Sciences / Culture

Qui a inventé le chemin de fer?

Temps de lecture : 6 min

Indice: ce n'est pas la même personne que celle qui a conçu les trains.

Le train inaugural de la Stockton & Darlington Railway, le 27 septembre 1825. | John Dobbin / National Railway Museum via Wikimedia Commons
Le train inaugural de la Stockton & Darlington Railway, le 27 septembre 1825. | John Dobbin / National Railway Museum via Wikimedia Commons

Cet article est publié en partenariat avec Quora, plateforme sur laquelle les internautes peuvent poser des questions et où d'autres, spécialistes du sujet, leur répondent.

La question du jour: «Quand, comment et où est né le chemin de fer?»

La réponse de Philippe Chateau:

L'idée de faire rouler un véhicule sur un système de guidage est (presque) aussi ancienne que la roue elle-même. Le plus ancien exemple de transport par chariots sur roues guidées se trouve en Grèce. Il en reste des vestiges sur l'isthme de Corinthe.

De -600 au milieu du Ier siècle, c'est-à-dire pendant environ 650 ans, un transport de bateaux de commerce et de guerre sur des chariots a fonctionné pour traverser l'isthme de Corinthe (6,5 kilomètres): le diolkos. Ce chemin de pierre à écartement de 1,60 mètre était arrangé avec des bords surélevés de façon à ce que les chariots ne quittent pas la route.

Vestiges du diolkos. | Davide Mauro via Wikimedia Commons

La technique ne se perd pas et dès le Moyen Âge, on retrouve des chariots guidés dans les mines d'Allemagne, de Suisse, puis de Grande-Bretagne.

Le système évolue, les planches deviennent des sortes de rails rudimentaires, puis les roues deviennent métalliques afin de limiter l'usure. Les rails sont d'abord garnis de bandes métalliques puis sont entièrement en métal pour la même raison.

Dès les années 1700, des wagons avec roues à boudin sur rails en bois renforcé sont utilisés en Angleterre.

Les premiers rails entièrement métalliques sont posés en Angleterre au milieu du XVIIIe siècle. Ce système se développe très rapidement car, avec un cheval, on peut tirer des charges beaucoup plus importantes sur des rails que sur une route pavée.

C'est sur ce système de chemin de roulement métallique, très utilisé dans les exploitations minières galloises et anglaises, que Richard Trevithick (1771-1833), ingénieur des mines, va se baser pour faire circuler sa première machine à vapeur sur rails en février 1804.

La machine à vapeur

Le premier à s'intéresser à la puissance de la vapeur est Héron d'Alexandrie (Ier ou IIe siècle après J.-C.), mathématicien et mécanicien de génie. Il fabrique une turbine à vapeur rudimentaire: l'éolipyle.

L'éolipyle de Héron d'Alexandrie, illustration de 1876. | Knight's American Mechanical Dictionary via Wikimedia Commons

Bien plus tard, en France, un mécanicien confectionne un petit chariot mu par un éolipyle. C'est le premier véhicule propulsé par un moteur dans l'histoire.

C'est à Denis Papin (1647-1712), ingénieur mécanicien français, que revient la première tentative sérieuse de fabrication d'une machine à vapeur, en 1681. On verse un peu d'eau dans la partie inférieure, le piston est retenu en position basse par une clavette. On chauffe l'eau qui se transformait alors en vapeur et on libère le piston en enlevant la clavette. Cette première machine est plutôt un vérin à vapeur.

L'invention de Denis Papin. | Biblioteca Europea di Informazione e Cultura via Wikimedia Commons

Papin travaille sur de la vapeur sous pression avec des techniques insuffisamment sûres. Après plusieurs explosions, son mécène, le duc de Hesse, lui coupe les crédits.

Thomas Savery (1650-1715), ingénieur mécanicien anglais, a l'idée de produire la vapeur dans un vase séparé. C'est ainsi qu'il invente la chaudière –brevet déposé en 1698.

En 1702, la première machine à vapeur industrielle est mise en marche dans une mine de Cornouailles: une pompe d'exhaure d'eau, surnommée «The miners' friend» (l'amie des mineurs). Cette machine est atmosphérique, c'est-à-dire qu'elle fonctionne avec la pression atmosphérique et la création de vide par la condensation de la vapeur par refroidissement rapide. D'autre part, c'est une machine sans piston.

L'Anglais Thomas Newcomen (1663-1729) reprend les idées de Papin pour la machine à piston et de Savery pour la chaudière séparée. Il fabrique la première vraie machine à vapeur à piston.

Par crainte des explosions, c'est une machine atmosphérique où la vapeur est refroidie et condensée pour créer un vide; et c'est la pression atmosphérique qui pousse le piston, qui est ensuite remonté par un contrepoids. Malgré son faible rendement et sa tendance à s'arrêter, elle est très bien accueillie dans les mines. C'est la première machine industrielle à vapeur à piston (1712).

Principe de la machine à vapeur à balancier de Newcomen. | Emoscopes via Wikimedia Commons

James Watt, ingénieur des mines écossais (1736-1819), dépose en 1769 le brevet de la machine à vapeur à piston à double action.

Plus besoin de contrepoids: c'est toujours une machine atmosphérique à condensation, mais la pression agit alternativement sur les deux faces du piston. Cette machine bénéficie de plusieurs innovations qui seront essentielles pour la future locomotive: la distribution, le régulateur. Cette machine était lourde et d'un faible rendement.

Richard Trevithick, inventeur prolifique, s'empare de l'invention de Watt et la perfectionne pour la faire fonctionner sous haute pression. Mais le brevet déposé par Watt l'empêche de l'exploiter jusqu'en 1799.

Et la machine à vapeur devint locomotive

Le Français Nicolas Cugnot (1725-1804) fabrique en 1769 un modèle réduit de véhicule routier à vapeur qu'il présente au ministre de la Guerre de l'époque, le comte de Choiseul.

Celui-ci lui commande un exemplaire apte à circuler, qui est réalisé l'année suivante: c'est le fardier. Destiné au transport des canons, il s'agit du premier véhicule automobile de l'histoire. Après de multiples accidents dus à l'absence de frein et à la méconnaissance de la conduite du véhicule, et la disgrâce du comte de Choiseul, le projet est abandonné.

Premier accident d'automobile, 1770. | Solkoll~commonswiki via Wikimedia Commons

Richard Trevithick (encore lui) reprend l'idée de Cugnot, avec un véhicule routier à vapeur (sous haute pression cette fois) tirant des remorques. Ce véhicule circule entre 1800 et 1802. Mais à la suite d'un grave accident, et aussi en raison du très mauvais état des routes britanniques de l'époque, il est abandonné.

Trevithick, ingénieur des mines qui connaît très bien la voie ferrée, décide alors de mettre son véhicule sur des rails.

L'engin est adapté à la voie et le 13 février 1804, le premier train de l'histoire circule sur 10 miles (16 kilomètres) sur les voies des aciéries de Penn-y-Darren au Pays de Galles, remorquant 10 tonnes de charbon et 70 hommes à la vitesse moyenne de 4 km/h avec des pointes à 8 km/h.

La première locomotive de Trevithick avait un gros inconvénient: non suspendue, elle était très dure pour la voie. Les rails en fonte en forme de L cassaient très souvent, provoquant des déraillements.

La première locomotive de Trevithick (1803). | Hugh Llewelyn via Wikimedia Commons

Sa seconde locomotive, «Catch me who can» (1808), avait le même défaut. Mais elle avait déjà l'architecture d'une locomotive.

De nombreux ingénieurs anglais s'intéressent à ce moyen de transport révolutionnaire et l'améliorent. Le couple roue plate/rail en L en fonte est abandonné pour le couple roue à boudin/rail à champignon en acier doux, et les traverses en bois remplacent les assises de voie en pierre. Les nouvelles locomotives sont suspendues. William Hedley fabrique la «Puffing Billy» en 1813, et George Stephenson la «Blücher» en 1814.

«Puffing Billy» de William Hedley, première locomotive à utilisation commerciale. Les roues plates ont été rapidement remplacées par des roues à boudin. | FritzG via Wikimedia Commons

George Stephenson (1781-1848), aidé de son fils Robert, est engagé comme ingénieur par la première compagnie de chemin de fer de l'histoire: la Stockton & Darlington Railway (nord de l'Angleterre), inaugurée en 1825. Il y fait circuler sa Locomotion en tête du train inaugural.

C'est un réseau très rudimentaire: une quarantaine de kilomètres de voies où une partie seulement des trains est à traction vapeur; les autres trains sont tirés par des chevaux, les passagers sont transportés dans des wagons à charbon munis de bancs.

Stephenson profite de son expérience à la Stockton & Darlington Railway pour améliorer ses locomotives. En 1829, il présente sa Rocket au concours de Rainhill organisé par la Liverpool & Manchester Railway visant à sélectionner la locomotive qui assurera les premiers services à partir de 1830. La Rocket est la seule à satisfaire entièrement au cahier des charges. Stephenson est engagé comme ingénieur en chef.

La Liverpool & Manchester Railway n'est pas la première compagnie de chemin de fer, mais c'est le modèle qui va déterminer toutes celles qui vont suivre: traction exclusivement par locomotives, horaires, signalisation, matériel et installations dédiés.

De même, la Rocket n'est pas la première locomotive, mais c'est le modèle qui va déterminer toutes celles qui vont suivre: bicylindre, chaudière multitubulaire, régulateur, changement de marche par coulisse...

Si Trevithick a inventé le train (locomotive tirant des wagons sur des rails), c'est bien Stephenson le père du chemin de fer en tant que moyen de transport.

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