Locomotive à vapeur

Une locomotive à vapeur est une machine à vapeur montée sur roues, qui emporte son combustible et son eau et tire des trains sur des rails. Richard Trevithick fit rouler la première au pays de Galles en 1804, et la Rocket de Robert Stephenson, en 1829, fixa le modèle suivi par la plupart des locomotives ultérieures : une chaudière traversée de tubes de fumée, un échappement sous la cheminée et des cylindres attaquant directement les roues.

Ce que c’est

Une locomotive à vapeur est une machine à vapeur posée sur un châssis à roues, faite pour tirer des trains sur une voie ferrée. Elle emporte du charbon ou du coke et de l’eau, brûle le combustible dans un foyer et transforme la pression de la vapeur en rotation de ses roues motrices par des pistons et des bielles. Ses roues de fer roulent sur des rails de fer ou d’acier, beaucoup plus facilement que des roues sur une route, si bien qu’une seule machine tire de nombreux wagons chargés.

La planche montre la Rocket, construite en 1829 par Robert Stephenson and Company à Newcastle upon Tyne. Elle réunissait dans une même machine une chaudière traversée de nombreux tubes de fumée et un échappement dans la cheminée, deux dispositifs que les locomotives à vapeur ont gardés ensuite.

Comment ça marche

Le feu brûle sur une grille, dans le foyer placé à l’arrière. Ses gaz chauds traversent vers l’avant le corps de chaudière par 25 tubes de cuivre d’environ 76 mm de diamètre, baignés dans l’eau. Beaucoup de petits tubes offrent à l’eau bien plus de métal chaud qu’un seul gros carneau : sur la Rocket, les tubes fournissaient plusieurs fois la surface de chauffe des parois du foyer (les chiffres varient selon les sources). La vapeur s’accumule au-dessus de l’eau à environ 3,4 bar au-dessus de la pression atmosphérique.

L’échappement souffle la vapeur usée dans la cheminée et active le feu à chaque coup de piston.

De la chaudière, la vapeur gagne les deux cylindres, un de chaque côté. Un tiroir l’admet d’abord derrière le piston, puis devant, si bien que le piston est poussé dans les deux sens. Chaque tige de piston entraîne une bielle, qui fait tourner un maneton fixé dans la grande roue avant du même côté. Le poids qui repose sur cette paire de roues, environ 2,6 tonnes sur la Rocket, et l’adhérence entre roues et rails limitent l’effort de traction possible avant que les roues patinent.

La vapeur usée quitte les cylindres par un tuyau qui se termine en tuyère sous la cheminée ; chaque bouffée entraîne la fumée et aspire de l’air frais à travers le feu. Plus la machine travaille, plus le tirage est fort, ce qui aide la chaudière à suivre la consommation des cylindres ; le chauffeur doit malgré tout alimenter le feu et maintenir le niveau d’eau.

Comment la construire

Le boudin du bord intérieur de chaque roue maintient l’essieu entre les rails.

Les vraies locomotives se construisent dans des ateliers ferroviaires. Les chaudronniers cintrent des tôles de fer ou d’acier, les rivent pour former le corps cylindrique et le foyer, puis fixent les tubes dans les plaques tubulaires à chaque bout. Avant toute mise sous feu, la chaudière est éprouvée à l’eau à une pression supérieure à sa pression de service, fixée par la réglementation applicable, et contrôlée par un inspecteur indépendant. Les fondeurs coulent les cylindres, les mécaniciens les alèsent et y montent pistons et tiroirs, et les roues reçoivent des bandages de fer posés à chaud. Les chemins de fer touristiques qui restaurent aujourd’hui des locomotives sont soumis à des épreuves et à des contrôles du même ordre.

Une maquette sans vapeur montre comment les roues sont entraînées.

Découper la roue. Sciez dans du contreplaqué un disque d’environ 20 cm de diamètre. Collez solidement en son centre un tourillon qui servira d’axe, et percez un second trou à 5 cm du centre pour le maneton, un court tourillon collé. Vissez sur une planche deux tasseaux verticaux percés pour recevoir l’axe avec du jeu, de façon que la roue tourne librement entre eux.

Faire le cylindre. Collez un tube de carton ou de plastique d’environ 15 cm sur une cale de bois vissée sur la planche à côté de la roue, de façon que le tube soit dans le plan de la roue, son axe à la hauteur de l’axe de la roue et pointé vers son centre. Un tourillon qui coulisse librement à l’intérieur sert de tige de piston.

Relier le tout. Taillez une baguette de bois mince d’environ 25 cm pour la bielle. Percez un bout au diamètre du maneton et articulez l’autre au bout de la tige de piston avec un petit clou. Vérifiez que la roue peut faire un tour complet sans que la bielle touche le tube.

Faire tourner. Poussez et tirez la tige : la roue fait un tour pour 10 cm aller et 10 cm retour. Repérez les deux points morts, où le maneton, l’axe et le bout de la tige de piston sont alignés et où pousser ne sert à rien. Sur les vraies locomotives à deux cylindres, les manivelles des deux côtés sont décalées d’un quart de tour, si bien que l’une est toujours hors de son point mort.

Sécurité. Ne chauffez jamais d’eau dans un récipient fermé et n’essayez pas de fabriquer une chaudière : la vapeur sous pression peut faire éclater un récipient et brûle gravement. Les modèles à vapeur vive ne se font fonctionner qu’à partir de kits du commerce, avec des chaudières éprouvées et des soupapes de sûreté en état, sous la surveillance d’un adulte. Gardez les doigts loin de la manivelle quand la roue tourne.

Histoire et évolution

Sur la voie de Penydarren, de courtes plaques de fonte clouées sur des dés de pierre guidaient des roues sans boudin ; elles se fendirent sous le poids de la locomotive.

Richard Trevithick, ingénieur de Cornouailles, construisit pour les forges de Penydarren, à Merthyr Tydfil, la première locomotive à rouler sur des rails. Le 21 février 1804, elle tira dix tonnes britanniques de fer, soit environ 10 tonnes, dans cinq wagons, avec soixante-dix hommes juchés dessus, le long de la voie de roulage menant au canal d’Abercynon, soit environ 14 km, à près de 8 km/h selon son propre récit. Au retour, un boulon cassa et la chaudière fuit ; la machine ne rentra que le lendemain. Trop lourde pour les plaques de fonte de la voie, qu’elle brisait, elle finit sa carrière en machine fixe actionnant un marteau de forge.

En octobre 1829, le chemin de fer de Liverpool à Manchester organisa à Rainhill un concours pour choisir ses locomotives. Cinq machines y prirent part et la Rocket fut la seule à terminer les épreuves. Ses parcours d’essai donnèrent des moyennes de 19 à 23 km/h selon la façon de les calculer ; sans charge, elle atteignit environ 48 km/h. Elle remporta le prix de 500 livres ainsi que la commande des machines de la ligne. À l’inauguration de la ligne en 1830, la Rocket renversa le député William Huskisson, qui mourut de ses blessures. Profondément remaniée en moins de dix-huit mois, elle fut mise de côté avant dix ans. Ses restes entrèrent en 1862 au musée du Bureau des brevets, à Londres, et appartiennent aujourd’hui aux collections du Science Museum Group.

Les locomotives suivantes devinrent bien plus grandes, avec davantage de roues accouplées pour porter le poids et tirer des trains lourds, et des pressions plus élevées. Le 3 juillet 1938, la Mallard du London and North Eastern Railway atteignit 203 km/h dans une descente au sud de Grantham, ce qui reste le record de la traction à vapeur. Elle fut retirée du service en 1963, quand le diesel et l’électricité eurent pris le relais.