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Les premières locomotives à vapeur
d'après L'Illustration - Histoire de la locomotion terrestre - 1935

La première locomotive de Richard Trevithick

La première locomotive de Trevithick

Né le 13 avril 1771, près de Camborne, Trevithick montre très tôt un goût pour la mécanique et un esprit original. Plus intuitif qu'instruit, inventant constamment, il voyait d'avance ses idées réalisées. Mais de son vivant et malgré les profits énormes qu'il procura à l'industrie minière de son pays, il ne sut rien amasser pour lui, et vivait dans le futur, mais "sans un penny" dans le présent.
Richard Trevithick
Richard Trevithick par John Linnell, 1816

Tout jeune "capitaine de mine", il avait l'espoir de combattre le monopole de Boulton et Watt. C'est ainsi qu'il reprit ou retrouva l'idée d'Oliver Evans, pionnier américain de la machine à haute pression.

A partir de 1797, il essaye divers modèles de voitures à vapeur. En 1802, il prend avec son cousin Andrew Vivian le brevet pour la haute pression et réalise 2 voitures routières. De 1803 à 1808, il expérimente les 3 premières locomotives. Il s'occupera ensuite de machines semi fixes, bateaux et dragues à vapeur, coques et citernes de navires en fer, hélices propulsives, pompes, machines soufflantes, et enfin du tunnel sous la Tamise. De 1816 à 1827, il vit des aventures au Pérou, au Chili, en Colombie et au Nicaragua, où il exerce son activité d'ingénieur. Il revient totalement ruiné et s'éteint dans la pauvreté à Dartford (Kent) le 22 avril 1833.

Google célèbre les 240 ans de Trevithick, le 13 avril 2011
Le 13 avril 2011, Google célèbre à sa façon le 240ème anniversaire de Trevithick
en transformant sa page d'accueil avec un doodle en son honneur.

Deuxième locomotive de Trevithick

 

La locomotive de Trevithick n'eut pas d'application réelle, elle est quand même la première locomotive à avoir circulé sur des rails.

 

La locomotive de Blenkinsop

première gravure d'une locomotive
Première gravure d'une locomotive tirant un train - publiée le 1er août 1813
LA LOCOMOTIVE DE BLENKINSOP ET UN MINEUR DE LEEDS

La gravure ci-dessus représente la première gravure connue d'une locomotive en service. C'est un hommage à John Blenkinsop qui l'a commandée, et à Matthew Murray qui l'a construite. Blenkinsop était directeur de lamine de M. Brandling à Middletown. Il voulut appliquer au remorquage des wagons, entre cette mine et Leeds (3,5 milles = 5,6 Km), des locomotives dont il avait inventé la propulsion par roue dentée engrenant une crémaillère extérieure parallèle aux rails. Il avait fait breveter ce dispositif en 1811.

Il fit exécuter à Leeds, chez Fenton, Murray & Wood, 4 de ces machines que Murray avait dessinées. Elles ressemblaient à la "Catch Me Who Can" de Trevithick, mais Murray avait appliqué une de ses idées : Deux cylindres verticaux agissaient par deux manivelles à 90° (pour éviter les points morts) sur deux pignons engrenant l'essieu de la roue dentée. Trevithick ne s'intéressa pas à ces machines, mais reçut 30£ pour droits de licence. Le premier essai eut lieu le 24 juin 1812. Le journal "Leeds Mercury" raconte :

"A quatre heures, la machine s'est élancée du Coal Staith au sommet de Hunslet Moor, ou six et ensuite huit wagons de charbon pesant chacun 3,5 t ont été accrochés à l'arrière. Avec cet immense poids, auquel, à l'approche de la ville, s'est ajouté celui de 50 spectateurs montés sur les wagons, elle a réussi à revenir à Coal Staith et a accompli le voyage, environ 1,5 mille (2,4 Km), principalement de niveau, en 23 minutes sans le moindre accident.

Avec une puissance de 4 chevaux et un poids de 5 t, ces locomotives ont pu tirer 27 wagons de charbon, soit 94 tonnes, à la vitesse de 5,6 Km/h.

Locomotive à crémaillère construite par Matthew Murray sur les dessins de Blenkinsop - Encyclopedia Londinensis - 1816

Avec une charge légère, elles atteignent 16 Km/. Leur coût était de 400£. Elles sont restées en service plus de 20 ans, ce qui prouve qu'elles étaient bien conçues et exécutées. C'est la première application industrielle et continue de la traction par locomotive. Ce fut aussi le premier chemin de fer à crémaillère. Deux locomotives semblables furent construites pour les mines de Coxlodge en 1813, et d'autres utilisées aux mines d'Orell ont été fabriquées par John Daglish.

Les prédécesseurs de Stephenson

En 1812, William et Edouard Chapman, de Newcastle, ont pris un brevet pour une locomotive à toueur, se halant au moyen d'un tambour sur une chaîne fixe. Ce brevet décrit aussi pour la première fois le bogie à 4 roues avec pivot central. le double bogie y était également décrit. Des locomotives à chaînes furent essayées en 1813 aux mines de Heaton, et en 1814 sur la voie de la mine de J.G. Lambton, mais le système se révéla défectueux.

Locomotive à 8 roues de W. Hedley - 1815

Christopher Blackett, propriétaire de la mine de Wylam avait essayé la seconde locomotive de Trevithick et constaté la possibilité d'adhérence directe des roues lisses sur les rails. Ayant changé la voie en bois, trop faible, contre des rails en fonte, il décide en 1812, devant le succès de Blenkinsop, de reprendre la traction vapeur. Ne voulant pas ajouter la dépense de la crémaillère, il charge William Hedley de procéder à des essais d'adhérence.

Pour déterminer la relation existant entre le poids d'une machine et la plus grande charge qu'elle puisse mettre en mouvement depuis l'état de repos, Hedley crée un wagon dont les roues sont actionnées par des hommes. Le résultat étant concluant, Hedley fit monter sur cette voiture une chaudière en fonte, un cylindre et un volant. Cette locomotive rudimentaire fonctionnait. Aussitôt, Blackett fit construire 3 locomotives par Hedley à Wylam, à partir de 1813. Deux de ces locomotives existent toujours. (Puffing Billy au Science Museum, l'autre au musée d'Edimbourg). Elles ont fonctionné jusqu'en 1864.

Puffing - Billy - Cette image est dans le domaine public car son copyright a expiré.
Puffing-Billy en 1862 - Wikipedia

La chaudière ressemble à celle de Trvithick, les cylindres sont verticaux à l'arrière, sur un axe central relié aux 4 roues par des engrenages. La machine pesait 8,3t et pouvait tirer 50t à 8Km/h. En 1815, ces machines d'abord à quatre roues, furent munies de 8 roues accouplées par engrenages, pour répartir le poids qui écrasait la voie. Plus tard, des rails plus solides ont été posés et les locomotives ramenées à 4 roues. Ces machines à haute pression produisaient beaucoup de fumée et un fort bruit d'échappement qui leur valut le surnom de "puffers" mais leur attira aussi de nombreuses plaintes car elles effrayaient les chevaux. Hedley eut l'idée de faire passer la vapeur d'échappement dans un réservoir avant de la laisser repartir par la cheminée.

A partir de 1814 et jusqu'en 1825, toutes les locomotives furent construites par George Stephenson.

George Stephenson

George Stephenson -1781-1848 Gravure de T.S. Atkinson d'après la peinture de John Lucas - The Science Museum
Né à Wylam (voir ci dessus Blackett et Hedley à Wylam) le 9 juin 1781, fils d'un ouvrier mineur, il eut très tôt un esprit ouvert et le goût de la mécanique. Très jeune, il fut chargé de surveiller les machines de Newcomen et acquit de précieuse connaissances sur la vapeur. Devenu chef mécanicien des houillères de Killingworth, en 1810, il proposa en 1813 une "machine voyageuse". Thomas Liddell (Lord Ravensworth), principal actionnaire, approuva la construction.
Richard Stephenson
Locomotive de George Stephenson à Killingworth - Dessin attribué à G. Stephenson

La première locomotive de Stephenson, "Blücher", était imitée de celle de Blenkinsop, mais les engrenages transmettaient la puissance aux roues mêmes. Elle fut essayée avec succès le 25 juillet 1814 et tira son premier train de charbon le 27 juillet 1814. Elle pouvait tirer un train de 30 tonnes de charbon à plus de 6 km/h sur une rampe à 0,3%.

La machine suivante, appelée "machine de Killingworth" fonctionna "remarquablement bien" le 6 mars 1815. Les cylindres se trouvaient au dessus des roues qu'ils actionnaient par des bielles en retour. Stephenson avait été aidé dans la conception par Ralph Dodds. Les deux axes étaient accouplés par une bielle qui fut remplacée par une chaîne.

En 1816, Stephenson et Losh prennent un brevet pour une locomotive montée sur ressorts à vapeur. La chaudière reposait sur 6 cylindres emplis de vapeur dont les pistons étaient fixés aux paliers de roues. On protégeait ainsi la machine des secousses, tout en assurant un appui égal des roues sur les rails. Les 6 roues étaient reliées par 2 chaînes passant sur des roues dentées. Une de ces machines fut exploitée à Killingworth, l'autre à Kilmarnock (la première locomotive à rouler en Ecosse). A partir de 1822, Stephenson fournit 8 locomotives, de type Killingworth à 4 roues pour les mines de Hetton, Heaton ...

Locomotive de George Stephenson et W. Losh montée sur 6 cylindres à vapeur - 1815

Les locomotives de Stephenson aux mines de Hetton - 1822

La première usine de locomotives - 1823

C'est en 1823 que la première usine de locomotives est créée à Newcastle, par George et Robert Stephenson, Edward Pease et Michel Longridge.Les premières commandes reçues en 1824 furent celles de 2 locomotives pour Hetton, et deux du même type pour le Stockton & Darlington Railway. Robert Stephenson était parti pour l'Amérique du Sud et n'en revint qu'en 1827. C'est alors que son père lui confia le soin de continuer son œuvre.

La technique de George Stephenson avait peu évolué depuis 1814. La disposition des cylindres demandait de longues bielles en retour. Leur disposition verticale provoquait de violents efforts .

Inauguration du chemin de fer de Stockton à Darlington, premier transport de voyageurs par la vapeur, le 27 septembre 1825

La chaudière était traversée par un seul tube à feu, qui cédait si peu de chaleur à l'eau, que très souvent la base de la cheminée rougissait. La production de vapeur faible, lente et coûteuse ne permettait que des vitesses très modérées, suffisantes pour les mines, mais pas pour un transport réel. Robert Stephenson décida de simplifier la machine et d'augmenter sa vitesse. Il réalisa la Lancashire Witch, placée en juillet 1828 sur le chemin de fer récemment ouvert entre Bolton et Leigh.

Locomotive Lancashire Witch de Robert Stephenson - 1828

Le Concours de Rainhill

Ce fut l'évènemant décisif qui amena à la création de la locomotive avec tous les principes qu'elle a conservés.

Les directeurs de Liverpool & Manchester étaient hésitants. Diverses commissions n'avaient pu se prononcer entre machines fixes et locomotives, celles-ci leur semblaient néanmoins susceptibles de plus de progrès que les machines fixes. Le 25 avril 1829, ils publiaient le règlement d'un concours dont le prix était doté de 500£ pour "la locomotive la plus perfectionnée" : Voie de 4 pieds et 8 pouces et demi (1,424m), machines 6 roues avec ressorts d'un poids maximum de 6t. Celles de moins de 4,5t pouvaient n'avoir que quatre roues. Pour les machines à 6 roues, elles devront sur bonne voie de niveau, tirer un train de 20t à 16Km/h.

Le concours de Rainhill - gravure d'époque

La compétition eut lieu du 6 au 14 octobre 1829, sur la ligne de Rainhill. Les machines devaient parcourir 1 mille 3/4 (2,8 Km).

Malgré l'énorme retentissement de cette épreuve décisive, il n'existe aucune gravure contemporaine, mais les descriptions abondent. Le Liverpool Courrier du 7 octobre 1829 dit : "Les spectateurs bordaient les deux côtés du chemin de fer, sur la distance d'un mille 1/2. IL est difficile d'estimer le nombre des personnes... mais elles ne pouvaient guère, suivant une estimation modérée, être moins de dix-mille. Quelques gentlemen même les ont estimées à quinze mille. Jamais probablement, en aucune autre occasion, autant d'hommes de science et d'ingénieurs se sont réunis en un seul point comme ils le furent hier sur le chemin de fer. L'intéressante et importante nature des expériences à faire les avait amenés de tous les coins du royaume pour assister à une démonstration dont les résultats pourront changer le système entier de nos communications intérieures... ".

5 machines furent présentées au concours : LA NOVELTY

(Working replica of Novelty at the Museum of Science and Industry, Manchester. Standing on the locomotive are Mr & Mrs Braithwaite, Mr Braithwaite is a descendant of the locomotive builder. 17th September 2005 Photographer - A.M.Hurrell)
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Réplique fonctionnelle de la Novelty au Musée des Sciences et de l'Industrie de Manchester. Debouts sur la locomotive, M. & Mme. Braithwaite. Mr Braithwaite est un descendant is a descendant du constructeur de la machine.
17 Sept 2005 - Photo - A.M.Hurrell

La Novelty d'Ericsson et Braithwaite, construite en 7 semaines était montée sur 4 roues à suspension, dont une paire était actionnée par des cylindres verticaux. La chaudière mesurait 3,04m de long sur 33cm de diamètre et était parcourue 3 fois par un tube à feu recourbé. Le foyer clos était alimenté en air par 2 soufflets. La locomotive avec son eau et son coke pesait 3,9t. Elle fit ses premiers essais le 6 octobre. Cette machine fit aux assistants une impression bien plus favorable que les autres, et même après la victoire de la Rocket, elle semble avoir été regrettée par les techniciens.
Un spectateur traduit ainsi ses impressions : "La machine de MM. Braithwaite et Ericsson, de Londres, fut universellement reconnue montrer, en apparence et en forme, le "beau idéal" d'une machine locomotive... La vitesse à laquelle elle se déplaçait a ému, surpris et étonné tout spectateur. Elle semblait vraiment voler, présentant un des plus sublimes spectacles du génie et du courage humains que le monde ait jamais offerts."
Sa vitesse fut de 45 KM/h, mais le lendemain un de ses soufflets éclata. Après discussions, la Novelty reprit la course le 10 octobre mais subit de nouveaux incidents. Elle réussit toutefois à remorquer à 48Km/h une voiture chargée de 45 personnes qui, à cette allure, "pouvaient à peine distinguer les objets en passant". La Novelty abandonna le concours le 14 octobre.

Replica of Novelty (electrically powered) on display in the Museum of Science and Industry, Manchester. The wheels are said to from the original. 17th September 2005 Photographer - A.M.Hurrell
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Details of the Cylinder on the working replica of Novelty. 17th September 2005 Photographer - A.M.Hurrell
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Réplique de la Novelty (fonctionnant à l'électricité) présentée au Musée des Sciences et de l'Industrie de Manchester. Les roues seraient les roues d'origine de la Novelty. 17 Sept 2005 - Photographe - A.M.Hurrell
Details du cylindre de la réplique fonctionnelle de la Novelty. 17 Sept 2005 - Photographe - A.M.Hurrell

LA CYCLOPEDE

La Cyclopede était une locomotive entrainée par un cheval galopant sur un tapis mobile, relié aux roues par un engrenage. Elle a été construite par Thomas Shaw Brandreth de Liverpool, qui participa sans succès au concours de Rainhill.

Brandreth était l'un des directeurs de la comagnie de chemin de fer, et certains pensaient que cela conférait un avantage à la Cyclopede. Cependant, la Cyclopede roulait beaucoup moins vite que ses concurrents, et fut éliminée quand le cheval passa à travers le tapis et le pancher de la locomotive.

 

La Cyclopede

LA SANS PAREIL

La Sans Pareil de Timothy Hackworth était aussi une locomotive à 4 roues et 2 cylindres verticaux. Un tube en retour reliait le foyer et la cheminée, situés côte à côte. En fait le tube était formé de 2 tubes reliés par un U.

Son poids dépassait la limite (4,8t) mais elle fut autorisée à courir.

Elle fit ses essais le 6 et le 13 octobre, mais fut arrêtée par diverses avaries. De plus, sa consommation de coke était très élevée, le souffle de la machine était la "marque de fabrique" de Hackworth. Mais il était tel que la plus grande partie du coke était expulsé, non brûlé, par la cheminée... C'est ce défaut plus que son côté désuet qui la disqualifia.

La Sans Pareil avait deux cylindres, montés verticalement du côté opposé à la cheminée qui entrainaient une paire de roues motrices directement. L'autre paire de roues était reliée par des bielles aux roues motrices, dans le style des locomotives de l'époque.

Elle a été retirée du concours à cause d'un cylindre fêlé (ironiquement, le cylindre avait été coulé par ... la compagnie de Robert Stephenson). Après le concours, le Liverpool & Manchester railway a acheté la Sans Pareil ainsi que la Rocket. La Sans Pareil a été en service plus longtemps que la Rocket, sur le Bolton et Leigh Railway. La Sans Pareil est visible maintenant au National Railway Museum de Shildon en présentation statique.

 

1829 - la Sans Pareil The Mechanics Magazine
la Sans Pareil - The Mechanics Magazine - 1829

Working replica of Sans Pareil making demonstration runs at the Museum of Science and Industry, Manchester. 17th September 2005 Photographer - A.M.Hurrell
Réplique fonctionnelle de la Sans Pareil - Musée des Sciences et de l'Industrie,
Manchester. 17 September 2005 - Photographe - A.M.Hurrell

The original Sans Pareil steam locomotive built by Timothy Hackworth which took part in the 1829 Rainhill Trials on the Liverpool and Manchester Railway. Now at Shildon.
La Sans Pareil d'origine construite par Timothy Hackworth, qui prit part en 1829 au concours de Rainnhill du Liverpool and Manchester Railway.
Aujourd'hui visible à Shildon. (c)

LA PERSEVERANCE

 

La perseverance

La Perseverance, construite par Thomas Burstall, était une petite machine à 4 roues, à chaudière verticale, ne pesant que 2,9t.

La Perseverance fut endommagée durant le trajet qui l'amenait sur le lieu du concours. T. Burstall passa les 5 premiers jours à tenter de réparer sa locomotive. Il courut le sixième jour du concours mais ne put atteindre qu'une vitesse de 9,6 Km/h. Il reçut un prix de consolation de 25 £.

LA ROCKET

 

La Rocket de Stephenson au concours de Rainhill

La Rocket (La fusée), est le prototype de toutes les locomotives qui ont suivi. Présentée par George Stephenson, Robert Stephenson et Henry Booth, elle est l'oeuvre de Robert Stephenson, mais Henry Booth, secrétaire de la compagnie, a suggéré l'emploi de la chaudière tubulaire. Il est presque certain que cette idée soit due à une rencontre avec Marc Seguin, qui en avait déposé le brevet le 22 février 1828.

La Rocket comportait 2 roues moptrices à l'avant, de 1,424 m de diamètre, et deux roues porteuses de 0,76 m de diamètre à l'arrière. Les cylindres, placés à l'arrière, étaient inclinés de 35 degrés. La chaudière contenait 25 tubes de cuivres de 76 mm de diamètre. Son poids en marche était de 4,3t.

 


Coupe d'une reproduction d'un cylindre de la Rocket.
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Elle fit ses premiers essais le 6 octobre. Le 8 octobre, les juges demandèrent que les machines parcourent de façon quasi continue 112 Km à la vitesse moyenne d'au moins 16 Km/h. La Rocket accomplit l'épreuve à une vitesse de 25,75 Km/h, avec une pointe à 47 Km/h.

Le prix fut attribué aux constructeurs de la Rocket, qui fut achetée par la compagnie Liverpool & Manchester Railway. Un peu plus tard, la Rocket roula sur 6,5 Km à la vitesse de 85 Km/h et démontra qu'elle pouvait remonter des pentes normales. Son succès est dû à la chaudière tubulaire, mais aussi à la bonne disposition de sa boite à feu.

La Rocket de stephenson
La Rocket de stephenson aujourd'hui