Des techniques plus avancées
La grande importance de l'eau implique un recours à des appareils plus solides de rendement assez important. C'est dans ce but que les anciens ont développé les machines élémentaires décrites précédemment pour présenter les roues hydrauliques. Il est assez difficile de connaître les origines de ces roues , mais nous trouvons des descriptions chez les grecs et le romains.
Les nouvelles machines élévatrices des IIIe et IIe siècle av.J.C1
Toujours est-il que l’on voit bientôt apparaître une première roue élévatrice, le tympan, du latin tympanus qui signifie tambour. Il s’agit d’une roue compartimentée, avec des orifices disposés de telle sorte que, au cours de sa rotation, les compartiments qui sont en bas, au contact de l’eau, se remplissent, tandis que ceux qui sont en haut se vident dans des goulottes. Le tympan peut être mû par des hommes marchant sur sa périphérie, plus rarement par un manège d’animaux avec l’intermédiaire obligé d’un renvoi d’engrenage.
Cousine du tympan, il y a la roue à augets (antlia en grec) : des compartiments munis chacun d’un orifice sont disposés tout au long de la périphérie de la roue, le débit délivré est moindre que dans le cas du tympan, mais la hauteur d’élévation est beaucoup plus grande. Dans une fresque d’Alexandrie datée du iie siècle av. J.-C., on voit une roue à augets qui élève l’eau d’un réservoir, elle est mue par deux bœufs qui font tourner un axe vertical, et il y a un renvoi d’engrenage entre cet axe vertical et l’axe horizontal de la roue. Il n’est pas toujours facile de savoir si tel ou tel texte évoque une roue à augets ou un tympan. L’une des traces les plus anciennes de l’une ou l’autre de ces roues remonte à la fin du iiie siècle av.J.-C. : sous le règne de Ptolémée IV (221-205 av. J.-C.), à Alexandrie, une roue élévatrice a été utilisée pour assécher un dock. On ne sait pas qui fut l’inventeur de ces roues élévatrices, ni où elles furent inventées. En revanche, deux autres machines sont clairement associées à des grands personnages de l’époque. Il s’agit d’abord de la pompe manuelle à deux pistons, que les auteurs anciens s’accordent à attribuer à Ctésibios d’Alexandrie, un éminent savant qui vêcu sous le règne de Ptolémée II, au début du IIIe siècle av.J.C.
Ensuite, c’est la vis d’Archimède (koklias,, ce qui signifie limaçon), attribuée au célèbre Archimède de Syracuse (287-212 av. J.-C.) au cours d’un séjour qu’il fit en Égypte. Il est possible que ce fût après avoir vu fonctionner un tympan qu’Archimède eut l’idée de sa vis, qui est une sorte de tympan à trois dimensions Les représentations picturales existantes des vis d’Archimède montrent qu’elles étaient animées par des hommes marchant sur leur circonférence, tout comme le tympan. En tout cas, cette machine eut immédiatement un énorme succès en Égypte : un auteur, appelé Agatharchides (180-116 av. J.-C.), raconte qu’il en a vu fonctionner dans le delta du Nil. Strabon, le géographe, rapporte, de son côté, en avoir vu sur le Nil, au cours de la remontée de ce fleuve qu’il fit vers 26 av. J.-C. Sur le site d’un camp romain près du Caire, des vis et des roues élévatrices étaient animées par des prisonniers:«Une saillie de terrain descend du camp jusqu’au Nil, d’où l’eau est remontée du fleuve par des roues et des vis hydrauliques ; cent cinquante prisonniers sont employés à ce travail. De là, on aperçoit distinctement les pyramides..
Dans son livre "Architectura" vitruve nous parle des premières roues hydrauliques «le tympan» et la roue à augets.
"Je traiterai maintenant de la manière dont sont agencés les types divers d’appareils qui ont été inventés pour puiser l’eau. Et je parlerai d’abord du tympan. Cet appareil n’élève l’eau qu’à une faible hauteur, mais il est très pratique pour en tirer une grande quantité. Un essieu, façonné au tour ou au compas, et dont les extrémités ont un bandage de fer, est entouré, en son milieu, par un tambour fait de planches assemblées; il porte sur des montants qui sont recouverts, sous les extrémités de l’essieu, par des plaques de fer. Dans la cavité du tambour, on place à intervalles, en contact avec l’essieu et avec la circonférence du tambour, huit traverses de bois qui délimitent dans le tambour des compartiments égaux. Sur tout son pourtour, on fixe des planches, en ménageant des ouvertures d’un demi-pied pour recueillir l’eau à l’intérieur. Autour également de l’essieu, des boulins (trous ou ouvertures) sont percés dans chaque compartiment et d’un seul côté. Quand l’appareil a été enduit de poix, selon le procédé employé pour les bateaux, des hommes le font tourner avec les pieds ; puisant l’eau par des ouvertures qui sont sur le pourtour du tambour, il la rejette par les boulins autour de l’essieu ; au-dessous est placé un réceptacle en bois auquel est directement rattaché un canal. Une grande quantité d’eau est ainsi fournie aux jardins, pour l’irrigation, ou aux salines, pour le traitement du sel.
Quand il faudra cependant élever l’eau à une plus grande hauteur, on aménagera le même système de la manière suivante : on mettra autour de l’essieu une roue dont le diamètre sera proportionnel à la hauteur nécessaire. En bordure, à la circonférence de la roue, on fixera des augets carrés, calfatés avec de la a poix et de la cire. Ainsi, quand les hommes feront tourner la roue avec les pieds, les augets pleins, portés jusqu’au haut puis revenant à nouveau vers le bas, déverseront d’eux-mêmes, directement, dans le déversoir , directement, dans le réservoir, toute l’eau qu’ils auront élevée »
«On utilise aussi sur les rivières des roues de même type que celles décrites ci-dessus (c’est-à dire-le tympan et la roue à augets). Sur tout le pourtour sont fixées des aubes (pinnae) qui, lorsqu’elles sont frappées par la force du courant, sont mises en mouvement et font tourner la roue ; elles puisent ainsi l’eau par des augets et l’élevant jusqu’en haut, en tournant sans l’action des pieds de manœuvre , mais par la seule force du courant, elles fournissent ce qui est nécessaire aux besoins..
Une autre machine élévatrice est la chaîne à godets ou saqqya – selon le nom arabe qu’elle aura par la suite . C’est la machine qui permet la plus grande hauteur d’élévation : sur un tambour d’axe horizontal passe une chaîne munie de godets, cette chaîne, dont la partie inférieure trempe dans le réservoir d’eau à élever, peut être aussi longue que l’on voudra, la seule limite à la hauteur d’élévation étant la puissance disponible. La chaîne à godets était, en général, mue par un manège d’animaux attelés pour faire tourner un axe vertical , avec un renvoi d’engrenage. La première trace formelle de cette machine remonte au milieu du IIe siècle av.J.C pour remonter de l’eau au bain de Cosa en Italie centrale.
Dans un traité arabe attribué à Philon de byzance, nous trouvons la description des roues hydrauliques.
Ce traité ibtitulé:"Le livre des appareils pneumatiques et des machines hydrauliques" [Texte imprimé] / par Philon de Byzance, edité d'après les versions arabes d'Oxford et de Constantinople et traduit en français par le Baron Carra de Vaux
Fig - A - Fig - B -
Modèle 64 du traité figure A
64. Construction d’un autre appareil. Une roue au-dessus d’un puits profond. — Cette roue monte l’eau d’un lieu profond, sans l’emploi d’un outil pour puiser.
Modèle 65 du traité figure B
65. Construction d’un autre appareil élégant. — Préparons encore un autre appareil dont on tirera beaucoup d’autres service. On pourra, par son moyen, élever l’eau des rivières ou autres lieux jusqu’à l’amener dans des endroits élevés et arroser les jardins et les cultures; on pourra élever cette eau jusqu’à la faire parvenir dans des châteaux et dans des lieux cachés. — Il faut que la rivière dont on se sert pour arroser avec cet appareil soit bien courante, allant vers des lieux déprimés, assez abondante relativement à l’eau qu’élève cet instrument. de cet appareil.
Voir description dans la traduction du Baron Carra De Vaux
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1 - Pierre Louis Viollet "Histoire de l'énergie hydraulique" - moulins, pompes, roues et turbines de l'Antiquité au XXe siècle - Presse de l'école nationale des Pont et Chaussées - 2005
Dans les pays arabes
Les arabes se sont bien intéressés aux machines élévatoires d'eau. C'est ainsi que nous trouvons des descriptions assez importantes dans un certain nombre de traités rédigés à des périodes différentes.
I - Les appendices du traité de Philon
Dans le traité arabe, attribué à Philon de Byzance et traduit en français par le Baron Carra de Vaux, nous trouvons deux appendices qui n'appartiennent pas au traité de Philon de Byzance. Le baron Carra de Vaux les a également traduit et à signalé ses remarques. Il signale que le nom de l'auteur est inconnu et que les machines soulignées sous le nom des aspahéniens ne donnent aucun indice de référence à l'auteur.
Dans le premier appendice nous trouvons la description de deux pompes :
1 - Appareil pour faire monter l'eau du fond d'un puit par un procédé éléguant
2 - Autre appareil pour faire monter l'eau par un procédé élégant
Appendice II
Les sept premiers numéros du recueil anonyme d'Oxford- Appareils des Ispahaniens
le premier appareil est un chadouf , le second est une roue hydraulique (fig-A), la troisième est un sceau de la capacité de 1000 ritls, le quatrième est une manège qui fait tourner ue roue hydraulique à godet (Fig - B), le cinquième est intitulé faire monter l'eau par un appareil élégant, enfin le sixième et le septième appareil sont des fontaines.
Fig - A - Fig - B -
II - Traité de guerre
Dans un traité intitulé "Les ruses des guerres nécessaires à conquérir les villes et protéger les passages utils" ( Al-Hiyal fi alhurûb wafath al_madain wa Hafz al-Dûrub).
Ce traité, dont le nom de l'auteur est inconnu, est conservé à la bibliothèque Ahamd III - Istanbul - La Turquie -N° 3469 . Un chapitre de ce traité fut consacré aux machines élévatoires d'eau du fond des puits.
D'après l'auteur, les machines décrites sont capables, par une simple impulsion, d'effectuer un mouvement de rotation perpétuel. Mais les dimensions attribuées à chaque machine sont si grande qu'on se trouve dans l'impossibilité d'une reconstitution pratique. Ceci n'empêche que l'idée de la tentation d'un mouvement perpétuel est précoce vu l'époque de la rédaction du manuscrit (XIIe siècle de notre ère). Nous traduisons littéralement la description de quelques unes de ces machines appartenant à un même chapitre. Ce dernier est intitulé:
Les moyens ingénieux pour élever l'eau.
1 -Si vous voulez construire une roue qui tourne d'elle-même d'un mouvement perpétuel pour tirer la quantité d'eau nécessaire à faire boire mille chameaux par la volonté de Dieu.
Vous prenez un grand cercle de bois assez épaisse, de diamètre de dix coudées. Vous creusez dans sa cavité des rainures analogues aux marches d'un escalier. Cette roue sera portée sur deux supports au moyen d'un axe de fer qui passe par son centre d'inertie. les supports doivent s'élever à une hauteur de six coudées. Vous prenez ensuite un axe de fer de section carré et de longueur quatre empans et vous lui accordez un autre axe en bois de longueur six empans. vous fixez ensuite aux extrémités de l'axe ainsi obtenu deux roues dentées de diamètre cinq empans. Vous prenez de plus un axe de longueur sept coudées et de périmètre douze empans. Cet axe sera porté per deux supports parallèles de hauteur huit coudées, après avoir pratiqué à ses deux extrémités des lanternes qui correspondent à la largeur d'une dent porté par les roues précédemment décrites. L'axe qui porte les deux roues dentées doit s'appuyer sur le grand cercle , tandis que ses roues s'engrènent avec les lanternes du second axe. De plus cet axe est porté par deux anneaux fixés aux extrémités de deux chaînes qui passent sur l'axe du grand cercle et dont les autres extrémités portent des contrepoids de 300 ratls. Enfin vous fixez sur l'axe de la grande roue , deux disques identiques asses durs , d'épaisseur une coudées et de diamètre 5 coudées. ces deux roues doivent portées les chaînes à godets qui élèvent l'eau à la hauteur voulue. la capacité de chaque godet peut faire boire trois chameaux.
Pour actionner cette machine, il suffit de lui donner une impulsion circulaire pour qu'elle commence à tourner. Elle ne s'arrêtera que lorsqu'on freine si le Bon dieu nous aide . Voici la figure.
La figure est tirée du traité
2 - Un autre appareil identique à la première mais dont les dimensions sont plus petites
La figure ci-contre tirée du traité montre les éléments suivants:
(R) , (P) et (R'), (P') deux systèmes d'engrenages à angle droit. les deux roues (R) et (P) tournent dans un plan vertical, tandis que (R') et (P') tournent dans un plan horizontal.
Le centre d'inertie de l'axe (XY) doit s'appuyer sur le grand cercle (C)
(S) et (S') représentent les deux supports.
Il est à signaler que le mouvement perpétuel fut développé dans la technologie islamique afin d'assurer une énergie permanente . À ce but nous trouvons dans un manuscrit la description de trois roues à mouvement perpétuel
A B C
1 - Une roue actionnée par des tubes remplies à moitié du mercure (Fig A)
Description
Sur un axe solide de longueur dix coudées on fixe un grand disque en bois d'épaisseur moyenne et de diamètre cinq empans. Puis on prend 48 tube de fer ou de cuivre dont chacun contient dix mans de mercure.ces tubes seront bien fermés et fixés à égales distances sur le périmètre du grand disque . On couvre l'ensemble par du bois très mince afin de cacher les éléments de la machine. Pour faire actionner cette roue, il suffit de lui donner une impulsion circulaire pour qu'elle effectue un mouvement de rotation perpétuel. Vous pouvez accorder à l'axe de rotation de cette roue deux autres roues plus petites sur lesquelles on a enroulé des chaines sans fin qui portent des godets pour élever l'eau à la hauteur demandée.
2 - Une roue actionnée par des tigelles articulées sur son périmètre (Fig B)
Description
Sur une roue en bois de diamètre dix coudées on articule 48 tigelles de fer. À l'extrémité de chaque tigelle est fixé une masse de 50 ratls. Pour actionner le système , il suffit de donner à la roue une impulsion qui lui accorde le mouvement de rotation demandé Ainsi la roue tourne et ne s'arrête que lorsqu'on la freine.
3 - Une roue entraînée par des chaînes fixées sur son périmètre (Fig C)
Description
Sur la jante d'une roue en bois, de diamètre dix coudées sont fixées 48 chaînes dont chacune est composée de trois ou quatre anneaux. Cette roue doit être fixée à un axe de rotation très rapide . On lance la roue, il tourne d'un mouvement très rapide et ne s'arrête que lorsqu'on la freine.
Remarque : Les figures des trois roues sont tirées du livre "Islamic Technologie " Ahmad Youssef al -Hassan and Donald R. Hill