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L’immobilisme de l’automobile électrique : meilleures batteries, même autonomie

Mon, 03 May 2010 00:00:00 +0000

Image : La voiture électrique n’est pas une nouveauté.

Au cours du dernier siècle, les moteurs électriques et les batteries ont connu une amélioration considérable. Pourtant, les très médiatisées voitures électriques d’aujourd’hui ont une autonomie similaire, voire inférieure à leurs prédécesseurs du début du XIXe. Poids, confort, vitesse et performance l’ont emporté sur tout réel progrès. Nous n’avons pas besoin de meilleures batteries, mais de meilleures voitures.

La Nissan Leaf de 2010 et la Mitsubishi i-MiEV ont la même autonomie que la Fritchle Model A Victoria de 1908 : 160 kilomètres par recharge

Entre les années 1895 et le milieu des années 1920, suite au boom du vélo des années 1890 , les voitures électriques partagent la route avec celles à essence et à vapeur. Les véhicules électriques sont alors plus lents, lourds et ont moins d’autonomie que leurs alternatives. Pourtant, à leurs tout débuts, les automobiles électriques sont pendant un court temps l’option la plus populaire – principalement pour les deux raisons suivantes :

Elles sont faciles à démarrer, alors que les voitures à essences nécessitent un démarrage à la manivelle et les voitures à vapeur prennent du temps pour chauffer le moteur (tout comme les voitures au gazogène) D’autre part, peu de routes sont pavées en milieu rural, au début du XXe siècle, donc l’autonomie limitée des véhicules électriques n’est pas si problématique. En 1912, la production de véhicules électriques bat son plein : plus de 30 000 véhicules électriques roulent sur les routes américaines (dont deux tiers utilisés comme véhicules personnels). L’Europe en compte environ 4 000.

Image : Une voiture électrique.

Dès 1912, la voiture à essence domine déjà le marché de l’automobile avec plus de 90 % des ventes. En effet, elle est plus rapide et roule sur de plus longues distances grâce à sa meilleure autonomie et aux stations-service plus élaborées. Le développement rapide d’un réseau de routes pavées a d’autant plus joué en sa faveur.

De plus, les moteurs à combustion interne deviennent moins coûteux que les moteurs électriques. En 1908, Ford présente son Model T. Produit en masse, ce modèle à essence initialement vendu 850 $ (715 €) est deux à trois fois moins cher qu’une automobile électrique similaire. En 1912, son prix descend à 650 $ (550 €). La même année, l’arrivée du démarreur électrique pour les véhicules à essence prive leurs alternatives électriques d’un de leurs derniers arguments de vente. Enfin, le prix de l’essence avait considérablement baissé comparé à la fin du XIXe siècle.

Les derniers avantages des véhicules électriques sont leur (potentielle) propreté et leur moteur silencieux – les mêmes avantages que nous leur trouvons aujourd’hui. En 1914, Henry Ford annonce la production en masse d’un véhicule électrique abordable, mais cette automobile ne verra jamais le jour. Six ans plus tard, les voitures électriques personnelles ont disparu en Europe. Elles survivent à une décennie de plus aux États-Unis. Les véhicules utilitaires électriques (dont nous ne parlons pas dans cet article) sont restés populaires plus longtemps.

Image : Une voiture électrique.

Les constructeurs des premières voitures électriques ont commis plusieurs erreurs stratégiques : par exemple, il a fallu attendre 1910 pour que la recharge des batteries soit standardisée. Cependant, la principale raison de l’échec des premières voitures électriques reste la capacité limitée des batteries. ## Hier comme aujourd’hui : 160 kilomètres

Si les défenseurs des véhicules électriques se penchaient un peu plus sur les caractéristiques et les brochures commerciales des « calèches sans chevaux » du XXe siècle, leur enthousiasme disparaîtrait rapidement. Batteries à recharge rapide (80 % de la capacité atteinte en 10 minutes), bornes automatiques de remplacement de batterie, bornes de recharge publique, équilibrage de charge, l’ensemble du plan d’affaires de Better Place, moteur-roue, freinage régénératif… Tout ça existait déjà à la fin du XIXe siècle ou au début du XXe siècle – sans grand succès auprès du public. Cependant, le plus surprenant reste l’impression de stagnation dans la technologie des batteries.

La Nissan Leaf et la Mitsubishi i-MiEV, deux voitures électriques lancées sur le marché en 2010, possèdent la même autonomie que la Fritchle Model A Victoria de 1908 : 160 kilomètres par recharge. La « 100-mile Fritchle » (Fritchle de 160 km) était un exploit technique pour son époque, mais ce n’était pas la seule voiture électrique à se vanter d’atteindre la barre des 160 km d’autonomie. J’ai simplement choisi ce modèle pour ses caractéristiques complètes et son autonomie certifiée.

Image : La Fritschle électrique de 1908.

Les premières voitures électriques (entre 1894 et 1900) avaient une autonomie de 32 à 64 km, toujours mieux que « l’autonomie » de 20 km d’un cheval. Le véhicule électrique deuxième génération (entre 1901 et 1910) moyen revendiquait déjà une autonomie de 80 à 130 km. La troisième génération de véhicules électriques (entre 1911 et 1920) possédait une autonomie de 120 à plus de 160 km par recharge, même pour les véhicules plus larges avec 5 places confortables. C’est la même autonomie que les voitures électriques d’aujourd’hui. (Visitez notre article en anglais présentation des premiers véhicules électriques pour les caractéristiques de chaque véhicule).

160 kilomètres : la limite supérieure

En réalité, l’autonomie de la Nissan Leaf ou de la Mitsubishi i-MiEV est peut-être bien plus limitée que celle de la Fritchle de 1908. L’autonomie de cette dernière a été officiellement enregistrée lors d’une course de 2 900 km, sur 21 jours de conduite, pendant l’hiver de 1908. La voiture de série a roulé sous différentes conditions météorologiques, et sur des terrains et conditions routières variés (souvent des chemins boueux et délabrés). L’autonomie moyenne d’une recharge était de 144 km, et le maximum enregistré de 173 km. (sources : 1 / 2 )

En réalité, l’autonomie de la Nissan Leaf ou de la Mitsubishi i-MiEV est peut-être bien plus limitée que celle de la Fritchle de 1908.

L’autonomie de la Mistubishi i-MiEV et de la Nissan Leaf a été testée dans des conditions bien différentes : sur des bancs d’essai à rouleau (et non des routes réelles) et dans un environnement protégé, mais ce n’est pas tout. Les deux constructeurs ont revendiqué leur autonomie selon un seul test de l’EPA (agence américaine de protection de l’environnement), qui n’est qu’un test de cycle urbain (« EPA city ») dont la vitesse moyenne est de 31,5 km/h avec une accélération à 64 km/h de moins de 100 secondes.

La critique accuse les constructeurs actuels de ne pas révéler l’autonomie du cycle de conduite mixte de l’EPA (« EPA combined cycle »), qui inclut aussi une partie extra-urbaine (« EPA highway cycle ».) Contrairement aux véhicules avec un moteur à combustion interne, les voitures électriques consomment moins de carburant en ville que sur l’autoroute en vitesse constante. Un moteur électrique au ralenti n’utilise pas de batterie, et le freinage régénératif est plus efficace en ville. Darryl Siry, l’ancien directeur marketing de Tesla, estime que l’autonomie réelle de la Nissan (et des autres voitures électriques modernes) est d’environ 70 % de l’autonomie annoncée. Ce qui signifie que les voitures électriques d’aujourd’hui auraient la même autonomie que la Krieger Electrolette de 1901, c’est-à-dire 110 km.

Image : Une voiture électrique.

Même les chiffres du cycle mixte de l’EPA devraient être considérés comme une limite supérieure. En effet, effectués à une vitesse moyenne de 77 km/h, les tests sur autoroutes ne sont plus à jour. De plus, l’autonomie d’une voiture est aussi affectée par d’autres facteurs – parfois combinés : vitesse excessive et accélérations rapides, utilisation des phares la nuit, du chauffage, de la climatisation ou des autres options de bord, conduite sur des routes vallonnées ou contre le vent… L’EPA a ajouté de nouveaux cycles de test en 2008 pour prendre en compte ces points, mais les résultats ne sont pas encore disponibles pour les véhicules électriques mentionnés ici.

Certains de ces facteurs concernent autant les voitures électriques d’aujourd’hui que celles des années passées. L’autonomie de la Fritchle a été testée sur des terrains et des conditions météorologiques variées, ce qui n’est pas le cas de la Nissan ou de la Mitsubishi. De plus, les premières voitures électriques n’avaient pas de climatisation et peu d’entre elles possédaient un système de chauffage (les conducteurs comme les passagers s’habillaient chaudement en hiver). Mitsubishi avertit ses clients que l’utilisation du chauffage peut réduire de moitié l’autonomie du véhicule. En fin de compte, l’autonomie des véhicules électriques de 2010 serait plus proche des 80 km que des 160 km. Et ce sont les résultats attendus pour une batterie neuve : après 5 ans, sa capacité aura baissé d’au moins 20 %.

Des meilleures batteries

Malgré tout, le véhicule de 2010 a une bien meilleure batterie sous le capot que celui de 1908. La Fritchle Electric était dotée, comme toutes ses contemporaines, de batteries au plomb avec une densité d’énergie entre 20 à 40 Wh/kg et les batteries du début du XXe avaient une densité d’énergie de seulement 10 à 15 Wh/kg. La Nissan et la Mitsubishi ont une batterie lithium-ion avec une densité d’énergie d’environ 140 Wh/kg.

Ainsi, la batterie de la Nissan peut stocker 3,5 à 7 fois plus d’énergie pour un poids donné qu’une des premières voitures électriques des années 1910. On peut donc imaginer que la Nissan posséderait une autonomie 3,5 à 7 fois supérieure (soit 560 à 1 130 km), mais ce n’est pas le cas. On aurait aussi pu imaginer que les progrès technologiques conduiraient à une batterie 3,5 à 7 fois plus légère (et petite), et par conséquent à un véhicule plus léger et économe en carburant, mais ce n’est pas le cas non plus.

La batterie de la Nissan Leaf est seulement 1,6 fois plus légère que celle de la Fritchle : 220 kg contre 360 kg. La Nissan (batterie comprise) pèse plus lourd que la Fritchle : 1 271 kg contre 950 kg.

Puissance de moteur, vitesse et accélération

La différence la plus évidente entre les caractéristiques des anciennes et des nouvelles voitures est la puissance du moteur. Une automobile de 1908 possède un moteur de 10 CV, une voiture de 2010 possède un moteur de 110 CV. En d’autres termes, la Nissan Leaf a un moteur aussi puissant que 11 Fritchle. La Mitsubishi i-MiEV, plus petite et légère (1 080 kg), a un moteur aussi puissant que 6,5 Fritchle.

La vitesse maximale de la Fritchle était 40 km/h, alors que la Nissan monte à 140 km/h et la i-MiEV la suit de près avec 130 km/h. Les données d’accélération ne peuvent pas être comparées, mais les voitures de 2010 peuvent sans doute accélérer et rouler en côte bien mieux que leurs ancêtres du début du XXe siècle. De nos jours, le temps d’accélération rapide est un des arguments de vente des voitures électriques.

Image : Une voiture électrique.

Dans les années 1900, on pointait déjà du doigt les risques liés à la puissance des moteurs électriques. Selon le Hawkins Electrical guide de 1914,

« L’accélération très rapide pour les véhicules électriques est une caractéristique critiquable, car un véhicule pouvant accélérer rapidement surcharge sa batterie. »

Quelques années auparavant, les membres de l’Electric Vehicle Association of America (Association américaine des véhicules électriques) ont tenté de limiter la vitesse maximale à 32 km/h pour les véhicules électriques, car leurs demandes énergétiques augmentaient rapidement au-dessus de cette limite. Ils craignaient que rouler plus vite soit un danger pour l’autonomie des automobiles, ô combien cruciale. Mais en vain. Trop de constructeurs cherchaient à rivaliser avec les voitures à essences (et entre eux) en concevant des véhicules électriques plus rapides.

Une voiture consomme 4 fois plus de carburant pour rouler 2 fois plus vite, il semble donc évident que la vitesse est la raison pour laquelle l’autonomie des voitures électriques actuelle n’a pas augmenté malgré leurs meilleures batteries. Cependant, la situation est plus compliquée que cela. L’autonomie du test « EPA-city » annoncée par les véhicules électriques modernes est basée sur une vitesse moyenne de 31 km/h, soit moins que la vitesse maximale (40 km/h) de la Fritchle. C’est quasiment la même vitesse à laquelle cette dernière pouvait rouler sur 160 km en une recharge.

Bien que la vitesse soit un facteur important à prendre en compte dans l’autonomie réelle des véhicules électriques d’aujourd’hui, elle ne peut expliquer l’autonomie « officielle » décevante. Les accélérations rapides peuvent jouer un rôle, mais les tests EPA décrits plus haut ne prennent pas en considération une conduite agressive, ce qui nous pousse à penser que d’autres facteurs sont en jeu.

Des voitures et des moteurs surdimensionnés

Le premier est le poids. La batterie de la Nissan est plus légère que celle de la Fritchle, mais la voiture en elle-même, batterie comprise, pèse 321 kilos de plus. Sans la batterie, la Nissan pèse quasiment le double de la Fritchle : 1 051 kg contre 590 kg.

Alors qu’en 100 ans, les batteries sont devenues 3 fois moins lourdes, le poids du véhicule en lui-même (sans la batterie) a doublé. Le poids de la Nissan rend le progrès technologique sous le capot moins impressionnant. En augmentant le poids de 35 %, on perdrait 28 % d’autonomie (sources: 1 / 2).

Image : Châssis d’une voiture électrique.

Le deuxième facteur est directement lié à l’augmentation de la puissance. En général, les moteurs électriques fonctionnent de manière optimale lorsque la capacité de la batterie tourne autour de 75 %. En dessous de 25 %, leur efficacité chute de manière significative. Le moteur de la Fritchle tourne de manière optimale aux alentours de 30 km/h. Le moteur de la Nissan Leaf, beaucoup plus puissant, est cependant plus efficace quand il atteint les 105 km/h. C’est bien au-dessus de la vitesse moyenne des tests. Les véhicules électriques d’aujourd’hui consomment moins à faible vitesse qu’à haute vitesse en raison d’autres facteurs. Cependant, en les comparant aux premiers modèles électriques dont le moteur était bien moins puissant, à une vitesse d’environ 30 km/h, ils sont sûrement moins performants. (source - pdf).

Des ordinateurs à roues

Le troisième facteur est la technologie intégrée aux véhicules électriques. Les voitures modernes disposent, selon les modèles, de 30 à 100 unités de contrôle embarquées. (source). Ces ordinateurs ajoutent du poids aux véhicules et consomment de l’énergie de manière directe. Une partie de cette consommation directe d’énergie ne figure pas dans les tests EPA. C’est le cas des vitres ou des rétroviseurs à commande électronique.

Par ailleurs, de nombreuses unités de contrôle se déclenchent lorsque le véhicule est en marche : c’est le cas pour l’assistance de freinage, la suspension active, les capteurs, les indicateurs du tableau de bord ainsi que le système de gestion de la batterie (pas obligatoire pour une batterie au plomb, mais essentiel pour une batterie lithium-ion) C’est la batterie qui doit fournir toute cette énergie.

Dans les années 1900, on pointait déjà du doigt les risques liés à la puissance des moteurs électriques.

La demande de véhicules toujours plus performants n’explique pas le peu de véhicules électriques disponibles sur le marché actuel. Les facteurs cités ci-dessus en sont en partie responsables. Si une réduction globale de la vitesse survenait, la plupart des unités de contrôle liées à la sécurité deviendraient inutiles.On pourrait aussi se passer des moteurs et des batteries surdimensionnées qui tout comme l’électronique, ajoutent du poids à la voiture.

Tesla Roadster

Vous vous demandez sûrement pourquoi je ne compare pas la Fritchle de 1908 à la Tesla Roadster sortie en 2008. Cette voiture a une autonomie de 393 kilomètres, c’est 2,44 fois mieux que les voitures électriques japonaises (anciennes et nouvelles). Cette autonomie n’a été pas été calculée selon les critères du cycle urbain « EPA-city », mais selon le cycle mixte « EPA combined cycle ». (L’« EPA combined cycle » mise en avant par Tesla est plus adaptée aux voitures de sport que l’« EPA city ». Cette dernière fonctionne mieux pour les véhicules familiaux comme la Nissan Leaf).

Image : Une Tesla Roadster

La Tesla Roadster est pourtant moins avant-gardiste qu’elle n’y paraît. La batterie de cette voiture de sport (450 kg) pèse deux fois plus que celle de la Nissan (220 kg). Les deux batteries ayant la même densité énergétique, nul besoin d’être spécialiste pour comprendre que la batterie la plus lourde a une capacité deux fois plus élevée : 53 kWh exactement pour la Tesla contre seulement 24 kWh pour la batterie de la Nissan (et 16 kWh pour la Mitsubishi i-MiEV). En tenant compte du fait que les deux véhicules font le même poids, proposer une voiture avec 2,5 fois plus d’autonomie et une capacité de batterie plus que doublée (2,2 fois plus) est loin d’être une prouesse technique.

L’énergie grise des batteries de véhicules électriques

Pour augmenter l’autonomie d’un véhicule, on peut doubler la capacité de sa batterie. Mais cette solution est loin d’être durable, car on a aussi besoin de deux fois plus d’énergie pour fabriquer la batterie ( cf. la Mini E qui sacrifie sa banquette arrière pour atteindre 167 km d’autonomie). Bien évidemment, le prix de la voiture est lui aussi doublé. La batterie de la Tesla Roadster à 109 000 dollars se vend à 30 000 dollars. C’est le prix d’une voiture Nissan ou Mitsubishi.

Personne n’a vraiment calculé l’énergie nécessaire pour produire une batterie de Tesla Roadster, ni même d’une autre voiture électrique, d’ailleurs. Vous pouvez cependant vous faire une idée de cette consommation grâce à l’outil en ligne de l’Université Carnegie Mellon. Ce modèle montre que 30 000 dollars d’activités économiques dans le secteur des batteries (en comptant la production de batteries lithium-ion) équivaut à une consommation d’énergie de 23 222 kHh. En moyenne,c’est ce que consomme un ménage britannique sur 6 ans. Après 7 ans d’utilisation, la batterie doit être changée.

Les faibles coûts en « carburant » ne sont pas suffisants si le « réservoir de carburant » en lui-même est si gourmand en énergie.

Ces chiffres démontrent que l’énergie grise des batteries, qu’aucun document étudiant les avantages écologiques des véhicules électriques ne prend en compte , représente une grande part du coût total d’énergie d’une voiture électrique. Avec une consommation annoncée à 25 kWh pour 100 km, la Tesla pourrait parcourir 176 929 km avec 23 222 kWh. C’est presque 30 000 km par an ou 80 km par jour. Les faibles coûts en « carburant » ne sont pas suffisants si le « réservoir de carburant » en lui-même est si gourmand en énergie.

Une batterie magique

De nos jours, tout comme il y a 100 ans, les adeptes de véhicules électriques se demandent comment les vendre. Selon certains, la plupart des gens ne font pas plus de 50 km par jour. De ce fait, les batteries sont aujourd’hui adaptées à leur fonction. La plupart des voitures sont chargées à domicile pendant la nuit ; les stations d’échange et de recharge de batteries font le reste du travail.

Image : La Babcock Roadster.

D’autres en revanche, espèrent qu’une technologie révolutionnaire améliorera l’autonomie des véhicules électriques pour qu’elle soit aussi performante que celle des voitures essence. Cette idée est soutenue par des communiqués de presse comme celui-ci : « une batterie Nanowire peut stocker 10 fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion ». Il est important de noter que l’arrivée de cette « batterie miracle » serait « sur le point d’arriver » depuis plus de 100 ans maintenant :

« Un grand nombre de personnes intéressées par le stockage de l’énergie espèrent l’arrivée d’une révolution dans la génération et le stockage d’énergie pour les batteries. Beaucoup pensent également que des batteries légères et à grande capacité seraient sur le point d’être découvertes. » (source, 1901).

« Les gens attendent les batteries rechargeables avec tant d’impatience qu’elle ne devrait pas tarder à arriver sur le marché. Dans toute l’histoire du progrès industriel, l’invention répond à une forte demande de la population » (Electrical Review, 1901).

Au début du XXe siècle, Edison avait annoncé une nette amélioration de la batterie au plomb-acide. La batterie conçue par Edison a mis près d’un siècle avant d’arriver sur le marché. Même si elle présentait des avantages par rapport aux autres batteries, elle était bien trop chère (le prix d’une Ford T essence) et loin d’être révolutionnaire.

Dans les années 1960 et 1970, quand les voitures électriques étaient de nouveau en vogue, une nouvelle technologie de stockage « miracle » fit son apparition.

« Les adeptes de véhicules électriques et les plus grands fabricants de batteries s’accordent à dire qu’une batterie à haute densité d’énergie et de puissance, pourrait voir le jour d’ici 5 ans. Cette innovation entrainerait une révolution dans le domaine de l’électrochimie » (Machine Design, 1974).

Le nombre de concept-cars électriques sur le marché était bien moins important en 1960 et 1970 qu’au début des années 1900. En effet, en 1960 elles fonctionnaient toujours avec les mêmes batteries au plomb-acide, alors que les voitures en elles-mêmes étaient beaucoup plus lourdes et puissantes.

Des véhicules électriques rentables – scénario 1

Le miracle peut encore arriver, mais difficile d’y croire au vu de l’histoire. Pour que cela fonctionne, il faudrait utiliser des technologies déjà existantes et réduire la taille des voitures. Comme on l’a vu rapidement un peu plus haut, il y a deux façons de procéder. La première est de reprendre les véhicules électriques du XXe siècle et de les équiper avec des batteries modernes. Grâce aux batteries à nanofils (pas encore existantes) leur autonomie serait largement plus grande.

Image : Recharger une voiture électrique en 1901.

Si vous mettiez la batterie lithium-ion de la Nissan Leaf dans la Fritchle de 1908, la voiture aurait une autonomie de 644 km. Et, si la batterie lithium-ion faisait le même poids que la batterie d’origine, on obtiendrait une autonomie de 1 127 km. En plus, les moteurs d’aujourd’hui sont eux aussi plus légers, ce qui améliorerait encore l’autonomie.

Même en roulant sur des routes boueuses et abîmées avec les phares et le chauffage allumés, la voiture présenterait une meilleure autonomie. On se rapprocherait alors des véhicules à essence actuels. Ces améliorations limiteraient notre consommation d’énergie : la Frichtle consommait 7 kWh/100 km alors que la Nissan en consomme 15 kWh/100 km.

L’autonomie est l’un des points les plus importants pour le conducteur. En améliorant celle-ci, on aurait besoin de moins de stations de charge, ce qui réduirait les coûts liés au besoin en énergie de ces infrastructures. En bref, pour avoir des voitures électriques rentables, il faudrait réduire leur vitesse. Nous n’aurions même pas besoin de les moderniser. Les premiers véhicules électriques avaient du caractère, et à basse vitesse, l’aérodynamique n’est pas le facteur qui fait consommer le plus d’énergie.

Des véhicules électriques rentables – scénario 2

Il est évident que conduire une voiture lente aux allures de calèche n’enchante pas grand monde. Ce n’est heureusement pas la seule solution pour améliorer les voitures électriques. En réduisant la taille des voitures, on obtiendrait des véhicules beaucoup plus légers et économes en carburant. C’est la solution adoptée par la marque Trev pour leur concept-car électrique. La performance de cette voiture est comparable à celle de la Nissan Leaf ou de la Mitsubishi i-MiEV. Elle a une vitesse maximale de 120 km/h et est capable d’atteindre les 100 km en moins de 10 secondes.

Entre l’autonomie, la vitesse et la taille, il faut choisir. C’est ce que nous sommes aujourd’hui en train de faire.

La batterie du véhicule électrique Trev est 5 fois plus légère (45 kg). La voiture en elle-même (batterie incluse) ne pèse pas plus de 300 kg. Elle consomme autant que la Fritchle (6,2 kWh/100 km), mais a une bien meilleure performance. Sa consommation en carburant est deux fois moins importante que celle de la Nissan Leaf. Pourtant, son autonomie est similaire à celle de la Fritchle ou de la Nissan : 150 km. Logiquement,une voiture plus légère aura une plus petite batterie et consommera moins d’énergie. Cependant, il est beaucoup plus simple de réduire le poids d’une voiture à essence.

Le concept-car de chez Trev présente les mêmes avantages que la voiture Fritchel, mais avec une batterie de 2010. Il faudrait toujours des stations de charge élaborées pour ce modèle, mais sa petite batterie répondrait mieux aux besoins du marché : on pourrait enfin recharger rapidement les batteries sans avoir à construire des centaines de centrales électriques. Avec ce concept-car, on pourrait aussi produire des batteries beaucoup moins gourmandes en énergie.

On ne peut pas tout avoir

Bien évidemment, beaucoup d’autres solutions s’offrent à nous. Rouler à une vitesse de 30 km/h ne nous tuerait pas, bien au contraire, mais en réduisant la taille des voitures on pourrait obtenir une autonomie décente et surpasser les premiers modèles électriques.

Nous pourrions les ajuster pour qu’elles puissent rouler à 60 km/h (c’est un peu plus que la Babcock Electric Roadsterde 1911). À cette allure, quitter une scène de crime ou échapper des griffes d’un tigre fou sera un jeu d’enfant.

Image : Le Roadster électrique Babcock.

À 60 km/h, il faudra 10 heures pour faire 600 kilomètres au lieu de 5 heures avec une voiture classique. Ce n’est pas la fin du monde. C’est d’ailleurs beaucoup plus rapide que d’y aller à pied (120 heures) ou à vélo (30 heures). Il serait aussi envisageable d’équiper la voiture Trev d’une plus grande batterie pour qu’elle ait une meilleure autonomie, au prix d’une vitesse moins élevée. La deuxième solution serait de garder la Trev telle quelle en calant sa vitesse à celle de la Fritchle.

Si l’on souhaite rouler plus vite, il faudra faire une croix sur l’autonomie. Au contraire si l’on veut plus d’autonomie, on devra limiter la vitesse. Enfin si l’on veut faire des économies sur le coût des stations de charge, il faudra limiter la vitesse ou construire des voitures plus petites. On l’a bien compris, nous ne pourrons jamais tout avoir, l’autonomie, la vitesse et la taille. Pourtant, c’est ce que nous tentons de faire.

Sources (par ordre d’importance) :

“Horseless vehicles automobiles motor cycles operated by steam, hydro-carbon, electric and pneumatic motors”, Gardner Dexter Hiscox, 1901.
“An illustrated directory of the specifications of all domestic and foreign motor cars and motor business wagons gasoline, steam, and electric sold in this country”, 1907.
“The Electric Vehicle and the Burden of History”, David A. Kirsch, 2000.
“The Electric Vehicle: Technology and Expectations in the Automobile Age”, Gijs Mom, 2004.- “Histoire de la voiture électrique”, Philippe Boursin (website). - “Motor cars; or, power carriages for common roads”, Alexander James Wallis-Tayler, 1897. Chapter on electric cars.
“Court histoire de l’automobile électrique routière”, Bulletin de la Société d’Encouragement pour l’Industrie Nationale, July 1940 - June 1941.
“Hawkins Electric Guide: questions, answers & illustrations – volume 9”, Frank D. Graham (1914). Chapter on electric vehicles.
“Salon de l’Automobile: les petites voitures”, La Nature, 1901.
“Motor vehicles for business purposes; a practical handbook for those interested in the transport of passengers and goods”, A.J. Wallis-Tayler, 1905
“Les voitures Electricia”, La Nature, 1901
“Electric and Hybrid Cars: A History”, Curtis Darrel Anderson & Judy Anderson, 2005- “Tube, train, tram, and car; or up-to-date locomotion”, 1903
“Alternatives to the gasoline automobile” (.pdf), in “The Steam Automobile”, Vol.17, No.1, 1975 .

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)

Les e-mails au XVIIIe siècle : Le sémaphore

Sun, 23 Dec 2007 00:00:00 +0000

Image : Une tour sémaphore. Source : [École Centrale de Lyon](http://chappe.ec-lyon.fr/)

En termes de vitesse, l’e-mail surpasse tous les autres moyens de communication. Mais ce type de technologie — la technologie de transmission longue distance — existe depuis bien longtemps. Les prémices de cette technologie ont vu le jour des milliers d’années avant le début de notre ère avec l’apparition des signaux de fumée, de feu et de tambour.

Les systèmes de transmission longue distance codés ont été la base d’un réseau de communication désormais oublié qui a précédé l’arrivée d’internet : le sémaphore.

Dans chaque tour de sémaphore, un agent-télégraphiste observait la tour précédente de la chaine à travers une longue-vue.

Tout au long de l’histoire, la communication longue distance a demandé de la patience – beaucoup de patience. Les postiers existaient avant même que les hommes ne sachent écrire, mais le transport physique de messages oraux ou écrits dépendait toujours de la vitesse du messager.

Sur de longues distances, les hommes ou les chevaux peuvent maintenir une vitesse de 5 ou 6 km/h. En marchant 10 heures par jour, la transmission d’un message de Paris à Anvers prendrait environ une semaine.

Services postaux

Déjà pendant l’Antiquité, les services postaux calculaient la vitesse de transmission de messages par rapport aux changements de facteurs. En effet, dans les bureaux de poste, les messages passaient d’un postier à un autre, et les cavaliers pouvaient changer de monture. Ces systèmes bien organisés ont aidé les services postaux à grandement augmenter leur cadence.

La vitesse moyenne d’un cheval au galop est de 21 kilomètres par heure. Cela veut dire que le temps d’un trajet Paris-Anvers se réduit à seulement quelques jours. Les pigeons voyageurs étaient deux fois plus rapides, mais bien moins fiables. Les échanges entre les continents étaient limités par la vitesse de livraison.

Image : Le réseau de sémaphore dans les Pays-Bas. Source : [École Centrale de Lyon](http://chappe.ec-lyon.fr/)

Le télégraphe a mis fin à des siècles de communication longue distance lente. La plupart des livres d’histoire commencent leur chapitre sur les télégraphes par la découverte du télégraphe électrique au milieu du XIXe siècle.

Cependant, les télégraphes électriques ne sont que le résultat d’une transition souvent négligée. Cinquante ans plus tôt, en 1791, Claude Chappe développa le premier sémaphore. Grâce à cette technologie, les messages pouvaient être transmis très rapidement et sur de longues distances. On n’avait alors plus besoin de postiers, de chevaux, ni de câbles électriques.

Une chaîne de tours

Les sémaphores étaient constitués d’une chaîne de tours placées de 5 à 20 kilomètres les unes des autres. Sur chacune de ces tours étaient installés un sémaphore en bois et deux longues-vues (la longue-vue a été inventée en 1600).

Le sémaphore était composé de deux bras de signal pouvant prendre sept positions différentes. Le sémaphore quant à lui pouvait être placé dans 4 positions différentes, pour un total de 196 combinaisons. Chacune de ces combinaisons correspondait au code d’une lettre, d’un nombre, d’un mot ou d’une (partie) de phrase.

1 380 kilomètres-heure

Dans chaque tour de sémaphore, un agent-télégraphiste observait la tour précédente de la chaîne à travers une longue-vue. Si le sémaphore sur cette tour était dans une position particulière,l’agent-télégraphiste prenait la même position dans sa propre tour.

Il utilisait une nouvelle fois la longue-vue pour vérifier si le télégraphiste dans la prochaine tour copiait le bon symbole. De cette façon, les messages étaient diffusés symbole par symbole de tour en tour. Le sémaphore était actionné par deux leviers. Le télégraphiste pouvait effectuer 1 à 3 symboles par minute.

Image : Le réseau de sémaphores en France. Source : [École Centrale de Lyon](http://chappe.ec-lyon.fr/)

La technologie peut aujourd’hui nous sembler étrange,mais à cette époque, le sémaphore était une invention révolutionnaire. En quelques décennies, des réseaux continentaux ont été créés en Europe et aux États-Unis.

La première ligne fut créée entre Paris et Lille pendant la Révolution française, près de la ligne de front. Elle faisait 230 kilomètres de long et était composée de 15 tours de sémaphore. Le premier message, l’annonce d’une victoire militaire contre les Autrichiens, a été transmis en moins d’une demi-heure. La transmission d’un symbole entre Paris et Lille ne prenait que 10 minutes, soit une vitesse de 1 380 km/h. C’est plus rapide qu’un avion de ligne,qui n’aura été inventé qu’un demi-siècle plus tard.

D’Amsterdam à Venise

La technologie s’est exportée très rapidement. En moins de cinquante ans, les Français ont créé une infrastructure nationale avec plus de 530 tours, d’une longueur de 5 000 kilomètres. Paris était relié à Strasbourg, Amsterdam, Toulon, Perpignan, Lyon, Turin, Milan et Venise.

Au début du XIXe siècle, un court message pouvait être transmis d’Amsterdam à Venise en une heure. Seulement quelques années auparavant, il aurait fallu au moins un mois à un cavalier pour parcourir la même distance.

Image : Le réseau de sémaphore joignant Lyon et Venise. Source : [École Centrale de Lyon](http://chappe.ec-lyon.fr/)

Le système a été copié à grande échelle dans d’autres pays. La Suède a mis en place un réseau national, des parties de l’Angleterre et l’Amérique du Nord n’ont pas tardé à s’y mettre. Un peu plus tard, l’Espagne, l’Allemagne et la Russie ont aussi construit leur propre réseau de sémaphore.

La plupart de ces pays ont conçu leur propre version du télégraphe Chappe en utilisant par exemple des volets à la place des bras du modèle original. La Suède a développé un système deux fois plus rapide, tandis que l’Espagne a créé un télégraphe résistant au vent. Plus tard, les sémaphores ont été utilisés pour le transport de marchandises et la signalisation ferroviaire.

Il n’y a jamais vraiment eu de réseau desservant toute l’Europe. La ligne entre Amsterdam et Venise n’a été utilisée que pour une courte période. Quand Napoléon a été chassé des Pays-Bas, son réseau de sémaphore a été démantelé. Les Espagnols quant à eux, ont utilisé la technologie trop tard.

La fin de la construction de leur réseau national est arrivée alors même que la technologie devenait désuète dans les autres pays. Le réseau de sémaphore était utilisé exclusivement pour des communications militaires ou nationales. Les habitants du pays n’y avaient pas accès. Il était toutefois utilisé pour annoncer les gagnants de la loterie et pour les données boursières.

Le sémaphore a disparu aussi vite qu’il est arrivé. C’est l’arrivée du télégraphe électrique, cinquante ans plus tard, qui a causé sa chute. Le dernier sémaphore français a arrêté de fonctionner en 1853. En Suède, ils ont continué jusqu’en 1880. Le télégraphe électrique fonctionnait même avec de la brume, du vent, des grosses précipitations ou même avec du brouillard épais. Il pouvait aussi être utilisé la nuit.

Image : Carte du réseau de sémaphore en Espagne, 1844-1857 : [Luis Enrique Otero Carvajal](http://www.ucm.es/info/hcontemp/leoc/telegrafo%20optico.htm)

En plus, le télégraphe électrique était moins cher que son équivalent mécanique. Il était aussi beaucoup plus difficile d’intercepter un message transmis par le télégraphe électrique. À l’opposé, n’importe qui pouvait décrypter les messages transmis avec un sémaphore. Le télégraphe électrique a aussi facilité les échanges entre les continents, absolument impossible à réaliser avec un sémaphore (à moins que vous ne fassiez un grand détour par l’Asie).

Pendant plus de 100 ans, le télégraphe était le moyen de communication privilégié pour transmettre des messages écrits à travers le monde. Au début, on pouvait communiquer grâce aux câbles électriques, plus tard c’est les ondes radio qui ont pris le relais. La première ligne a été construite en 1844, et la première connexion transatlantique a été mise en service en 1865. Le télégraphe utilisait le code morse, ou des points et des tirets symbolisaient des lettres et des chiffres.

Le téléphone, les lignes de chemin de fer, la radio et la télévision n’ont pas réussi à rendre le télégraphe obsolète. La technologie a disparu avec l’arrivée du fax et des réseaux informatiques à la seconde moitié du XXe siècle. Les sémaphores utilisés pour le transport de marchandises et la signalisation ferroviaire ont été remplacés par des équivalents électriques. Mais, pour le transport de marchandises, ils sont encore utilisés pour des situations très urgentes (grâce à des drapeaux ou des lampes).

Clavier

Le télégraphe électrique est l’ancêtre direct des e-mails et d’internet. Depuis les années 30, il est même possible de transmettre des images. Une variante du télégraphe dotée d’un clavier a aussi été développée pour que la technologie soit accessible à tous, même les personnes ne connaissant pas le code morse. Le sémaphore et le télégraphe électrique sont par nature, la même technologie que celle utilisée pour les e-mails et internet.

Tous ces moyens de communication utilisent un langage codé et font appel à des postes intermédiaires pour transmettre les informations à grande échelle. Le télégraphe optique utilise des signaux visuels, le télégraphe électrique des points et des tirets et internet des uns et des zéros. Les nuages et signaux de fumée sont aussi des signaux télégraphiques. En les transmettant grâce à une longue-vue, ils sont aussi efficaces qu’un sémaphore.

Internet Low-tech

Alors bien sûr, les e-mails sont bien plus pratiques et efficaces que les télégraphes optiques. Cependant, l’ancêtre low-tech du courrier électronique avait plus ou moins les mêmes résultats sans câbles électriques et sans courant, alors qu’internet n’est en fait qu’un ensemble de câbles gaspillant nos ressources en énergie à une vitesse effrénée.