétudiées aux fins d’applications spécifiques, dans la perspective d’un système énergétique plus décentralisé et basé sur les énergies renouvelables. On peut ainsi imaginer que les accumulateurs hydrauliques à poids puissent être alimentés à l’énergie solaire, éolienne, voire musculaire (à pédale).

Image : J.W. Gibson.

Au tournant des années 1900, la supériorité de l’électricité pour la transmission d’énergie sur de très grandes distances faisait désormais consensus. Sur de moyennes distances, toutefois, quelques auteurs mettaient en doute sa pertinence. R. Kennedy écrivait par exemple dans Modern Engines and Power Generators (1905) :

“L’électricité offre, en matière de transmission d’énergie, un grand nombre d’avantages dans la plupart des cas. Les ingénieurs électriciens idéalisent cependant la chose. Ils sont en effet bien souvent prompts à oublier d’autres technologies, lesquelles disposent, dans bon nombre de cas, d’avantages considérables par rapport à l’électricité.”

W.C. Unwin, auteur au dix-neuvième siècle de l’ouvrage le plus complet de l’époque sur la transmission d’énergie (On the Development and Transmission of Power from Central Stations), exprima en 1894 des réserves similaires :

“Bien que la distribution d’électricité soit indéniablement amenée à jouer un rôle prochain dans le développement des réseaux de distribution de l’énergie, on observe ces temps-ci une tendance à ne considérer que l’option électrique, et à négliger d’autres moyens de transport de l’énergie qui ont été utilisés avec succès par le passé et seront, dans des conditions adéquates, toujours employés à l’avenir. Dans le cas de la transmission sur moyenne distance, on dispose de plusieurs alternatives crédibles, et la transmission électrique n’a pas, dans un tel cas et jusqu’à ce jour, établit sa supériorité d’aucune manière.”

Le prochain épisode de notre série sur la transmission d’énergie s’intéressera à l’air comprimé, qui est probablement l’alternative à l’électricité la plus crédible.

Kris De Decker

Cet article est dédié à Charles Steele. RIP.

Sources (par ordre d’importance) :

The Hydraulic Age, B. Pugh, 1980

Hydraulic Power (Industrial Archaeology), Ian McNeil, 1972

On the Development and Transmission of Power from Central Stations, W.C. Unwin, 1894. Also here.

Hydraulic Machinery, with an introduction to hydraulics, R.G. Blaine, 1897

A History of Industrial Power in the U.S., 1780-1930: Vol 3: The Transmission of Power, Louis C. Hunter and Lynwood Bryant (1991)

Modern Engines and Power Generators; a Practical Work on Prime Movers and the Transmission of Power, Steam, Electric, Water and Hot Air – Volume One, R. Kennedy, 1905

Modern Engines and Power Generators; a Practical Work on Prime Movers and the Transmission of Power, Steam, Electric, Water and Hot Air – Volume Six, R. Kennedy, 1905

Power and Power Transmission, E.W. Kerr, 1908

Remnants of Early Hydraulic Power Systems (PDF), J.W. Gibson, 3rd Australasian Engineering Heritage Conference 2009

L’eau à Genève et dans la région Rhône-Alpes: XIXe-XXe siècles, Serge Paquier, 2007

L’eau des villes: Aux sources des empires municipaux, Géraldine Pflieger, 2009

Revue technique de l’Exposition universelle de 1889, Section II, récepteurs hydrauliques (PDF), 1893

Revue technique de l’Exposition universelle de 1889, Volume 9. Septième partie. Mécanique générale. Machins outils. Hydraulique générale. Travail du bois. Travail des métaux. Machineries industrielles, 1893

L’usine des forces motrices de la Coulouvrenière à 100 ans: 1886-1986, Services industriels, 1986

Waterdruk in Antwerpen. Een stroom van elektriciteit", Dirk De Vleesschauwer and Noël Kerckhaert, 1993

Kroniek van de stroomverdeling van Antwerpen-stad tot de Rupelstreek tot de Eerste Wereldoorlog, Geschiedkundige Studiegroep Ten Boome. (website)

Het Zuiderpershuis, een monument. Brochure bij de tentoonstelling n.a.v. Open Monumentendag 2010 (PDF), Steunpunt Industrieel en Wetenschappelijk Erfgoed, 2010.

The Centrifugal Pump, Turbines, and Water Motors, Including the Theory and Practice of Hydraulics, Charles Herbert Innes, 1898

Metropolitan Works: Collected Papers on London History, Ralph Turvey, date unknown.

Hydraulic Power Company, The Vauxhall Society, 2012 (website)

London Hydraulic Power Co, Grace’s Guide, date unknown (website)

Hydraulic Power, NSW HSC Online (website)

The Transmission of Power by Compressed Air, Robert Zahner, 1890

Water Engines, The Museum of Retrotechnology, 2011 (website)

The History of Cranes (The Classic Construction Series), Oliver Bachmann,1997.

On the employment of a column of water as a motive power for propelling machinery, William Armstrong, 1840

Vers l’infini et au-delà : Les grues et les engins de levage manuels

Thu, 25 Mar 2010 00:00:00 +0000

Pour ériger des monuments titanesques, les hommes ont dû se servir de leur force, de leur sens de l’organisation et redoubler d’inventivité pour fabriquer des mécanismes ingénieux depuis le début de la civilisation jusqu’à la révolution industrielle. Ils étaient en mesure de soulever de très lourdes charges que la plupart des grues de chantier modernes seraient incapables de manipuler.

La grue manuelle la plus puissante de l’histoire multipliait la force de l’homme par 632.

La grue à tour la plus utilisée dans la construction de nos jours peut soulever 12 à 20 tonnes. La puissance de ce type de grue aurait été absolument insuffisante pour ériger de nombreux monuments du passé.

On compte près de 140 pyramides découvertes, construites entre 2750 et 1500 av. J.-C. La plupart des pierres qui les composent pèsent « seulement » 2 à 3 tonnes chacune, mais elles contenaient aussi des pierres de 50 tonnes, et parfois même plus lourdes. Le temple d’Amon-Rê de Karnak abrite un labyrinthe de 134 colonnes de 23 mètres de haut, soutenant des architraves qui pèsent chacune 60 à 70 tonnes.

La colonne Trajane, située à Rome, a un fût composé de 18 blocs. Il pèse plus de 53 tonnes et il a été soulevé à 34 mètres de hauteur. Le temple romain de Jupiter à Baalbek a été construit avec des blocs de pierre pesant plus de 100 tonnes qui ont été soulevés à une hauteur de 19 mètres. Aujourd’hui, pour soulever des poids de 50 à 100 tonnes à ces hauteurs, il faudrait une grue comme celle-ci.

Parfois, nos ancêtres soulevaient des pierres plus lourdes encore. Le mausolée de Théodoric le Grand situé à Ravenne a été érigé autour de 520 apr. J.-C. Il comprend un bloc de pierre qui pèse près de 275 tonnes et qui a été soulevé à une hauteur de 10 mètres. Le temple du pharaon Khéphren en Égypte est constitué de blocs monolithes pesant jusqu’à 425 tonnes.

Le plus grand obélisque égyptien pèse plus de 500 tonnes et mesure plus de 30 mètres. Un autre obélisque en Éthiopie, situé dans l’ancien royaume d’Aksoum, date du IVe siècle apr. J.-C. Il atteignait une hauteur similaire pour un poids de 520 tonnes. Les colosses de Memnon, deux statues de 700 tonnes chacune, mesurent 18 mètres de hauteur. Les murs des temples romains de Baalbek datant du Ier siècle av. J.-C. ont été construits avec près de 30 monolithes pesant 300 à 750 tonnes chacun.

Seules les grues les plus puissantes d’aujourd’hui seraient capables de soulever des pierres de ce calibre (voir l’image ci-dessus. plus d’informations ici).

Soulever du matériel de construction à des hauteurs impressionnantes ne semblait pas poser problème non plus. Le phare d’Alexandrie daté au IIIe siècle av. J.-C mesurait plus de 76 mètres de haut. Certaines pyramides égyptiennes atteignent 147 mètres de hauteur. On peut compter près de 80 cathédrales et 500 églises du Moyen-Âge qui mesurent jusqu’à 160 mètres de haut. Une telle hauteur est tout simplement hors de portée de toutes les grues modernes, mis à part les modèles les plus récents de grues sur chenille (voir l’image ci-dessous) qui sont bien plus performants.

La puissance de levage humaine

Comment ces civilisations anciennes étaient-elles capables de soulever de telles charges sans l’aide de machines sophistiquées ? Les monuments qu’elles ont laissés derrière elles sont d’autant plus impressionnants lorsque l’on voit le type de grue moderne qu’il faudrait pour réaliser le même exploit. En réalité, ils disposaient bien de machines sophistiquées. Mais à la différence des grues modernes qui fonctionnent grâce aux énergies fossiles, ces machines étaient alimentées par la seule force du corps humain.

En réalité, il n’y a pas vraiment de limite de poids ou de hauteur que les humains peuvent soulever à la seule force de leurs muscles. La vitesse de levage est le seul avantage que les grues à énergie fossile présentent.

Bien sûr, cela ne veut pas dire que les hommes, qu’ils soient seuls ou à plusieurs, peuvent soulever n’importe quelle charge à n’importe quelle hauteur. C’est d’ailleurs pour cela que des machines pensées pour améliorer la puissance de levage humaine sont inventées depuis plus de 5 000 ans.

Les engins de levage étaient principalement utilisés pour les projets de construction. Plus tard, ils ont aussi été employés pour charger des marchandises, hisser les voiles de bateaux ainsi que dans des mines.

La vitesse de levage est le seul avantage que les grues à énergie fossile présentent.

La vitesse de levage des premiers mécanismes inventés était extrêmement lente et il fallait beaucoup d’hommes pour les manipuler. Tout a changé à la fin du XIXe siècle, juste avant l’avènement de la machine à vapeur. Les engins de levage sont devenus si élaborés qu’un homme pouvait soulever d’une seule main une charge de 15 tonnes en un rien de temps.

Un avantage mécanique

Tous les engins de levage ont un avantage mécanique (AM) qui se calcule en faisant le rapport entre la force résistance et la force motrice. Une force appliquée plus basse doit toujours être appliquée sur une distance supérieure à celle parcourue par la force motrice obtenue ; ainsi le ratio des distances est appelé rapport de vitesse (RV).

En théorie, AM = RV. Ainsi, sur une machine avec un AM de 2 pour 1, la force appliquée est la moitié de la force motrice obtenue, mais doit être exercée sur le double de la distance. En pratique, la friction réduit toujours l’avantage mécanique théorique d’une machine. (source).

Rampes et leviers

Certaines personnes pensent que les Égyptiens auraient inventé une machinerie de levage sophistiquée, mais la plupart des historiens s’accordent à dire qu’ils se servaient uniquement de plans inclinés, un moyen de levage très simple, à l’aide de rampes (voir les illustrations ci-dessous, sur la droite) et de leviers qui fonctionne selon le même principe que les balançoires à bascule (voir l’illustration à droite). Les obélisques étaient aussi probablement dressés grâce à des rampes.

Lorsqu’un objet est déplacé à l’aide d’une rampe, la distance à parcourir est plus grande, mais il faut moins de force que s’il était à la verticale. L’avantage mécanique d’un plan incliné est égal à la distance divisée par l’inclinaison de la pente. L’avantage mécanique d’un levier est la distance entre le point d’appui et le point où la force est appliquée, divisé par la distance entre le point d’appui et la charge à soulever.

Cette méthode utilisée par les Égyptiens offre un avantage mécanique indéniable. Elle est bien plus efficace que simplement tirer à la verticale un poids avec une corde. Cependant, elle demandait beaucoup de main-d’œuvre pour tirer et pour retourner les pierres (il fallait 50 personnes pour tirer un bloc de pierre de 2,5 tonnes) et pour monter et démonter les gigantesques rampes en terre qu’il fallait mettre en place.

Les historiens estiment qu’il fallait entre 20 000 à 50 000 hommes, parfois davantage, pour construire une pyramide. De nos jours, une structure similaire pourrait être construite à l’aide de grues modernes et d’une petite main-d’œuvre en seulement quelques années, alors que la plupart des pyramides ont été érigées sur plusieurs décennies.

L’avènement de la grue : la poulie

Les premières grues sont apparues en Grèce entre la fin du VIe et le début du Ve siècle av. J.-C. Les Romains, désireux de bâtir de larges monuments, ont adopté cette innovation et l’ont adaptée à leurs besoins. Les premières grues étaient très simples : elles comportaient une simple poulie attachée à une corde. Avant d’être employée pour soulever des charges, la poulie simple était déjà utilisée depuis le VIIIe ou le IXe siècle av. J.-C. pour fabriquer des chadoufs qui servaient à puiser de l’eau.

Une poulie simple n’ajoute pas d’avantage mécanique en soi, mais elle tire la corde vers le haut plutôt que vers le bas, ce qui facilite l’action. Pousser un objet vers le haut, à la verticale, avec une seule main, génère environ 150 newtons, alors que pousser vers le bas, à la verticale, toujours avec une seule main, génère environ 250 newtons. (source).

L’avantage mécanique des grues a augmenté petit à petit avec l’introduction de nouvelles innovations. La poulie composée, un assemblage de poulies simples, est une innovation majeure du IVe siècle av. J.-C. qui est toujours utilisée. L’avantage mécanique est égal à la quantité de poulies utilisées.

Le « trispastos », une grue à trois poulies, est constitué de deux poulies fixées à la grue et d’une poulie mobile suspendue. Le trispastos a un avantage mécanique de 3 sur 1. Le « pentaspostos », une grue à cinq poulies organisées de manière similaire, a un avantage mécanique de 5 sur 1.

Un homme seul peut soulever une charge qu’il ne serait pas en mesure de porter à l’aide d’une poulie composée. Si on considère qu’un seul homme tirant sur une corde peut exercer une force de 50 kg, il pourra soulever (ou abaisser) un poids de 150 kg en utilisant un trispastos et 250 kg en utilisant un pentaspostos. Il en va de même pour les cordes. Une corde avec une résistance à la traction de 50 kg peut soulever (ou abaisser) un poids de 150 kg avec un trispastos et de 250 kg avec un pentaspostos.

Un homme peut soulever cinq fois la charge qu’il serait en mesure de porter grâce à un pentaspostos ; cependant, la corde doit être tirée sur une distance cinq fois plus grande.

Encore une fois, la contrepartie de la poulie composée — soit la distance à parcourir — ralentit la vitesse de levage. Soulever un poids à 3 mètres de hauteur en utilisant un trispastos demande de tirer la corde sur 9 mètres, alors que soulever un poids à la même hauteur avec un pentaspastos demande de la tirer sur 15 mètres.

Images : John Spirko.

En théorie, un nombre illimité de poulies peut être utilisé, mais en réalité, la friction limite le nombre de poulies à cinq sur ces grues antiques. Si plus de puissance de levage était nécessaire, plutôt que d’augmenter le nombre de poulies par blocs, les Romains utilisaient deux ou plus palans de trois à cinq poulies, avec chaque groupe fonctionnant indépendamment des autres (un « polyspastos »). Bien sûr, chaque corde peut aussi être tirée par plusieurs hommes à la fois pour augmenter la puissance de levage. La puissance perdue à cause de la friction sur les grues romaines et médiévales est estimée à 20 % tout au plus. (source).

Les treuils et les cabestans

L’introduction des treuils et des cabestans marque une avancée majeure dans l’histoire des engins de levage : il n’y avait plus besoin de tirer sur une corde. Ils ont été inventés à peu près en même temps que la poulie composée. Ces deux dispositifs sont très similaires, à la différence que le treuil est employé sur un axe horizontal et que le cabestan est utilisé sur un axe vertical.

Les deux utilisent des anspects ou des leviers insérés dans un tambour pour gagner un avantage mécanique grâce à la rotation, calculé en fonction du rayon de l’anspect par rapport à celui du tambour ou de l’essieu. L’avantage mécanique du treuil est calculé en fonction du rayon de l’essieu par rapport à celui de l’anspect.

Ainsi, un essieu de 5 cm avec des anspects de 30 cm de long a un avantage mécanique de 6 sur 1. Un homme peut donc soulever 6 fois la charge qu’il pourrait supporter en tirant sur une corde s’il utilise un treuil. Cependant, pour enrouler 1 mètre de corde, les anspects doivent être poussés sur 6 mètres.

La roue de carrier a été utilisée jusqu’à la fin du XIXe siècle.

Les treuils et les cabestans ont des performances accrues lorsqu’ils sont combinés avec des poulies composées. Un pentaspostos manipulé par un seul homme qui exerce une force de 25 à 50 kg sur un treuil peut soulever un poids d’entre 750 et 1 500 kg (25 ou 50 kg x 6 x 5 = 750 ou 1 500 kg). À l’époque des Égyptiens, il fallait entre 30 à 60 hommes pour hisser une pierre de 1 500 kg en haut d’une rampe.

Tout comme les cordes, les treuils et les cabestans doivent être manipulés par plusieurs personnes. Il faut deux personnes pour les treuils et beaucoup plus pour faire fonctionner un cabestan. Les cabestans peuvent être aussi poussés par des bêtes de somme. Un cabestan actionné par quatre hommes a un avantage mécanique similaire au treuil lorsqu’il est manipulé par deux personnes. Ces deux engins de levage exercent une force de 25 à 50 kg et ils peuvent soulever, si on fait abstraction de la friction, 3 à 6 tonnes (100 ou 200 kg x 6 x 5 = 3 000 ou 6 000 kg). Dans les deux cas cependant, pour chaque mètre soulevé, il faut tirer 30 mètres de corde.

La roue de carrier

La roue de carrier est un engin de levage bien plus puissant que le treuil ou le cabestan. Elle est mentionnée pour la première fois dans une source datant de 230 av. J.-C. et elle est l’une des innovations majeures dans l’histoire des engins de levage qui a été utilisée jusqu’à la seconde moitié du XIXe siècle. Les roues de carrier mesurent souvent 4 à 5 mètres de diamètre. Elles ont un avantage mécanique plus grand que celui des treuils et des cabestans puisque son rayon est plus large que celui de l’essieu.

Elles ne sont pas actionnées par la force du bras et de l’épaule d’une personne comme pour les treuils et les cabestans, mais par l’énergie générée en marchant (et pas en courant comme on pourrait le penser) à l’intérieur de la roue. Une roue de carrier de rayon de 213 cm et dont le tambour a un rayon de 15 cm a un avantage mécanique de 14 sur 1. Le calcul suivant admet une roue de carrier de 456 centimètres de diamètre : 2 x 213 cm de rayon de la roue + 2 x 15 cm de rayon du tambour (diamètre = 2 x le rayon). (source).

[Crédit photo](http://fotoalbum.seniorennet.be/viennes/reisfotos)

Un homme dans une roue de carrier qui contrôle un pentaspastos en exerçant une force de 50 kg a un avantage mécanique de 14 sur 1 et il peut soulever un poids de 3 500 kg. C’est environ 70 fois plus que la charge qui peut être soulevée à l’aide d’une poulie simple.

Certaines grues (surtout les grues de quai à partir du Moyen-Âge) étaient équipées de deux roues de carrier attachées au même essieu. Elles pouvaient ainsi soulever environ 7 tonnes.

Les roues de carrier étaient suffisamment larges pour que deux personnes marchent côte à côte. Ainsi, une grue avec deux roues de carrier pouvait être opérée par quatre personnes et pouvait soulever au maximum 14 tonnes, soit la charge qu’une grue moderne peut supporter. Même en prenant en compte les 20 % de perte dus à la friction, cela fait toujours 11,2 tonnes.

Une large roue de carrier offre un avantage mécanique de 14 sur 1

Cela veut dire que les personnes dans la roue devaient marcher 140 mètres pour soulever un poids à une hauteur de 10 mètres. En marchant à une vitesse de 5 kilomètres par heure, la charge pouvait être soulevée à une vitesse de 0,35 km/h, soit quasiment 6 mètres par minute (la vitesse de la roue divisée par celle du poids = le rayon de la roue divisé par celui du tambour). (source).

Le « château » de Domenico Fontana

La capacité de levage des anciennes roues de carrier est impressionnante, mais elle n’est pas toujours suffisante ; vous avez peut-être remarqué que certaines constructions romaines mentionnées au début de l’article contenaient des blocs de pierre bien plus lourds que cela.

Les Romains ont même fait venir des obélisques d’Égypte qui pesaient parfois plus de 500 tonnes pour les exposer. Comment ont-ils réussi à transporter d’aussi lourdes charges avec des grues qui ne pouvaient soulever que 6 ou 12 tonnes ? En fait, à l’instar des techniques modernes, ils combinaient plusieurs engins de levage pour pouvoir les manipuler.

Une méthode était de construire une gigantesque tour de levage qui fonctionnait grâce à plusieurs cabestans au sol. L’avantage mécanique des cabestans est beaucoup plus faible que celui d’une roue de carrier, mais davantage de personnes pouvaient les faire fonctionner, et donc il fallait moins de machines pour soulever ces lourdes charges.

Il était également possible d’employer des bêtes de somme. Les techniques de levage de l’époque sont mentionnées par quelques auteurs romains. Mille ans après, le maître d’œuvre du Vatican, Domenico Fontana a détaillé les méthodes employées dans un ouvrage qui nous est parvenu.

En 1586, le pape Sixte-Quint a demandé de déplacer l’obélisque du Cirque Maxime qui pèse 344 tonnes pour le disposer au centre de la place Saint-Pierre qui venait d’être achevée. Il fallait le déplacer de 256 mètres seulement, mais c’était une manœuvre délicate. Fontana raconte les détails de son entreprise dans son ouvrage La translation de l’obélisque du Vatican en 1589. À cette époque, le matériel de levage, les engins et les méthodes n’avaient pas beaucoup changé depuis celle les Romains. Les spécialistes estiment donc que les Romains soulevaient leurs pierres d’une manière similaire.

Domenico Fontana a fait construire une tour de levage en bois, qu’il appelle « château », de 27,3 mètres de haut et qui comportait des cordes longues de 220 mètres et 40 cabestans. Il fallait 800 hommes et 140 chevaux pour la manœuvrer, et 907 hommes et 75 chevaux pour abaisser l’obélisque.

Ce projet a duré plus d’un an, entre la construction du « château », de ses cabestans, celle des autres engins de levage employés et le transport de l’obélisque sur des rouleaux en bois. Pourtant, il a seulement fallu 13 heures et 52 minutes pour déplacer l’obélisque. À la suite de cette opération réussie, de nombreux obélisques ont été déplacés dans Rome. L’un d’eux pesait 510 tonnes.

Ce projet a nécessité la construction d’une tour de levage en bois de 27,3 mètres de hauteur qui comprenait des cordes longues de 220 mètres et 40 cabestans et qui devait être manœuvrée par 800 hommes et 140 chevaux.

Les personnes qui ont assisté au spectacle ont reçu l’ordre de rester silencieuses et de ne faire aucun bruit sous peine d’être exécutés. Des soldats avaient été mobilisés pour maintenir l’ordre. Le silence était crucial pour que les personnes qui contrôlaient les cordes et les poulies en haut de la tour puissent continuer à communiquer avec celles au sol qui s’occupaient des cabestans. Le signal pour commencer à tourner était donné par une trompette et celui pour s’arrêter, par une cloche. (source).

La réinvention des grues au Moyen-Âge

Après le déclin de l’Empire romain d’Occident, très peu de grues complexes ont été utilisées pendant plus de 800 ans. Les grues contrôlées par des treuils ne sont mentionnées qu’à partir du XIIe siècle, la roue de carrier en France qu’au XIIIe siècle et au XIVe en Angleterre, soit un peu plus tard que les moulins à vent et à eau.

Si l’on compare avec l’époque des Romains, très peu de documents techniques ont été rédigés au Moyen-Âge. La majorité de nos connaissances historiques proviennent de peintures et d’illustrations dans des manuscrits. Ci-dessous, un détail de La Tour de Babel de Pieter Brueghel l’Ancien (1563).

Heureusement, une petite quantité de roues de carrier ont été préservées dans les combles d’églises et de cathédrales. Pour bâtir les églises gothiques de la fin du Moyen-Âge qui étaient plus grandes que les monuments romains, il fallait des grues bien plus grandes. En outre, la zone de travail sur ces sites était plus limitée que celles des Romains. Ces deux facteurs ont mené à la fabrication de nouvelles grues.

Églises gothiques et cathédrales

Il est probable que les grues étaient montées à l’intérieur des bâtiments, d’abord au sol, puis de plus en plus haut au fur et à mesure de la construction. Elles pouvaient aussi être déplacées sur les côtés. Elles devaient donc être démontées et remontées maintes fois. Lorsque la construction était achevée, certaines grues étaient laissées entre les voûtes et le toit, où elles pouvaient encore servir pour les réparations. (illustration ci-dessous source).

Une de ces roues de carrier a été utilisée pour des travaux de rénovation dans les années 70 à la cathédrale de Canterbury en Grande-Bretagne (image ci-dessous, source). Elle date de la fin du XVe siècle. Elle pouvait accueillir jusqu’à deux travailleurs et son diamètre mesure 4,6 mètres.

Les grues sont souvent représentées à l’extérieur dans les illustrations médiévales, mais il est probable qu’il ne s’agisse que d’un parti pris esthétique ; en effet, les murs des églises et des cathédrales gothiques étaient généralement trop minces pour supporter une grue aussi lourde ainsi que sa charge.

Un autre engin de levage médiéval bien documenté est l’immense grue et ses roues de carrier pivotantes qui était installée au sommet de la cathédrale de Cologne en Allemagne, à 157 mètres de hauteur, pendant près de 450 ans (image ci-dessus, source).

Elle a été montée en 1400 et démontée des siècles plus tard, en 1842. La grue contenait deux roues de carrier et elle mesurait 15,7 mètres de haut avec une flèche de 15,4 mètres de long qui pouvait couvrir toute la zone de chantier ; elle fonctionnait donc comme une grue moderne.

Les grues de quai

Les grues de quai fixes qui fonctionnaient grâce à des roues de carrier ont été inventées pendant le Moyen-Âge. Elles n’ont jamais été utilisées par les Grecs ou les Romains, sans doute parce qu’ils avaient suffisamment d’esclaves à leur disposition. L’amphore était le récipient le plus commun pour transporter des objets à l’époque des Romains. Elle avait l’avantage d’être petite et elle pouvait facilement être chargée et déchargée par une chaîne humaine sur une rampe. (source).

Les grues de quai ont d’abord été employées dans les Flandres, en Hollande (illustration ci-dessus, source) et en Allemagne au XIIIe siècle, ainsi qu’en Angleterre au XIVe siècle. Elles étaient équipées de deux grandes roues de carrier qui pouvaient mesurer jusqu’à 6,5 mètres de diamètre ; elles étaient donc plus puissantes que celles utilisées pour la construction.

Ces puissants engins de levage étaient conçus non seulement pour manœuvrer des charges plus lourdes mais aussi pour les soulever et les abaisser plus rapidement. Elles étaient donc bien plus rapides que celles utilisées pour la construction de bâtiments, dont le rythme était dicté par la progression lente des maçons et charpentiers.

Les charpentiers-amoulageurs à l’œuvre

Les grues de quai qui comportaient des roues de carrier étaient souvent protégées de la pluie par un toit en bois pour préserver le mécanisme et les travailleurs. Ces structures fixes avaient tant de points communs avec les moulins à vent qu’elles étaient sûrement construites par les mêmes artisans.

Les grues à pivot et les grues à tour sont similaires aux moulins sur pivot et aux moulins-tours. Les premières étaient en bois et pivotaient sur un essieu central à la verticale et les secondes, qui étaient principalement fabriquées en Allemagne, avaient des tours maçonnées et seuls la flèche et le toit pouvaient pivoter.

On ne trouve pas de grues de quai en Europe du Sud et leur nombre total dans toute l’Europe médiévale était plutôt limité par rapport au nombre de moulins à vent : seulement une centaine de ces larges grues de quai ont été trouvées. (source). Il en existe encore aujourd’hui une douzaine.

La grue de quai la plus puissante avait deux roues de carrier qui pouvaient chacune accueillir 3 à 4 hommes.

Les grues de quai les plus puissantes ont été construites dans les docks de Londres dans les années 1850, avec deux roues de carrier de 3 mètres de diamètre, chacune pouvant accueillir 3 à 4 hommes. (source). Ces grues ne doivent pas être confondues avec les roues de carrier encore plus larges utilisées dans les prisons du XIXe siècle, où les hommes marchaient sur l’extérieur de la roue.

Les deux images ci-dessus représentent des grues de quai de Bruges. La première image est un modèle tardif, datant de 1765 qui a été détruit en 1886 (source). La seconde image est celle d’une grue similaire datant du XVIe siècle (source).

Des grues plus mobiles

Les grues d’aujourd’hui peuvent pivoter leur flèche sur 360° et ainsi déplacer la charge horizontalement. Au début, la plupart des grues utilisées dans les chantiers médiévaux étaient seulement capables de déplacer la charge sur un axe vertical. La charge pouvait être manipulée latéralement par le grutier au sol en utilisant une petite corde attachée à la charge. La première grue de quai pivotante documentée est mentionnée dans un ouvrage qui date du XIVe siècle.

Le pivot est devenu un élément commun des grues de construction du XVIIe siècle (illustration à droite) ; il réduisait considérablement le temps de travail.

En 1550, Georgius Agricola théorise le mécanisme pour réaliser une grue qui pourrait déplacer la charge sur un axe horizontal. Elle a été construite bien plus tard, en 1666, par un Français, Claude Perrault. Un chariot se déplaçait sur toute la longueur de la flèche grâce à un système complexe de cordes : deux cordes s’enroulaient et se déroulaient sur une tige attachée au chariot. (source).

Les grues grecques et romaines ne pouvaient déplacer leurs charges sur l’axe horizontal que si le mât était un peu abaissé ou levé. De plus, les Grecs avaient déjà imaginé une sorte de grue à pivot qui similaire à l’engin de levage mentionné précédemment, mais qui ne reposait que sur un seul mât, dirigé et maintenu par des hommes au sol tenant des cordes.

Les mécanismes de sécurité qui évitent que la charge ne tombe ou que la roue de carrier ou le cabestan ne tournent soudainement en sens inverse n’ont été introduits qu’à la fin du XVIIIe siècle.

Les grues en fer

Au XIXe siècle, trois innovations importantes voient le jour. La première consistait à utiliser le fer plutôt que le bois pour la structure et les engrenages, ce qui rendait les grues plus solides et efficaces. La première grue en fonte a été construite en 1834. Cette même année, le câble, une alternative bien plus solide que la simple corde en fibres naturelles ou la chaîne en métal, était inventé. Enfin, en 1851, la troisième innovation fait son apparition : la grue à vapeur. Avec l’arrivée de la vapeur, toute charge pouvait être soulevée à n’importe quelle vitesse, à condition que le moteur soit assez puissant (source).

Le câble métallique s’est popularisé rapidement mais les autres innovations ont mis un peu plus de temps à se démocratiser. Le bois, parfois combiné avec du fer, continuait d’être le matériau de choix pour la majorité des grues, jusqu’au XXe siècle, tout particulièrement dans les régions où le bois était une ressource abondante. À la seconde moitié du XIXe siècle, de plus en plus de grues à vapeur faisaient leur apparition, tandis que les grues manuelles continuaient d’être vendues et utilisées en grande quantité. Un livre sur la technologie des grues, publié en 1904, consacrait toujours la moitié de ses pages aux grues manuelles. Les grues à pédales étaient elles aussi commercialisées (image ci-dessous, source).

En toute logique, c’est aussi à cette époque qu’ont été produites les grues manuelles les plus puissantes jamais conçues, avec une structure et des engrenages en fer et des câbles. Elles n’étaient cependant pas encore actionnées par la vapeur. Un exemple unique de cette technologie intermédiaire est présenté ci-dessus : une grue à portique manuelle de 1843 utilisée pour le transfert de véhicules. Tout aussi intéressant, ces roues de carrier du début du XIXe siècle aux Pays-Bas, qui, bien qu’entièrement faites de bois, pouvaient hisser des bateaux sur terre (image ci-dessous).

Un livre sur la technologie des grues, publié en 1904, consacrait toujours la moitié de ses pages aux grues manuelles.

Le meilleur exemple reste cependant la Grue Fairbairn, brevetée en 1850. Fairbairn avait riveté deux plaques de fer ensemble, formant une flèche arquée beaucoup plus stable et pratique que les flèches droites en fer ou en bois. Les grues à vapeur Fairbairn sont devenues très célèbres et certaines d’entre elles ont été conservées.

La grue la plus puissante jamais construite

On ignore souvent que pendant une courte période, ces grues très puissantes étaient vendues comme grues manuelles. En effet, comme Fairbairn décrivait ces grues en détail dans l’édition de 1860 de son livre Useful Information for Engineers, nous savons exactement quel est - l’impressionnant - avantage mécanique de ces engrenages.

La première Grue Fairbairn manuelle était supposée soulever des poids allant jusqu’à 12 tonnes, sur une hauteur de 9 mètres au-dessus du sol tout en pivotant sur un cercle de 20 mètres de diamètre (illustration à gauche).

Ensuite, une grue de 60 tonnes a été construite pour les nouveaux docks de Keyham en Grande-Bretagne. Elle pouvait soulever des poids cinq fois plus lourds à une hauteur de 18 mètres sur un cercle de 32 mètres de diamètre.

Cette « grue colossale », sans doute la grue manuelle la plus puissante jamais construite, est décrite en détail par Fairbairn :

« La chaîne passe autour de quatre poulies, deux mobiles et deux fixes, au bout de la flèche. Elle est ensuite redirigée vers l’intérieur de la flèche sur trois cylindres, jusqu’au crochet, qui se trouve aussi dans le tube au niveau du sol. De chaque côté de la grue, un solide châssis en fonte est fixé pour accueillir les essieux des roues à ergots et des pignons. »

« Quatre hommes, chacun travaillant sur un treuil de 18 pouces, qui agissent sur des pignons de 6 pouces puis sur une roue de 63,75 pouces, qui à son tour active une roue droite cylindrique de 80 pouces au moyen d’un pignon de 8 pouces et enfin, sur l’essieu du premier, le barillet de chaînes de 24 pouces de diamètre, est fixé. »

« Ainsi l’avantage obtenu par cet engrenage sera: Roue/Pignon = 18 x 63,75 x 80 / 6 x 8 x 12 = 158, ou encore, si l’on prend en compte le nombre de rouages sur chaque roue R/P = 18 x 95 x 100 / 12 x 9 10 = 158 et comme ce résultat est quadruplé par les poulies mobiles et fixes, la force exercée par les hommes est multipliée par 632 grâce aux engrenages et aux systèmes de poulies. À eux seuls, deux hommes peuvent manipuler la grue avec 60 tonnes suspendues à l’extrémité de la flèche. »

Un avantage mécanique de 632 pour 1 signifie que chacun des quatre hommes devait exercer une force de seulement 23,7 kg pour soulever un poids de 60 tonnes - et cela tout en opérant un treuil, qui est bien moins efficace qu’une roue de carrier.

Nous préférons soulever des charges avec des machines électriques et nous courrons (et non, nous ne marchons pas) sur des tapis de course à la salle de sport pour nous maintenir en forme

La grue la plus puissante au monde aujourd’hui (depuis septembre 2009) a une capacité de levage de 20 000 tonnes. Si elle était équipée d’un système d’engrenages offrant le même avantage mécanique que la grue Fairbairn décrit ci-dessus, un poids de 20 000 tonnes pourrait être soulevé par 1 265 hommes chacun exerçant une pression de 25 kg.

C’est comparable à la main-d’œuvre requise pour soulever un obélisque de 340 tonnes au XVIe siècle. Nous pourrions sans aucun doute améliorer les engrenages du XIXe siècle et obtenir un avantage mécanique encore plus grand.

Nous pourrions soulever n’importe quoi sans énergie fossile. Toutefois, à part leur utilisation sur des chantiers d’architectes hyper écolos, les grues manuelles ont complètement disparu, même pour les charges les plus légères. Nous préférons soulever des charges avec des machines électriques et nous courrons (et non, nous ne marchons pas) sur des tapis de course à la salle de sport pour nous maintenir en forme.

Sources (dans l’ordre d’importance)

“The History of Cranes (The Classic Construction Series)”, Oliver Bachmann (1997). Ce livre reprend avec beaucoup de détails l’histoire des appareils de levage depuis leur invention jusqu’à la fin du XXe siècle. Il contient aussi des sources vers de superbes images.
“The Oxford Handbook of Engineering and Technology in the Classical World”, John Peter Oleson (2008). J’y ai trouvé la plupart des informations sur l’avantage mécanique des appareils de levage.
“Medieval treadwheels: artists’ views of building construction”, Andrea L. Matthies (1992). Cette étude s’intéresse aux roues de carrier médiévales, avec en plus le calcul de l’avantage mécanique d’une roue de carrier.
“Useful information for engineers”, William Fairbairn (1860, première édition -les éditions suivantes ne contiennent pas le chapitre sur les grues manuelles). Cet ouvrage met en évidence les performances impressionnantes des dernières grues manuelles.
“The construction of cranes and other lifting machinery”, Edward Charles Robert Marks, (1904). Des informations détaillées sur les grues manuelles récentes.
“Building Trajan’s column”, (.pdf), American Journal of Archeology, Lynne Lancaster (1999). Les techniques de levage des Romains et l’utilisation des tours de levage.
“Heavy goods handling prior to the nineteenth century”, F.R. Forbes Taylor (1963). Un document de recherche bien trop coûteux mais qui apporte des informations complémentaires à celui d’Andrea L. Matthies sur les grues de quai. Il apporte aussi une estimation du nombre de portiques portuaires médiévaux en Europe.
“Grue”, Wikipedia. Une introduction générale basée sur deux ouvrages allemands majeurs. Voir aussi : Liste de grues de quai.
“Claude Philip”, Illustrations de grues anciennes.
“Theatrum instrumentorum et machinarum”, Jacobi Bessoni (1582). Types de grues anciennes et médiévales.
“Engineering in History (Dover Books on Engineering)”, Richard Shelton Kirby (1990). Des informations supplémentaires sur des engins de levage romains et égyptiens.
“Lifting in early Greek architecture”, The journal of Hellenic studies, JJ Coulton (1974).
“Rudimentary treatise on the construction of cranes and machinery”, Joseph Glynn (1849)

Des usines alimentées par énergie éolienne : histoire (et futur) des moulins à vent industriels

Thu, 08 Oct 2009 00:00:00 +0000

Image : Une scierie néerlandaise. Wikipedia Commons.

Dans les années 1930 et 1940, alors que le moteur à vapeur avait rendu l’énergie éolienne obsolète depuis des dizaines d’années, des chercheurs néerlandais ont repoussé les limites du moulin à vent traditionnel, pourtant déjà très sophistiqué. Du fait de leurs résultats exceptionnels, il ne fait aucun doute qu’une armée de spécialistes de l’écologie pourrait aujourd’hui faire encore mieux. Faut-il ressusciter les moulins à vent industriels et convertir à nouveau l’énergie cinétique en énergie mécanique ?

En 1850, les Pays-Bas comptaient 5 fois plus de moulins à vent que d’éoliennes aujourd’hui

Il y a plus de 900 ans, l’Europe devenait la première grande civilisation dont la source d’énergie ne reposait pas sur la force humaine. L’apparition de dizaines de milliers de moulins à vent et à eau secondés par le travail animal a radicalement transformé l’industrie et la société.

Cette révolution industrielle entièrement alimentée par des énergies renouvelables incarne un rêve on ne peut plus moderne. Les moulins à vent et à eau représentent finalement les premières véritables usines de nos civilisations. Ils se composaient d’un bâtiment qui reliait une source d’énergie à un système de rouages, mais ils nécessitaient également de la main-d’œuvre pour produire diverses denrées.

La technologie qu’ils mettaient en place n’était pas nouvelle : les moulins à vent et à eau existaient déjà dans l’Antiquité et ceux utilisés au début du Moyen Âge n’étaient, d’un point de vue technique, pas si différents. Cependant, d’anciennes civilisations telles que les Grecs et les Romans n’en faisaient pas grand usage, sans doute pour des raisons religieuses ou parce qu’ils disposaient de suffisamment de main-d’œuvre esclave.

À eau ou à vent ?

Les moulins à eau étaient (généralement) plus imposants et plus nombreux que les moulins à vent. Ceci est plutôt logique compte tenu du fait que leur technologie était plus simple et plus fiable : le flux d’une rivière peut varier en fonction des saisons, mais il est rare qu’elle ne s’assèche totalement. De plus, le flux de l’eau pouvait être contrôlé avec précision, à l’aide de canaux et d’écluses, afin de fournir la vitesse et la charge nécessaires pour le fonctionnement du mécanisme intérieur du moulin.

Image : Dessin technique d’une scierie industrielle. De « Molenbouw: het staande werk van de bovenkruiers », Anton Sipman, 1975.

En revanche, le vent ne souffle pas toujours. Même lorsqu’il souffle, sa vitesse et sa direction peuvent changer à tout moment. Par ailleurs, les moulins ne disposaient pas non plus d’un moyen efficace pour contrôler la force du vent, du moins pas au début du Moyen Âge. C’est à partir du XI\e siècle que le moulin à eau s’est largement implanté en Europe. Près de 200 ans plus tard, quasiment toute l’énergie disponible des rivières et des cours d’eau était mise à profit.

Cependant, certaines régions n’étaient pas adaptées à une telle technologie. C’était parfois en raison du manque d’eau (en Espagne par exemple) ou parce que le terrain, trop plat, ne permettait pas un flux suffisamment fort (comme aux Pays-Bas ou dans certaines régions d’Angleterre) ou encore parce que l’eau gelait en hiver (comme en Scandinavie, en Russie et dans certaines régions de l’Allemagne). C’est dans ces zones que le moulin à vent a fait son apparition au XIIIe siècle, voire parfois plus tôt, puis s’est rapidement démocratisé. Par la suite, les régions aux ressources hydrauliques importantes en ont également construit pour libérer les rivières et les cours d’eau.

Des moulins à vent par milliers

Le nombre de moulins à vent au début du Moyen Âge reste inconnu puisque les quelques registres qui nous sont parvenus ne les distinguaient pas des moulins à eau. Par exemple, nous savons aujourd’hui qu’au XIVe siècle, le Royaume-Uni comptait entre 10 000 et 12 000 moulins, mais nous ne savons pas combien étaient alimentés par le vent (probablement une minorité).

Nous disposons seulement d’informations sur des moulins individuels construits à la fin du XIIIe siècle. Des registres plus précis ont été tenus à partir du XVIIIe et du XIXe siècle, alors que les moulins à vent se faisaient de plus en plus nombreux.

En 1750, les Pays-Bas comptaient entre 6 000 et 8 000 moulins à vent, contre 9 000 un siècle plus tard. À titre de comparaison, c’est 5 fois plus que le nombre d’éoliennes aux Pays-Bas aujourd’hui (1 974 en septembre 2009). Au Royaume-Uni, on comptait entre 5 000 et 10 000 moulins à vent en 1820. La France, quant à elle, en dénombrait 8 700 (et 37 000 moulins à eau) en 1847.

On estime que l’Europe comptait (à son maximum) 200 000 moulins à vent, contre près de 500 000 moulins à eau

L’Allemagne disposait de 18 242 moulins à vent en 1895 (contre environ 18 000 éoliennes aujourd’hui), tandis que la Finlande en possédait 20 000 en 1900. On en trouvait également au Portugal, en Espagne, sur plusieurs îles méditerranéennes et dans les pays d’Europe de l’Est et de Scandinavie.

On estime que l’Europe comptait (à son maximum) 200 000 moulins à vent, contre près de 500 000 moulins à eau. On en construisait aussi bien dans les campagnes que dans les villes, mais aussi au sommet des murs des châteaux et des fortifications, où le vent souffle plus fort. Au début, les moulins à vent ne servaient qu’à moudre le grain et, parfois, à pomper de l’eau ou assécher les basses terres (pour cela, le moulin était relié à une roue à aubes inversée : une roue à écope ou une vis d’Archimède).

Au Moyen Âge, le pain et l’avoine formaient la base de l’alimentation (la viande, le poisson et les légumes sont réservés aux populations aisées) et tout ce grain devait être broyé et moulu. Avec un moulin manuel, deux heures de travail quotidien étaient nécessaires pour fournir suffisamment de farine à une famille moyenne. Des moulins à céréales étaient aussi utilisés pour produire du gin néerlandais et d’autres liqueurs.

Les moulins à vent étaient principalement utilisés pour moudre du grain : en 1900, aux Pays-Bas, au Danemark et en Allemagne, l’entièreté des récoltes de blé était moulue de cette manière. Cependant, de nouvelles utilisations sont apparues vers 1600.

De nouvelles utilisations

On utilisait les moulins à vent pour écosser l’orge et le riz, moudre le malt, presser les olives pour leur huile et les graines de colza, de lin et de chanvre pour la cuisine et l’éclairage. On trouvait aussi des moulins à cacao, à moutarde, à poivre (ou à d’autres épices) et même des moulins à tabac (classique ou à priser).

Image : La scierie néerlandaise « De Eenhoorn ». Source : Penterbak.

Si on utilisait les moulins à vent pour la production alimentaire, on s’en servait également pour deux autres activités importantes : fabriquer du papier (en utilisant des cordes et des voiles de bateau comme matière première) et scier du bois. Ils étaient aussi utiles pour broyer de la craie (et ainsi fabriquer du ciment) ou du mortier, assécher et ventiler les puits de mine (voire les prisons), polir le verre et fabriquer de la poudre à canon.

Vers 1600, les nouvelles utilisations industrielles du moulin à vent étaient nombreuses : scierie, papeterie, production de moutarde ou de tabac, etc.

On utilisait également l’énergie éolienne dans l’industrie textile : les moulins servaient à broyer les graines de lin, préparer les fibres de chanvre (pour la production de cordes et de voiles), fouler la laine (pour la rendre plus souple), fabriquer des teintures ainsi que tanner et teindre des peaux.

La région du Zaan

C’est dans la région du Zaan, située juste au-dessus d’Amsterdam, que le développement de l’usage industriel de l’énergie éolienne a été parmi les plus impressionnants. Bien que la zone soit entourée d’eau, le terrain est on ne peut plus plat et les rivières, avec leur faible flux, sont donc inexploitables. Le vent, quant à lui, souffle fort. La plupart des utilisations décrites ci-dessus sont apparues en premier lieu (et parfois seulement) dans la région du Zaan.

Image : Une carte de la région du Zaan, au nord d’Amsterdam.

On dit que cette région a été la première zone industrialisée au monde. Entre 1600 et 1750, alors que les Pays-Bas devenaient une puissance économique importante, près de 1 000 moulins à vent ont été implantés dans la région. On leur donnait des noms, comme pour les bateaux.

Dans le district du Zaan, la scierie était l’un des éléments essentiels de l’industrie éolienne. En effet, il fallait du bois pour construire des maisons, des écluses, des bateaux et, bien sûr, de nouveaux moulins. Le sciage manuel était laborieux et les moulins à vent réduisaient nettement les temps de production. À la main, 120 jours de travail étaient nécessaires pour produire 60 poutres, alors que 4 à 5 jours suffisaient avec un moulin (voir la photo ci-après et pour en savoir plus, cliquez ici).

En 1596, Cornelis Corneliszoon a construit la première scierie (« Het juffertje » ou « La demoiselle ») dans la ville de Zaandam. En 1630, on dénombrait 83 scieries au nord d’Amsterdam, dont 53 dans la région du Zaan. Elles ont atteint leur apogée en 1731, alors que l’on comptait 450 scieries aux Pays-Bas, dont 256 dans la région du Zaan. Au final, même les grues utilisées pour soulever le bois étaient actionnées par les ailes des moulins.

Image : L’intérieur d’une scierie alimentée par énergie éolienne. Source : Penterbak.

Image : L’intérieur d’une papeterie alimentée par énergie éolienne. Source : Penterbak.

Un autre usage industriel important de l’énergie éolienne dans la région concernait la production de papier. C’est effectivement à cette époque qu’est née l’imprimerie. Le premier moulin à papier (« De Gans » ou « L’oie ») est inventé en 1605. En 1740, on en comptait 40. Au milieu du XVIIe siècle, le moulin à papier néerlandais a été grandement amélioré, ce qui permettait de produire un papier plus blanc, plus rapidement.

« De Schoolmeester » (« L’enseignant »), construit en 1692, est un moulin qui existe encore aujourd’hui (voir l’image d’introduction et la photo de l’intérieur du moulin ci-dessous). Dans les autres pays, les moulins à papier fonctionnant à l’énergie éolienne restaient assez rares. Cependant, ceux fonctionnant à l’énergie hydraulique sont apparus dès le XIe siècle puis se sont rapidement généralisés (en Angleterre, on en comptait 417 en 1800).

Dans les scieries, même la grue utilisée pour soulever le bois était actionnée par les ailes du moulin

Dans la région du Zaan, on trouvait également des moulins à tabac (28 en 1795), à huile (140 en 1731), à orge (65 en 1731), à teinture (21 en 1731) et à chanvre (20 en 1731). À cette époque, les Néerlandais ont également construit des centaines de moulins à vent dans les Caraïbes pour le broyage de la canne à sucre. Parmi les 1 000 moulins ayant survécu aux Pays-Bas, très peu sont industriels. Les moulins à céréales et ceux destinés au drainage sont restés viables économiquement bien plus longtemps.

Une solution de secours : les animaux

Dans de nombreux autres pays européens, les moulins à eau occupaient des fonctions similaires. Cependant, toutes les activités alimentées par énergie hydraulique ne pouvaient pas toujours l’être par énergie éolienne. En effet, la versatilité du vent rendait les moulins inaptes à des activités nécessitant une alimentation en énergie stable et fiable. C’était notamment le cas du façonnage du métal, du filage, l’affûtage des outils et de l’extraction minière.

Dans les pays où l’énergie hydraulique n’était pas exploitable, certaines de ces activités fonctionnaient grâce au travail animal. On utilisait généralement des chevaux. Les chevaux servaient également de solution de secours lors de longues périodes sans vent, afin de poursuivre la production. Par exemple, en 1850, aux Pays-Bas, on dénombrait 1 800 moulins à vent dédiés à la mouture du maïs, mais également 1 300 moulins à chevaux pour celle du sarrasin, un grain qui nécessite une source d’énergie plus stable.

Moulins sur pivot et moulins-tours

Inspirés des roues à aubes, les premiers moulins à vent de l’époque médiévale étaient des constructions simples. Les siècles qui ont suivi témoignent néanmoins de la sophistication progressive de cette technologie. En effet, les moulins à vent étaient des machines bien plus complexes que les moulins à eau : ils dépendaient de la vélocité du vent qui ne cesse de changer. Les moulins à vent primitifs d’Iran et d’Afghanistan étaient des moulins horizontaux sur axe vertical qui n’avaient donc aucunement besoin de s’adapter à la direction du vent. Ces machines étant cependant bien moins efficaces, elles n’ont jamais été utilisées en Europe.

Image : Schéma d’un moulin sur pivot.

Au Moyen Âge, pour surmonter le problème que posait le changement de direction du vent, les moulins étaient construits sur un axe central qui permettait de les tourner face au vent : ce sont les moulins sur pivot. Le XV\e siècle fut marqué par l’émergence d’un deuxième modèle de moulin à vent où seules la calotte et les ailes pivotaient alors que la structure restait fixe /immobile (plutôt ?) : on parle de moulin-tour, un modèle que les Néerlandais peaufineront des années plus tard.

À cette époque, le moulin-tour dominait le bassin méditerranéen. En revanche, il était moins efficace que le moulin sur pivot, notamment à cause de la forme des ailes qui pouvait varier d’un moulin à l’autre. Du fait de sa structure fixe, la base du moulin-tour pouvait être en pierre ou en brique, ce qui le rendait plus solide. Ces deux types de moulins ont longtemps cohabité, mais de nombreux moulins sur pivot seront remplacés par des moulins-tours entre le XVII\e et le XIX\e siècle.

L’orientation des ailes

De nos jours, les éoliennes pivotent automatiquement grâce à un système électronique. Dès que le vent souffle trop fort, les pales sont automatiquement réorientées afin de les protéger des rafales destructrices. Toutefois, les constructeurs du Moyen-âge n’ayant pas de microprocesseurs à leur disposition, il leur fallait trouver d’autres solutions.

Image : Le timon à l’arrière d’un moulin à vent.

Pendant de nombreux siècles, les meuniers orientaient les moulins face au vent à la seule force de leurs bras. Pour cela, il leur fallait soulever un large timon situé à l’arrière du moulin (dans le cas d’un moulin-tour, il était relié à un escalier), le déplacer à l’endroit désiré et l’attacher à l’un des douze poteaux ancrés dans le sol qui encerclaient le moulin.

Ce n’était pas une tâche aisée : le mécanisme à l’intérieur du moulin-tour était particulièrement lourd. Certains moulins étaient équipés, à l’extrémité du timon, d’un treuil qui suivait une piste circulaire autour du moulin, ce qui rendait la tâche légèrement plus facile.

La rotation de la calotte du moulin-tour se faisait de façon similaire. On utilisait un plus grand timon qui touchait soit le sol, soit la plateforme pour les moulins qui en possédaient une (comme celui-ci). On perçait également des ouvertures sur les côtés de la structure du moulin : le meunier était alors averti des changements de direction du vent lorsque ce dernier soufflait à travers l’une des ouvertures.

L’ajustement des ailes : une tâche ardue

L’adaptation aux variations de vélocité du vent représentait un défi de taille. Le mécanisme à l’intérieur du moulin avait besoin d’être maintenu à une vitesse de fonctionnement relativement précise. Par exemple, les moulins à céréales devaient tourner à une vitesse estimée entre 50 et 60 rotations d’ailes par minute. Au-delà de 80 rotations par minute, les céréales brûlaient. Si les ailes tournaient trop vite, le moulin à vent risquait également de s’endommager.

Pendant des siècles, le meunier devait régler les ailes à la main. Il disposait de deux manières de s’adapter aux changements de vitesse du vent. Des changements mineurs du vent pouvaient être compensés à l’intérieur du moulin, en augmentant ou en diminuant la charge. Par exemple, dans un moulin à céréales, on s’adaptait aux vents plus rapides en augmentant l’écart entre les meules et en rajoutant des céréales. L’augmentation de la charge permettait à la vitesse de rotation des ailes de rester plus ou moins constante malgré des vents plus forts.

Image : Un meunier escalade les ailes. Source : Dagboek van een molenaar.

Lorsque les variations de vitesse du vent devenaient trop importantes, le meunier n’avait d’autre choix que de sortir du moulin et d’ajuster les ailes manuellement. Les moulins à vent traditionnels n’étaient pas équipés de pales, mais d’ailes (généralement une structure en bois recouverte de toile). Dans des climats plus froids, la toile était remplacée par des lattes en bois, plus faciles à manipuler en cas de gel.

Arriser deux, voire quatre ailes, ou réduire leur surface étaient des méthodes efficaces pour s’adapter aux vents plus forts, mais lors de fortes rafales, cette tâche devait être particulièrement ardue.

Afin qu’il puisse les escalader et en retirer la toile, au moins deux des ailes devaient être arrêtées en position verticale. Si le frein lâchait pendant son ascension, le meunier n’avait plus qu’à bien s’accrocher ! Ajuster la prise de ris et attacher les ailes faisaient également partie des procédures habituelles de début et de fin de journée.

Pendant la deuxième moitié du XVIIIe siècle, plusieurs techniques complexes mais efficaces ont été développées pour permettre aux moulins à vent traditionnels de fonctionner presque sans supervision

Pendant la deuxième moitié du XVIIIe siècle, plusieurs techniques complexes mais efficaces ont été développées pour permettre aux moulins traditionnels de fonctionner presque sans supervision, tout du moins pour gérer les changements de vitesse et de direction du vent.

En 1745, le forgeron anglais Edmund Lee a inventé la « machine à vent auto-régulée » ou « moulinet d’orientation », un dispositif qui ajuste automatiquement la position du moulin par rapport à la direction du vent. Ce dispositif était constitué d’un fantail (ou deux, pour des moulins à vent de plus grande taille) et d’un système d’engrenages (voir illustration ci-dessous).

Un fantail était une sorte de moulin à vent auxiliaire placé à l’arrière des ailes principales, perpendiculairement à celles-ci. Lorsque le vent change de direction, il souffle sur le fantail qui fait tourner le moulin jusqu’à ce que les ailes se retrouvent de nouveau perpendiculaires au vent.

Image : Un *fantail*. Source : Wikipedia Commons.

Le fantail entraîne une roue à la base de la calotte (dans le cas d’un moulin-tour) ou autour du bâtiment (dans le cas d’un moulin sur pivot, comme on le voit sur cette image). Ils ont par la suite été utilisés aux États-Unis pour des pompes à eau alimentées par énergie éolienne. Néanmoins, ces machines étaient bien plus légères et pouvaient donc se passer d’un système de rotation.

Le moulinet d’orientation facilitait non seulement le contrôle du moulin, mais il augmentait aussi son rendement énergétique. De légères variations de la direction du vent pouvaient entraîner de grosses pertes énergétiques, mais le meunier n’avait pas toujours le temps (ni l’envie) d’adapter l’orientation du moulin au moindre changement.

Contrôle automatique : ailes à jalousie et patent sails

Parallèlement à l’invention du fantail et du moulinet d’orientation, des mécanismes permettant d’ajuster automatiquement les ailes en fonction de la vitesse du vent ont également fait leur apparition. C’est ainsi qu’en 1722 les ailes à jalousies sont inventées par Andrew Meikle, un constructeur de moulins écossais. Sur ces ailes, la toile est remplacée par des dizaines de volets, comme sur un store vénitien, et chaque volet est contrôlé par un ressort.

Au fur et à mesure que le vent se lève, il surpasse la force du ressort, ce qui entraîne l’ouverture du volet. Le vent passe donc au travers et permet à la voile de ralentir. Plus le vent souffle, plus les volets s’ouvrent. Quand le vent ralentit, les volets se referment grâce aux ressorts et recouvrent parfaitement la surface de l’aile. Grâce à ce système, les ailes du moulin tournent à une vitesse constante, peu importe la puissance du vent.

Image : *Patent sails*.

Image : Ailes à jalousie.

Image : Ailes à enrouleur.

Les ailes à jalousie présentent toutefois un problème : la tension des ressorts (qui sont interconnectés à l’aide d’une longue barre) doit être ajustée avant de faire tourner le moulin, et ce en fonction de la vitesse du vent prévue et de la puissance nécessaire. Il était impossible de régler la tension des ressorts lorsque le moulin tournait.

Ce problème a été résolu en 1789 par Stephen Hooper, lorsqu’il a inventé des stores pouvant être ajustés manuellement par une chaîne depuis la terre ferme, et ce sans avoir à arrêt le moulin (on parle d’« ailes à enrouleur »). Cependant, ce système restait bien trop complexe. La touche finale améliorant les ailes à ajustement automatique est apparue en 1807 lorsque William Cubit a décidé d’attacher des contrepoids à la chaîne d’ajustement des ailes à jalousie, rendant leur gestion automatique. Ce système évitait la complexité de la méthode à enrouleur. On appelle ces ailes les « patent sails ».

Ailes Berton

Un dernier problème subsistait : les patent sails s’avéraient moins efficaces que les ailes normales. Pour y remédier, il était courant de combiner deux patent sails avec deux ailes normales : un compromis entre efficacité et maniabilité.

En 1848, un Français, Berton, a décidé de réduire le nombre de volets en les remplaçant par des modèles plus longs. Cette méthode fascinante rendait les moulins plus robustes et améliorait leur aérodynamisme (« ailes Berton », voir image ci-dessous).

Image : Des ailes Berton.

De plus, le meunier pouvait ajuster ce système depuis l’intérieur de la calotte du moulin. En 1860, Catchpole a ensuite introduit les aérofreins, un dispositif particulièrement efficace pour ralentir automatiquement les ailes lors d’une tempête. Grâce à un régulateur à boules situé dans le moulin, il n’était plus nécessaire d’ajuster manuellement la distance entre les meules.

Bien évidemment, les ailes à ajustement automatique et autres systèmes autonomes ne n’ont jamais pu résoudre le problème du manque de vent : les meuniers étaient donc forcés de travailler jour et nuit, tant que le vent soufflait. Ces derniers étaient même dispensés du traditionnel repos dominical.

Comme pour le fantail, les ailes à ajustement automatique ne facilitaient pas seulement le contrôle du moulin à vent, elles permettaient également d’augmenter le rendement énergétique. Comme le meunier n’avait plus à gérer les ailes du moulin depuis la terre ferme, l’arbre du moulin pouvait être installé plus en hauteur pour tirer profit de vents plus forts (les Néerlandais avaient déjà résolu ce problème en construisant des moulins-tours à plateforme pour pouvoir ajuster la prise de ris en hauteur).

Rendement énergétique d’un moulin à vent

L’introduction de la fonte dans la fabrication des engrenages a également permis de sophistiquer les moulins à vent. Elle a fait son apparition en 1755, seulement dix ans après l’introduction du moulinet d’orientation par John Smeaton. Pendant des siècles, les engrenages à l’intérieur du moulin étaient construits en bois, ce qui entraînait une déperdition énergétique considérable.

Dans les années 1930, des Néerlandais ont effectué des mesures sur un moulin de drainage datant de 1648. Leur étude a montré que ce dernier générait environ 40 chevaux au niveau de l’arbre, contre seulement 15,6 au niveau du mécanisme intérieur. Ce moulin n’avait donc un rendement que de 39 %. Près de deux tiers de la puissance générée étaient perdus lors de la transmission. Le rendement des moulins de drainage était légèrement supérieur : environ 50 %.

Les moulins à vent avec engrenages en bois n’avaient un rendement que de 39 %

L’utilisation de la fonte (puis du fer) a non seulement permis d’améliorer l’efficacité des engrenages, mais également de construire des moulins à vent plus grands. À l’inverse, l’usage du bois limitait le diamètre des ailes à 30 mètres environ (des dimensions courantes au XVIIe siècle).

Image : Les engrenages en bois d’un moulin à vent.

La longueur maximale d’un tronc (plus de deux fois la longueur d’une voile) était d’environ 30 mètres, puisqu’il n’existait pas d’arbre plus grand en Europe. C’est seulement dans la seconde moitié du XIXe siècle que l’on a commencé à utiliser le fer pour la fabrication des ailes et de l’arbre des moulins.

Des innovations trop tardives

Malheureusement, la plupart des améliorations les plus importantes pour les moulins à vent sont apparues trop tardivement. Dès la fin du XVIII\e siècle (à peu près au moment où ces innovations sont arrivées), un premier moulin à maïs a abandonné l’énergie éolienne pour la vapeur, adoptant aussi les nuages de fumée noire qui vont avec.

Dans les années 1850, les moulins à vapeur se sont popularisés avec, pour conséquence, le déclin des moulins à vent. Pour ne rien arranger, les fantails, les ailes à ajustement automatique et les renforcements en fer, ont mis du temps à s’imposer. Dans certains pays, ils n’auront même jamais eu le temps de s’implanter.

Image : Le Murphy Windmill à San Francisco.

Les ailes Berton n’étaient utilisées qu’en France ; les patent sails étant principalement répandues en Angleterre. Les troncs en fer auraient pu permettre de construire des ailes plus grandes, mais ça ne s’est jamais concrétisé. Le plus grand moulin-tour jamais construit était entièrement fait de bois. Il a été construit aux Pays-Bas en 1899 (il s’agit de « De Hoop » ou « L’espoir » et il est situé à Prinsenhagen, une ville aujourd’hui connue sous le nom de Breda). Il mesure 38 mètres de haut et ses ailes faisaient près de 27 mètres d’envergure. La calotte et les ailes ont été enlevées en 1929, mais la tour est toujours présente.

Le moulin à vent le plus grand jamais construit

Les deux moulins à vent néerlandais avec les plus grands diamètres d’ailes se trouvent dans le Golden Gate Park, à San Francisco. Ils ont été construits entre 1903 et 1905. Le plus grand, le « Murphy Windmill », s’élève à 29 mètres de haut et il est doté d’ailes de 35 mètres d’envergure. Ses troncs ont été coupés à partir d’un seul rondin (les arbres des États-Unis étant plus grands que ceux d’Europe). Ses engrenages, par contre, sont entièrement faits de fonte et on comprend pourquoi : le moulin pouvait pomper jusqu’à 150 000 litres d’eau par jour afin d’irriguer le parc. Le Murphy Windmill a été remplacé par un dispositif électrique quelques années plus tard pour finir en ruine.

Le déclin du moulin à vent a été lent, particulièrement aux Pays-Bas puisque même les Néerlandais préféraient les moulins dotés de machines à vapeur auxiliaires à ceux entièrement alimentés par la vapeur. Plus de 6 millions de pompes à eau alimentées par énergie éolienne (reconnaissables à leurs ailes circulaires) ont été construites aux États-Unis entre 1850 et 1930, mais après 1900, très peu de moulins à vent ont été bâtis ailleurs. Finalement, on a favorisé les éoliennes destinées à la production d’électricité, ce qui est toujours le cas aujourd’hui.

Les impressionnantes améliorations des années 1920 et 1930

Dans les années 1920 et 1930, alors que l’utilisation des moulins à vent avait cessé presque partout en Europe, les Néerlandais ont mis en place un programme de recherche qui les a menés au développement du moulin moderne. En 1923, la « Dutch Windmill Society » a été créée dans le but d’améliorer les performances des moulins à vent qui produisent de l’énergie mécanique. Parmi les membres de cette association, on retrouvait des mécaniciens industriels célèbres tels que les frères Dekker. Les résultats étaient spectaculaires.

On a réussi à doubler la puissance maximale d’un moulin à vent : elle est passée de 50 à 100 chevaux à la fin des années 1920

En appliquant des principes aéronautiques et en utilisant des plaques de métal (utilisées pour équiper les moulins à vent traditionnels d’ailes similaires aux pales des éoliennes modernes), on a réussi à doubler la puissance maximale d’un moulin à vent : elle est passée de 50 à 100 chevaux à la fin des années 1920.

Image : Une aile des frères Dekker.

Plus de 70 moulins à vent ont été équipés des nouvelles ailes des frères Dekker dans la décennie qui a suivi. De plus, les améliorations apportées au niveau des engrenages ont permis de réduire la perte d’énergie et de générer bien plus de puissance, notamment par vent léger.

Doubler le rendement

Des tests menés en 1939 par le « Prinsenmolen Committee » ont démontré qu’un moulin à vent amélioré pouvait fonctionner avec un vent allant de 12 à 15 km/h, alors qu’un ancien moulin nécessitait un vent de 18 à 22 km/h. Ces mêmes tests ont également prouvé qu’avec un vent de 20 km/h, leur puissance était la même que celle d’un moulin traditionnel avec un vent à 29 km/h.

Cela signifie que là où un moulin à vent traditionnel pouvait fonctionner environ 2 671 heures par an aux Pays-Bas, sa version améliorée pouvait tourner 4 442 heures par an, ce qui représente un rendement énergique annuel deux fois supérieur.

Le moulin à vent amélioré avait deux avantages : un meilleur rendement énergétique avec des vents similaires et plus d’heures de fonctionnement grâce au captage de vents plus faibles. On tirait d’ailleurs mieux profit des vents plus faibles, puisqu’avec des vents plus forts, les ailes devaient être arrisées plus rapidement.

Image : un moulin à vent amélioré.

Davantage d’améliorations apportées par Chris van Bussel, Kurt Bilau, G. J. Ten Have, Van Riet, P. L. Fauël, Sabinin et Yurieff durant les années 1930 ont abouti à un moulin construit en 1940, puis démoli en 1960. Il était jusqu’à deux fois plus puissant que les moulins à vent dotés d’ailes traditionnelles : il développait 125 chevaux.

Par la suite, la Seconde Guerre mondiale a mis un terme à ces recherches. À la fin du conflit, les Néerlandais ont finalement orienté leurs efforts vers la production d’électricité, tout comme le reste du monde.

Un retour aux moulins à vent traditionnels ?

Aujourd’hui, les moulins à vent et roues à aubes qui convertissent l’énergie cinétique directement en énergie mécanique sont considérés comme obsolètes. Bien que certaines de ces installations aient survécu, une minorité d’entre elles fonctionnent dans un but commercial, du moins dans les pays développés. Les éoliennes modernes convertissent une énergie renouvelable en électricité, qui peut elle-même être reconvertie par la suite en énergie mécanique.

Il est évidemment impossible de faire fonctionner un téléviseur à écran plat ou un ordinateur grâce à l’énergie mécanique, mais de nombreux processus industriels pourraient encore être alimentés ainsi. Nous avons toujours besoin de moudre des céréales, de scier du bois, de presser des graines ; mais nous utilisons à présent l’électricité pour alimenter les machines qui réalisent ces tâches. Cette électricité peut être produite grâce aux éoliennes modernes ou d’autres sources d’énergie renouvelable : voilà le futur dont nous rêvons.

L’énergie grise

Cependant, plusieurs raisons pourraient nous pousser à revenir à la conversion directe de l’énergie cinétique en énergie mécanique. Pour commencer, il s’agit d’un processus plus efficace, car l’étape intermédiaire de production d’électricité provoque des pertes par transformation. Cela signifie que nous devons construire moins de sites de production d’énergies renouvelables pour obtenir le même résultat. Ériger quelques millions d’éoliennes high-tech, recouvrir les déserts de centrales solaires et développer un réseau intelligent : tout cela est attrayant. Toutefois, la question la plus importante est de savoir s’il existe suffisamment de matériaux, d’énergie et de ressources financières pour faire de ces rêves une réalité.

Les moulins à vent traditionnels peuvent être améliorés considérablement grâce aux connaissances et aux matériaux auxquels nous avons aujourd’hui accès

Les données actuelles concernant la disponibilité des ressources requises pour la fabrication de nombreuses écotechnologies sont peu rassurantes. À cela s’ajoutent des rumeurs plus ou moins récentes évoquant un souhait de la Chine, principal producteur de métaux nécessaires aux écotechnologies, de restreindre l’export de ces métaux. À l’inverse, les moulins à vent qui convertissent directement l’énergie cinétique en énergie mécanique pourraient aisément fonctionner sans ces matériaux.

Des moulins à vent traditionnels mais high-tech

Soyons positifs : les moulins à vent traditionnels pourraient être grandement améliorés grâce aux connaissances actuelles et à des matériaux courants. Les engrenages et les ailes pourraient être fabriqués en acier ou en aluminium, ce qui améliorerait considérablement l’efficacité de ces moulins et les rendrait ignifugés. Les anciens moulins à vent étaient en grande partie ou entièrement faits de bois, et nombre d’entre eux ont été détruits par les flammes. Aujourd’hui, nous pourrions également développer la machinerie intérieure des moulins pour la rendre bien plus efficace.

Image : Le Noletmolen, construit en 2005.

Les moulins à vent modernes pourraient être bien plus grands et donc plus puissants. À titre indicatif, en 2005, des Néerlandais ont construit un autre moulin à vent traditionnel destiné à la production d’électricité : le « Noletmolen », situé à Schiedam. Il mesure près de 42 mètres de haut et il est doté d’ailes de 30 mètres d’envergure (légèrement moins que celles du Murphy Windmill de San Francisco).

Il a été construit à des fins promotionnelles par une distillerie (la ville accueille 5 autres moulins historiques, construits pour la production de gin néerlandais). Bien que ce moulin ne soit pas un « moulin » à proprement parler, il a été construit selon un modèle traditionnel, mais à l’aide de matériaux high-tech et d’ailes modernes (voir photo ci-dessus). Il développe ainsi une puissance de plus de 200 chevaux au niveau de l’arbre. Dans les dents, Energy Ball.

Une ouverture à l’écotechnologie

Si le vent ne souffle pas assez fort, un moteur électrique pourrait servir de solution de secours et remplacer les chevaux (sinon, nous pourrions simplement travailler uniquement lorsque le vent souffle). Il ne fait aucun doute que, 70 ans plus tard, une armée de geeks de l’écotechnologie pourrait pousser encore plus loin l’expérience des Néerlandais des années 1930. Il se pourrait que les résultats ne soient pas aussi charmants que les moulins à vent traditionnels, mais ils se révéleraient tout de même très utiles.

Évidemment, ceci n’est pas un plaidoyer en faveur de l’élimination pure et simple des éoliennes modernes ou même de l’infrastructure électrique dans son ensemble. Cependant, certaines choses pourraient être faites de manière plus efficace grâce à la conversion directe de l’énergie cinétique en énergie mécanique.

Sources (par ordre d’importance)

« Power from Wind: A History of Windmill Technology », Richard L. Hills, 1994.
« Molens », Frederick Stokhuyzen, 1962 (English summary here).
« Research inspired by the Dutch windmills: An account of an extensive programme of research and development », The Prinsenmolen Committee, 1966
« Histoire générale des techniques », Maurice Dumas, 1964
« Molendatabase » – photos et descriptions (en néerlandais) de moulins aux Pays-Bas.
« Natural sources of power », Robert Steele Ball (1908)
« Geschiedenis van de techniek in Nederland, de wording van een moderne samenleving 1800-1890 », H.W. Lintsen, 1992
« Gevlucht », Wikipedia Dutch
« History of technology »,« Energy conversion » et « Windmills », Encyclopedia Britannica.
« An Encyclopedia of the History of Technology (Routledge Companion Encyclopaedias) », Ian McNeil, 1990
« Wind, Water, Work: Ancient And Medieval Milling Technology (Technology and Change in History) », Adam Lucas, 2005
« Handbook of Fluid Dynamics », Richard W. Johnson, 1998
« The windmill as prime mover », Alfred R. Wolff, 1885
« An experimental enquiry concerning the natural powers of water and wind to turn mills », John Smeaton, 1760
« Groot Volkomen Moolenboek », 1734
« Penterbak » - photos
« Industriemolens » - photos de moulins industriels aux Pays-Bas - « Windmills in Sussex », Peter Hemming, 1936
« Windmills in Holland », K. Boonenburg, 1951 (pdf)
« Windmill sail », Wikipedia English
« Origen y expansion de los molinos de viento en Espana”, José Ignacio Rojas Sola y Juan Manual Amezcua Ogayar, Interciencia, Vol.30, 2005
« The windmill: a medieval steam engine? », John Langdon (pdf)
« The Evolution of Technology (Cambridge Studies in the History of Science », George Basalla, 1989
« Windkraftanlagen: grundlagen, technik, einsatz, wirtschaftlichkeit », Eric Hau, 2003
« European Route of Industrial Heritages »