Général

James Watt, père de la machine à vapeur moderne


James Watt était un inventeur, ingénieur en mécanique et chimiste écossais le plus célèbre pour ses travaux sur la première machine à vapeur moderne au monde. Il modifiera la machine à vapeur Newcomen pour améliorer son efficacité grâce à sa pensée créative et à ses connaissances scientifiques en conception d'instruments. Le travail de James sur la machine à vapeur s'avérerait être une contribution substantielle au monde et une contribution qui, en grande partie, contribuerait à alimenter la révolution industrielle chez nous en Grande-Bretagne et dans le reste du monde.

James a d'abord commencé à travailler sur des instruments de construction à l'Université de Glasgow. Là-bas, il s'intéressait aux moteurs à vapeur. Il se rendrait vite compte que les moteurs à vapeur existants gaspillaient de l'énergie en refroidissant et réchauffant à plusieurs reprises le cylindre. Pour résoudre ce problème, il a introduit une amélioration simple mais significative de la conception. Un condenseur séparé. Cela évite de gaspiller de l'énergie et améliore radicalement la puissance, l'efficacité et la rentabilité des moteurs à vapeur.

James Watt améliorerait progressivement la conception du moteur au fil des ans. Il a ajouté le mouvement rotatif et élargi les applications des moteurs à des utilisations au-delà du simple pompage d'eau. Watt tentera de commercialiser son invention mais connut de nombreux revers financiers. C'était jusqu'à ce qu'il conclue un partenariat avec Matthew Boulton en 1775. Le couple formerait une nouvelle société, Boulton et Watt, qui finirait par connaître un grand succès. Watt finirait par devenir un homme très riche.

Pendant sa retraite, Watt continuerait à bricoler. Il a développé plusieurs nouvelles inventions, mais aucune d'entre elles n'était aussi importante que la machine à vapeur. Il mourra plus tard à l'âge de 83 ans.

Les premières années

James Watt est né le 19 janvier 1736 à Greenock, Renfrewshire, en Écosse. Son père était le trésorier et le magistrat de Greenock. Il a également dirigé une entreprise prospère de construction de navires et de maisons.

Sa mère, Agnes Muirhead, venait d'une famille distinguée et était bien éduquée. Ses deux parents étaient des presbytériens et de puissants Covenanters. Le grand-père de Watt, Thomas Watt, était en fait un professeur de mathématiques et un bailli du baron de Cartsburn. Fait intéressant, étant donné qu'il a été élevé par des parents religieux, il deviendrait plus tard un déiste.

L'enfance de James serait en proie à des maux de dents et des migraines. En raison de cette condition médicale, il n'a pas pu fréquenter l'école régulièrement. Pour cette raison, James a d'abord été enseigné à la maison par ses parents. Sa mère a appris à James à lire tandis que son père lui a appris l'arithmétique et l'écriture. Il fréquentera plus tard un lycée où il apprend le latin, le grec et les mathématiques.

James Watt montrerait un grand niveau de dextérité manuelle, des compétences en ingénierie et une aptitude pour les mathématiques. D'autres sujets comme le latin et le grec ne l'intéressaient pas beaucoup.

Les ateliers de son père étaient une partie importante de l'éducation de James. Ici, James a travaillé avec ses propres outils, un banc et même une forge. Il passait son temps dans les ateliers à fabriquer des modèles comme des grues et des orgues de Barbarie. Il s'est également rapidement familiarisé avec les instruments du navire.

Son passage dans les ateliers de son père l'a aidé à décider rapidement de ce qu'il voulait faire de sa vie, du moins au début. Pendant l'adolescence de James, son père perdrait son héritage en raison de catastrophes commerciales et de la mort de sa mère.

James choisit son destin

À 17 ans, James a décidé de devenir fabricant d'instruments mathématiques. James Watt a d'abord déménagé à Glasgow où l'un des parents de sa mère a donné des conférences à l'université. James rencontrerait également Robert Dick à Glasgow. Dick a encouragé Watt à maîtriser les compétences de la fabrication d'instruments en déménageant et en travaillant comme apprenti à Londres. James a agi sur ce conseil et en 1755 a déménagé à Londres après avoir trouvé un maître disposé à lui apprendre.

Ce maître volontaire était un John Morgan. C'était un fabricant d'instruments qui a accepté de le prendre mais avec peu de salaire. James finirait par travailler de longues heures en continu dans un atelier froid. Pour cette raison, sa santé a décliné.

Ses capacités ont surpassé les autres apprentis de John et il a pu terminer son mandat en un an, qui s’étendait normalement à sept ans. La santé de James s'est détériorée en un an, mais il en avait suffisamment appris pour «travailler aussi bien que la plupart des compagnons». Après cette période, James retourna à Glasgow une fois de plus.

Comme James n'avait pas terminé un apprentissage officiel de sept ans, la Glasgow Guild of Hammerman (l'organisation qui avait juridiction sur un artisan utilisant un marteau) a bloqué sa candidature bien qu'il n'y ait pas de fabricants d'instruments mathématiques en Écosse à l'époque.

La situation de Watt a été facilitée par l'arrivée de la Jamaïque d'instruments astronomiques qui ont été légués à l'Université de Glasgow. Ces instruments nécessitaient l'attention d'un expert. Watt a réussi à les remettre en état de fonctionnement et a été renuméroté en conséquence. Ces instruments ont finalement été installés dans l'observatoire de Macfarlane. En raison de son excellent travail sur les instruments, trois professeurs lui ont offert la possibilité de monter un petit atelier au sein de l'université.

Création de boutique

Cela a été lancé en 1757. Ici, il a fabriqué et vendu des instruments mathématiques comme des quadrants, des boussoles et des échelles. Il aiderait également aux manifestations. Pendant son séjour sur le campus universitaire, James a rencontré de nombreux scientifiques et s'est notamment lié d'amitié avec le chimiste et physicien britannique Joseph Black.

Joseph développera plus tard le concept de chaleur latente. James se lierait également d'amitié avec le célèbre Adam Smith.

Dans 1758 James a fait la connaissance de John Craig, un homme d'affaires et architecte local. Les deux ont formé un partenariat qui a permis à James d'ouvrir un autre magasin à Glasgow pour vendre des instruments de musique ainsi que des jouets. Ce partenariat a duré six ans et le couple a finalement employé jusqu'à seize travailleurs. Craig est malheureusement mort en 1765. Un de leurs employés, Alex Gardner, a finalement repris l'entreprise qui a duré jusqu'au 20e siècle.

Dans 1764 il épousa sa cousine Margaret Miller, qui, avant de mourir neuf ans plus tard en couches, lui donna six enfants.

Le moteur de James

Dans 1764 James s'est retrouvé à réparer un modèle de moteur à vapeur Newcomen. Watt a rapidement réalisé à quel point la conception était inefficace, elle gaspillait beaucoup de vapeur. James a décidé de lutter avec le design pour améliorer son efficacité. Dans 1765 il a finalement trouvé une solution.

Le moteur Newcomen était utilisé depuis près de 50 ans pour pomper l'eau des mines. Sa conception n'avait guère changé à cette époque.

L'idée de James était de doter le moteur d'un condenseur séparé. Ce devait être sa première et plus grande invention. Watt avait remarqué que le problème avec la machine à vapeur Newcomen était sa perte de chaleur latente. A cette époque, la compréhension de la machine à vapeur était dans un état très primitif. La science de la thermodynamique ne serait pas officialisée avant au moins 100 ans.

James a réussi à réparer le modèle mais cela a à peine fonctionné. Il a continué à l'expérimenter et a constaté qu'environ les trois quarts de l'énergie thermique du moteur étaient consommés pour chauffer le cylindre du moteur à chaque cycle. Cette énergie a été gaspillée parce que plus tard dans le cycle, de l'eau froide a été injectée dans le cylindre pour condenser la vapeur et réduire sa pression. Ainsi, en chauffant et en refroidissant le cylindre à plusieurs reprises, le moteur a gaspillé la majeure partie de son énergie thermique plutôt que de la convertir en énergie mécanique.

Cette perte de chaleur latente était un énorme défaut du moteur Newcomen selon James. La solution de Watt aurait la condensation effectuée dans une chambre distincte du cylindre principal mais reliée à celui-ci.

James a une idée

Dans 1765, Watt a été frappé par l'inspiration. Il s'est rendu compte que la vapeur devait se condenser dans un cylindre séparé du piston. James s'est également rendu compte que le moteur aurait besoin de maintenir la température du cylindre à la même température que la vapeur injectée en l'entourant d'une «chemise de vapeur».

Cela signifierait que très peu d'énergie était absorbée par le cylindre à chaque fois qu'il faisait un cycle. Cela entraînerait une augmentation considérable de la disponibilité d'énergie pour effectuer un travail utile.

James rencontrera plus tard le médecin, chimiste et inventeur britannique John Roebuck. John a été le fondateur des Carron Works et c'est lui qui a encouragé James à fabriquer son propre moteur. James Watt et John concluraient un partenariat ensemble après avoir fabriqué un petit moteur d'essai. Son prototype a été rendu possible grâce à des prêts de Joseph Black.

Roebuck vivait à Kinneil House, Bo'ness à l'époque et Watt travaillait à perfectionner le moteur dans un petit chalet adjacent à la maison. La coquille des chalets et une très grande partie de l'une de ses expériences existent encore aujourd'hui.

La progression du moteur a été bloquée en raison de la difficulté à usiner le piston et le cylindre de son moteur. Les ferronniers de l'époque s'apparentaient davantage aux forgerons qu'aux machinistes modernes. Ils étaient donc incapables de produire les composants avec une précision suffisante.

L'année suivante, Watt a sorti le célèbre brevet pour «Une nouvelle méthode inventée pour réduire la consommation de vapeur et de carburant dans les moteurs d'incendie.» Cela a été poursuivi au grand prix du capital.

James obtient un emploi

James Watt était à court d'argent. Cela l'a forcé à chercher un emploi. Dans 1766 Watt était devenu arpenteur-géomètre. Les huit années suivantes de sa vie ont été consacrées à tracer des routes pour les canaux en Écosse. Ce travail a durement mangé son temps et son travail sur sa nouvelle machine à vapeur a été sérieusement retardé.

Son partenaire Roebuck ferait malheureusement faillite 1772. Un fabricant et ingénieur anglais Matthew Boulton, qui était également le fabricant des Soho Works à Birmingham, a repris les parts de Roebuck dans le brevet de Watt. Après huit ans d'arpentage, James devenait blasé par la tâche. En partie grâce à son nouveau partenariat avec Boulton, James a déménagé à Birmingham en 1774.

Son partenariat avec Boulton permettrait à James d'avoir accès à certains des meilleurs ferronniers au monde. Cela a énormément aidé à produire des pièces avec suffisamment de précision pour son moteur.

Le moteur de James Watt a été un succès instantané

Le brevet de James Watt a été prolongé par le Parlement britannique en 1775. La même année, Boulton et Watt formeraient un partenariat plus officiel qui durerait plus de 25 ans. Le soutien financier que Boulton a fourni a permis la progression rapide du moteur de Watt. Si vite, en fait, qu'en 1776 deux moteurs ont été installés et entièrement fonctionnels.

Un moteur a été livré et installé pour pomper de l'eau à la mine Staffordshire. L'autre était utilisé pour souffler de l'air dans les fours des forges de John Wilkinson. Dans 1776 James se remarierait également avec sa nouvelle épouse Ann MacGregor. Elle lui a donné deux autres enfants.

Au cours des cinq prochaines années, jusqu'à 1781, James Watt passait de longues périodes à Cornwall. Ici, il a installé et supervisé de nombreux moteurs de pompage pour les lucratives mines de cuivre et d'étain de la région. Les moteurs de James étaient devenus très recherchés car les gestionnaires de la mine cherchaient des moyens de réduire les coûts, y compris les coûts de carburant.

Production en franchise

Les premiers moteurs de James Watt n'étaient pas fabriqués directement par Boulton et Watt. Au contraire, ils ont été autorisés à être fabriqués par d'autres selon des dessins et des plans réalisés par Watt. James serait souvent nécessaire pour servir d'ingénieur-conseil pour leur production. L'assemblage du moteur et le shakedown ont été initialement supervisés par Watt en personne. Plus tard par d'autres hommes dans l'emploi de leur entreprise.

Ces premières machines étaient assez grandes. L'un des premiers, par exemple, avait un cylindre d'un diamètre de 127 cm et une hauteur de 7 mètres. Ils devaient être assemblés dans un bâtiment dédié pour l'héberger. Boulton et Watt factureraient un paiement annuel pour les machines. Cela a été défini comme 1/3 de la valeur du charbon économisée par rapport à un moteur Newcomen existant effectuant le même travail.

Watt, malgré tout son sens des sciences et de l'ingénierie, n'était pas un homme d'affaires. Il a été obligé de subir de vives négociations pour obtenir des redevances adéquates sur ses moteurs. Malgré cela, par 1780 James se débrouillait plutôt bien financièrement. Son partenaire, Boulton, avait cependant du mal à mobiliser des capitaux. L'année suivante, Boulton a vu un nouveau marché s'ouvrir dans les industries du maïs, du malt et du coton.

Boulton repère de nouvelles opportunités

James Watt a été exhorté par Boulton à inventer une forme de mouvement rotatif pour ses moteurs à vapeur. L'idée était de remplacer l'action réciproque de l'original. Dans 1781 il a fait exactement cela. Son soi-disant engrenage soleil et planète assurait le mouvement au moyen duquel un arbre produisait deux tours pour chaque cycle du moteur.

Dans 1782 James était sur une lancée. Il a inventé et breveté le moteur à double effet. Ce moteur avait un piston qui poussait aussi bien que tirait. Le moteur nécessitait une nouvelle méthode de connexion rigide du piston à la poutre.

Sa solution a été développée en 1784 quand il a inventé le mouvement parallèle. Il s'agit d'un agencement de bielles qui guidaient la tige de piston dans un mouvement perpendiculaire - qu'il a décrit comme «l'un des mécanismes les plus ingénieux et les plus simples que j'ai inventés». Boulton suggérera plus tard la nécessité d'un régulateur centrifuge pour le contrôle automatique de la vitesse du moteur. Watt accepterait ses suggestions et les appliquerait avec succès 1788. Par 1790 il a également inventé et ajouté un manomètre. Cela a pratiquement complété ce que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de Watt Engine.

Des années plus tard

Les commandes de son moteur ont rapidement afflué des moulins à papier, des moulins à farine, des moulins à coton, des moulins à fer, des distilleries, des canaux et des usines d'eau. Tellement, en fait, que par 1790 Watt était devenu un homme riche. Il avait, à ce jour, reçu autour £76,000 en redevances de ses brevets sur les précédents 11 ans. Ses dernières années ne furent cependant pas entièrement consommées par ses moteurs à vapeur.

James Watt était membre de la Lunar Society de Birmingham. C'était un groupe d'écrivains et de scientifiques qui souhaitaient faire progresser les sciences et les arts. Watt passait également son temps à expérimenter la résistance des matériaux. James était également souvent impliqué dans des procédures judiciaires pour protéger ses brevets.

Dans 1785 Watt et Boulton ont été élus membres de la Royal Society of London. Il commencerait également à passer du temps en vacances. Il a même acheté un domaine à Doldowlod, Radnorshire. Par 1795 Watt a commencé à se retirer lentement des affaires. Par 1880 James approchait rapidement de l'âge de la retraite. 1880 C'était aussi l'année où ses brevets et son partenariat commenceraient à expirer.

Watt a créé une nouvelle entreprise en 1794, Boulton et Watt. Cette entreprise a construit la fonderie Soho pour fabriquer des moteurs à vapeur de manière plus compétitive. C'est également à cette époque que le fils de Watt de son premier mariage, James, a commencé à lui poser des problèmes.

Problèmes de famille

James Watt Junior était un jeune sympathisant de la Révolution française. Il avait été ouvertement critiqué au Parlement pour avoir présenté 1792, une allocution de la Manchester Constitutional Society à la Société des Amis de la Constitution (le Jacobin Club) à Paris.

La longue retraite de Watt a ensuite été également attristée par la mort soudaine d'un autre fils par son deuxième mariage, Gregory. Il survivrait également à plusieurs de ses vieux et plus proches amis. Malgré cela, James s'est rendu en Écosse, en France et en Allemagne lorsque le traité d'Amiens a été signé en 1802.

James Watt continuerait son travail dans la mansarde de sa maison. Ici, il l'avait construit et équipé comme un petit atelier. James a continué à bricoler et à inventer et a en fait développé une machine à sculpter avec laquelle il a reproduit des bustes et des figures originaux pour des amis.

James a également travaillé comme consultant auprès de la Glasgow Water Company. Les réalisations de Watt ont été amplement reconnues de son vivant. Il a été nommé docteur en droit de l'Université de Glasgow en 1806 et un associé étranger de l'Académie française des sciences en 1814 et s'est vu offrir un statut de baronnet, qu'il a refusé.

Mort et héritage

James Watt est mort le 25 août 1819. Il avait 83 ans.

La machine à vapeur de James Watt était un développement vraiment révolutionnaire et, sans doute, la clé de la révolution industrielle. Sa machine est devenue incroyablement populaire et a été installée dans de nombreuses entreprises à travers le Royaume-Uni. Telle était sa contribution à la science et à la technologie qu'une unité de pouvoir a été nommée en son honneur, le Watt.

Le Watt, au cas où vous ne le sauriez pas, est une unité SI égale à un Joule de travail effectué par seconde. Cela équivaut à environ 1/746 d'une puissance (pour la puissance mécanique et électrique). Certains scientifiques affirment également que l'invention de son mouvement parallèle (ou moteur à double effet) 1784 devrait marquer le début de l’époque controversée de l’Anthropocène. Il s'agit d'un intervalle de temps géologique non encore officiel.

Dans Mai 2009, la Banque d'Angleterre a annoncé que Boulton et Watt apparaîtront sur le nouveau £50 Remarque. Cette conception est la première à comporter un double portrait sur n'importe quelle note de la Banque d'Angleterre. Cette image représentait les deux hommes, côte à côte, juxtaposés à des images de la machine à vapeur de Watt et des œuvres de Soho de Boulton. Des citations attribuées à chacun des hommes sont inscrites sur la note: «Je vends ici, monsieur, ce que tout le monde désire avoir: la PUISSANCE» (Boulton) et «Je ne peux penser à rien d'autre qu'à cette machine» (Watt).

Dans 2011, James Watt était également l'un des sept premiers intronisés au Scottish Engineering Hall of Fame.


Voir la vidéo: Fonctionnement animé de la machine de James Watt 1769 (Mai 2021).