Héron d'Alexandrie est l'un des plus grands ingénieurs de l'Antiquité. Il vécut à Alexandrie, en Égypte romaine, probablement entre les années 10 et 70 après J.-C. Mathématicien, mécanicien et inventeur, il est l'auteur de nombreux traités décrivant des machines remarquablement ingénieuses utilisant l'eau, l'air comprimé et la vapeur.
Les principales inventions de Héron
Parmi les nombreuses réalisations qui lui sont attribuées, on trouve :
- L'éolipyle, première machine connue utilisant la vapeur comme force motrice.
- La fontaine de Héron, utilisant la pression de l'air pour faire jaillir l'eau.
- Des portes de temple automatiques, qui s'ouvraient lorsqu'un feu était allumé sur l'autel.
- Le premier distributeur automatique, délivrant de l'eau bénite après l'introduction d'une pièce.
- Des automates animés par des contrepoids, des cordes et des réservoirs d'eau.
- Des appareils de mesure (odomètre, dioptre) et plusieurs machines de levage.
L'éolipyle : la première turbine à vapeur
L'éolipyle (ou éolipile) est souvent considérée comme la première turbine à vapeur de l'histoire.
Constitution
Elle comporte quatre éléments principaux :
1. Une chaudière contenant de l'eau ;
2. Un tube conduisant la vapeur ;
3. Une sphère creuse pouvant tourner librement ;
4. Deux tuyères coudées orientées en sens opposé.
Fonctionnement
Lorsque la chaudière est chauffée :
- l'eau bout et produit de la vapeur ;
- la vapeur pénètre dans la sphère ;
- elle s'échappe par les deux tuyères coudées ;
- la réaction des jets exerce un couple qui fait tourner la sphère.
Le principe est exactement celui de la propulsion par réaction, identique dans son principe physique aux fusées modernes ou aux turbines à réaction.
Pourquoi la sphère tourne-t-elle ?
Le fonctionnement repose sur la troisième loi de Newton (action-réaction), même si Newton ne formulera cette loi que plus de 1600 ans plus tard.
Si la vapeur est éjectée avec une vitesse vvv, elle emporte une quantité de mouvement. En réaction, la sphère reçoit un couple opposé qui la met en rotation.
Pourquoi cette invention n'a-t-elle pas révolutionné le monde antique ?
C'est une question souvent posée.
Plusieurs raisons expliquent pourquoi l'éolipyle est restée une curiosité scientifique :
- la pression de vapeur était très faible ;
- les matériaux disponibles limitaient les performances ;
- les pertes thermiques étaient importantes ;
- l'usinage de précision (joints, soupapes, pistons) n'existait pas ;
- surtout, l'économie antique reposait sur une main-d'œuvre abondante (esclaves), ce qui limitait l'intérêt économique de mécaniser les tâches.
Performances estimées
Les reconstitutions modernes montrent que l'éolipyle peut atteindre plusieurs centaines, voire quelques milliers de tours par minute, mais avec une puissance très faible (quelques watts au mieux selon les dimensions). Son rendement énergétique est très bas, car la majeure partie de la chaleur est perdue.
Intérêt pour le modélisme vapeur
Dans notre domaine des machines à vapeur miniatures, l'éolipyle est particulièrement intéressante car elle permet de démontrer :
- la production de vapeur ;
- la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique ;
- le principe de la réaction ;
- l'ancêtre historique des turbines modernes.
Une éolipyle de démonstration réalisée en laiton ou en cuivre, alimentée par un petit brûleur à alcool, constitue une excellente animation pédagogique lors d'une exposition.
Nous vous proposons une version qui reste fidèle au principe de Héron tout en étant réalisable avec des moyens d'atelier classiques (tour et fraiseuse). Elle fonctionnera avec une faible pression (0,2 à 0,5 bar) et un petit brûleur à alcool.
- Sphère : deux demi-sphères en laiton brasées à l'argent.
- Palier : un roulements miniatures () pour réduire les frottements.
- Buses : tubes en cuivre Ø 2 mm, percés à Ø 1 mm et cintrés tangentiellement à la sphère.
- Chaudière : cuivre brasé, sans soupape, d'un bouchon de remplissage.
- Brûleur : un brûleur à alcool à mèche est largement suffisant.
Voici le plan de l'éolipyle : ici
La petite vidéo de démonstration :