Pompe à piston

Une pompe à piston déplace l'eau avec un bouchon qui coulisse dans un cylindre, entre deux clapets qui ne la laissent passer que dans un sens. On attribue la pompe foulante à Ctésibios d'Alexandrie, au IIIe siècle av. J.-C. ; la pompe aspirante, qui tire l'eau d'en dessous, s'est répandue en Europe à la fin du Moyen Âge, puis sur les puits des villages du monde entier.

Ce que c’est

Une pompe à piston déplace l’eau avec un bouchon qui monte et descend dans un tube, entre deux clapets qui ne s’ouvrent que dans un sens. Depuis plus de deux mille ans, elles assèchent les mines, alimentent les fontaines, combattent le feu et tirent l’eau des puits.

La pompe aspirante, dite aussi élévatoire, se tient au-dessus de l’eau et la fait monter dans un tuyau. La pompe foulante est placée dans l’eau, ou plus bas que sa sortie, et refoule l’eau sous pression. La planche montre une pompe aspirante du XIXe siècle sur un puits de village fermé.

Comment ça marche

À la montée, l’eau qui pèse dessus tient le clapet fermé ; à la descente, il se soulève et l’eau traverse le piston.

Au fond du cylindre se trouve le clapet de pied, un rabat de cuir ou de caoutchouc qui se soulève pour laisser entrer l’eau puis retombe sur son siège. Le piston porte un second clapet au-dessus de trous qui le traversent, et un cuir embouti sur son pourtour. Ouvert vers le haut, ce cuir est plaqué contre la paroi par l’eau.

Quand le balancier tire le piston, son clapet reste fermé et l’eau posée dessus monte jusqu’au bec. Sous le piston, la pression baisse, et l’air qui pèse sur la surface du puits pousse l’eau dans le tuyau d’aspiration, à travers le clapet de pied. À la descente, le clapet de pied se ferme, celui du piston s’ouvre, et le piston traverse l’eau.

Côté aspiration, c’est l’atmosphère qui travaille, et sa poussée a une limite. Au niveau de la mer, le poids de l’air équilibre une colonne d’eau d’environ 10,3 mètres, ou 76 centimètres de mercure. Fuites, frottements et eau qui bout sous faible pression limitent une pompe à main à environ 7 mètres, moins en montagne.

Une pompe foulante chasse l’eau par un clapet de refoulement, aussi haut que le permettent l’effort fourni et la solidité des tuyaux. Les pompes de puits profond placent le cylindre sous l’eau et actionnent le piston par une longue tige : l’aspiration ne fixe plus la limite. Deux cylindres alternés, ou un piston à double effet qui refoule dans les deux sens, régularisent le débit, et une cloche à air, où l’air enfermé se comprime puis se détend, change les à-coups en jet continu.

Comment la construire

Une petite pompe aspirante pour un puits peu profond ou une cuve de pluie se fait en tube plastique. L’eau doit se trouver à moins de 6 mètres environ sous le cylindre, idéalement à 3 ou 4.

Le cylindre. Montez droit 60 à 80 cm de tube PVC lisse d’environ 50 mm de diamètre, avec un té près du haut comme bec. Un tuyau plus fin part de sa base et plonge dans l’eau. Tous les raccords sous le piston doivent être étanches à l’air.

Le clapet de pied. Fermez le bas du cylindre par un bouchon percé d’un trou d’environ 2 cm. Posez dessus un disque de cuir ou de chambre à air, vissé sur un bord qui sert de charnière et lesté d’une rondelle.

Le piston. Taillez un bouchon de bois dur ou de plastique un peu plus petit que l’alésage, percez-le et couvrez les trous d’un clapet semblable. Serrez dessous une coupelle de cuir épais ou de caoutchouc, bord relevé vers le haut et centre évidé pour laisser les trous libres. Faites tremper un cuir avant de le monter. Une tige relie le piston à un levier d’environ un mètre, articulé sur un poteau.

Amorcer et entretenir. Versez un verre d’eau propre dans le cylindre pour mouiller le cuir et rendre les clapets étanches, puis pompez. Si la pompe se vide pendant la nuit, vérifiez d’abord le clapet de pied.

Sécurité. Ne laissez jamais un puits ouvert : fermez-le par une dalle ou un couvercle qui porte un adulte, et tenez les enfants à l’écart. Ne descendez jamais dans un puits, où l’air peut manquer d’oxygène. Gardez les doigts loin de l’articulation. Rendez étanche le passage du tuyau, faites pencher le sol vers l’extérieur et tenez latrines et animaux à distance. N’amorcez qu’avec de l’eau potable, car elle finit dans le puits. Le cuir, la chambre à air et le plastique ordinaire ne sont pas faits pour l’eau de boisson : réservez cette pompe à l’arrosage ou au lavage, ou construisez-la entièrement avec des pièces certifiées pour l’eau potable. Ne buvez pas l’eau d’un puits avant qu’une analyse l’ait déclarée saine ; l’ébullition tue les germes mais n’élimine pas les produits chimiques.

Histoire et évolutions

La pompe de Ctésibios telle que la décrit Vitruve : deux cylindres de bronze qui travaillent tour à tour et alimentent un seul tuyau montant.

On attribue la pompe foulante à Ctésibios, ingénieur à Alexandrie vers 270 av. J.-C. Vitruve en décrit les cylindres de bronze et les clapets vers 25 av. J.-C. Un inventaire dressé en 2007 par Richard Stein compte treize pompes romaines en métal, surtout en bronze, et dix-huit en bois de chêne, trouvées pour la plupart dans des puits ; celle de Silchester est au musée de Reading.

Vers 1206, al-Jazari décrit une pompe mue par une roue hydraulique, à deux pistons opposés et à véritables tuyaux d’aspiration. Les pompes aspirantes gagnent les mines européennes à la fin du Moyen Âge. En 1556, Georgius Agricola décrit des séries de trois pompes étagées, chacune avec environ sept mètres de tuyau, qui remontent l’eau de bac en bac.

En 1638, Galilée rapporte qu’aucune pompe aspirante ne peut élever l’eau à plus de dix-huit brasses florentines, environ 10,5 mètres, et pense que la colonne se rompt sous son propre poids. Son élève Torricelli trouve la cause en 1644 (certains récits disent 1643) : dans un tube de verre, le mercure se tient à environ 76 cm, soutenu par le poids de l’air. En 1648, à la demande de Pascal, son beau-frère monte le tube au sommet du puy de Dôme, où le mercure se tient environ 8,5 cm plus bas.

Une pompe à incendie du type de Newsham : deux corps de pompe mus par de longs bras, et une cloche à air qui régularise le jet.

À Londres, Richard Newsham fait breveter en 1721 une pompe à incendie dont les deux corps alimentent une cloche à air, d’où un jet continu. Pour les mines, Thomas Newcomen avait construit dès 1712, près de Dudley, sa première machine à vapeur, qui actionnait leurs pompes. En Inde, un bilan de l’UNICEF établit en 1974 que les trois quarts des puits forés au cours des sept années précédentes ne donnent pas d’eau. L’UNICEF, le gouvernement et la firme Richardson and Cruddas mettent alors au point l’India Mark II, dont le cylindre descend dans le forage et qui puise jusqu’à 50 mètres. On en compte des millions, exportées dans plus de 40 pays.