Comment construire une machine à vapeur

Coécrit par Bess Ruff, MA

L'expression « machine à vapeur » renvoie au XIXe siècle avec la fabrication des premières locomotives ou des premières voitures à vapeur (Stanley Steamer). Sachez cependant qu'elles n'ont pas servi qu'à faire se déplacer plus vite des engins terrestres. Le principe même de la machine à vapeur remonte à l'Antiquité avec la machine de Héron d'Alexandrie, soit plus de 2 000 ans ! Depuis trois siècles, ces machines à vapeur ont fourni et fournissent (avec les turbines des centrales) encore aujourd'hui 80 % de toute l'énergie électrique consommée dans le monde. Si vous voulez mieux en comprendre les grands principes, nous vous invitons à confectionner quelques machines à vapeur simples à l'aide de matériaux et d'outils que tout un chacun peut posséder chez soi.

Méthode 1

Méthode 1 sur 2:
Utiliser une canette de soda (pour les enfants)

1
Découpez une canette sur une hauteur de 6,5 cm depuis le fond. À l'aide de cisailles ou d'une paire de ciseaux robuste, découpez la canette pour ne conserver que le tiers inférieur.
2
À l'aide d'une paire de pinces, repliez les bords coupants et inégaux vers l'intérieur et aplatissez-les bien. Le but est d'éviter que vous ne vous blessiez. Faites attention à ne pas vous blesser durant cette opération !
3
Repoussez la partie bombée de la canette pour obtenir un fond plat. Comme vous l'avez déjà remarqué, ces canettes ont un fond circulaire légèrement bombé vers l'intérieur. Vous pouvez le repousser à la main ou à l'aide d'un petit verre (ou d'une petite bouteille) avec lequel vous aurez plus de force.
4
Percez deux petits trous à l'opposé l'un de l'autre à environ 1,5 cm du haut. Vous pouvez utiliser un perforateur pour papier ou bien un clou un peu gros et un marteau. Les trous doivent faire environ 3 mm de diamètre.
5
Placez un lumignon au milieu de la canette. Froissez du papier d'aluminium et placez-le sous et autour de votre lumignon afin de le stabiliser. Les lumignons sont coulés dans de petits cylindres en fer blanc, il n'y a donc aucun risque que de la cire n'en sorte.
6
Embobinez la partie centrale d'un tube de cuivre (15-20 cm de long et 3 mm de diamètre) autour d'un crayon. Faites deux ou trois tours autour du crayon. La section du tube étant faible, l'embobinage se fera sans peine. Cette « spirale » doit faire la largeur de la canette et il doit vous rester environ 5 cm de tube rectiligne de chaque côté.
7
Insérez les extrémités des tubes dans les trous de la canette. Centrez la spirale au-dessus de la mèche du lumignon. De chaque côté de la canette, vous devez avoir deux longueurs de tube identiques.
8
Pliez à angle droit les deux extrémités des tubes. Si vous pliez un bout vers la droite, vous plierez l'autre vers la gauche, le tube devant rester dans le même plan. Enfin, pliez à nouveau ces parties coudées afin que les extrémités se trouvent en dessous du fond de la canette. Au final, vous devez avoir une partie en spirale au-dessus de la bougie et deux sections doublement coudées de part et d'autre.
9
Placez votre canette ainsi équipée dans un grand récipient rempli d'eau. Posez votre canette sur l'eau et veillez à ce que les bouts des tubes soient bien dans l'eau. Normalement, votre « machine » devrait être stable. Si les tubes ne s'enfoncent pas bien dans l'eau, appuyez un peu sur votre installation, mais attention à ce qu'elle en coule pas par le fond !
10
Remplissez les tubes d'eau. Le plus simple est de plonger une des extrémités dans un récipient rempli d'eau et d'aspirer par l'autre bout, à l'image d'une paille. Vous pouvez aussi boucher l'ouverture du bas avec un doigt et remplir par le haut sous un filet d'eau du robinet.
11
Allumez la bougie. L'eau contenue dans les tubes va chauffer, puis se mettre à bouillir. La vapeur ainsi générée va sortir des tubes sous forme de « jets », ce qui entrainera la rotation de votre machine.

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Méthode 2

Méthode 2 sur 2:
Utiliser un pot de peinture (pour les adultes)

1
Découpez sur un des côtés du pot un trou rectangulaire de 15 x 5 cm, assez proche de la base. Ce rectangle sera dans le sens horizontal (les 15 cm seront mesurés parallèlement à votre table).
- Ne prenez que des pots ayant contenu une peinture latex (ou vinylique) que vous aurez pris soin de bien laver à l'eau et au détergent.
2
Découpez dans du treillis métallique un morceau de 12 par 24 cm. Pliez à angle droit (90°) 6 cm de chaque côté de la grande longueur. Vous obtenez ainsi une sorte de « plateforme » carrée de 12 par 12 cm, avec deux « appuis » de 6 cm de haut. Placez ce treillis dans le pot de peinture, pieds orientés vers le bas et alignés sur les bords du trou que vous avez découpé. L'espace derrière le trou est laissé libre, c'est par là que vous allez allumer le charbon de bois qui se trouve sur le treillis.
3
Faites des trous d'aération sur le couvercle. Vous allez devoir faire bruler du charbon de bois pour faire fonctionner votre machine à vapeur. Si vous n'avez pas d'arrivée d'air, votre charbon brulera mal ou même pas du tout. Afin d'assurer une bonne ventilation, percez une série de petits trous sur le bord du couvercle, et ce, sur une moitié du pourtour.
- Ces trous de ventilation auront 1 cm de diamètre.
4
Fabriquez une spirale avec le tube de cuivre. Prenez un tube de cuivre souple de 6 mètres de long et d'environ 6 mm de section. Mesurez 30 cm à partir d'une des extrémités. À partir de là, faites 5 spirales de 12 cm de diamètre. À la suite, faites 15 spirales plus petites de 8 cm de diamètre. Il doit vous rester environ 20 cm de tube à l'autre extrémité.
5
Insérez les extrémités de la spirale dans les trous de ventilation du couvercle. Repliez les deux bouts de la spirale vers le haut, comme sur l'image. Si vous n'avez pas assez de longueur, défaites une des spirales.
6
Installez la spirale et le charbon de bois dans le pot. Placez la spirale sur le treillis métallique. Remplissez l'espace autour avec des morceaux de charbon de bois. Fermez le tout hermétiquement avec le couvercle.
7
Pour faire passer les tuyaux en plastique, percez des trous dans le petit pot de peinture. Au centre du couvercle de ce pot d'un litre, percez un trou d'un centimètre de diamètre. Sur le côté du pot, percez aussi deux trous d'un centimètre, un près du fond et un autre près du couvercle.
8
Installez deux petits tuyaux en plastique sur le petit pot supérieur. Prenez ou taillez deux petits bouchons de liège qui iront en forçant un peu dans les deux petits trous. Introduisez dans chacun d'eux un petit tuyau de plastique rigide, l'un fera 25 cm de long et sera placé sur le trou du bas, l'autre fera 10 cm de long et sera sur le trou du haut. Assujettissez bien les tuyaux en plastique (qui traversent le bouchon de part en part) dans le bouchon à l'aide de petits colliers.
9
Connectez les deux pots de peinture entre eux. Posez le petit pot sur le gros, les trous du petit ne doivent pas se trouver au-dessus des trous d'aération du grand. Le tuyau en plastique du bas du petit pot doit être assujetti à l'extrémité en cuivre qui part du bas de la spirale. L'autre tuyau en plastique est fixé à l'autre extrémité en cuivre. Au niveau des jonctions, mettez de l'adhésif métallique pour que la « soudure » soit étanche.
10
Insérez le tube de cuivre dans la boite de dérivation. Avec un marteau et un tournevis, retirez la partie centrale d'une boite de jonction ou de dérivation métallique. Cette dernière doit posséder à l'intérieur un collier d'arrimage fixe. Passez un petit tuyau de cuivre de 15 cm de long à travers ce collier, votre tuyau doit dépasser de quelques centimètres le dessus de la boite de dérivation. Avec un marteau, arrondissez légèrement les bords de cette extrémité qui dépasse. La boite de jonction étant posée à l'envers (partie creuse tournée vers le bas) sur le petit pot de peinture, enfoncez le petit tuyau de cuivre dans le trou central du couvercle du petit pot. Serrez le collier pour que le tuyau de cuivre ne bouge plus.
11
Introduisez une brochette dans un cylindre de bois. Prenez une mince brochette de barbecue en bois et insérez-la dans un cylindre de bois creux de 9 mm de diamètre et de 1,5 cm de long. Glissez cet assemblage brochette-cylindre de bois dans le tuyau de cuivre de la boite de jonction, la brochette vers le haut. Les bords arrondis du tuyau de cuivre empêcheront le cylindre de bois de sortir vers le haut.
- L'ensemble brochette-cylindre de bois agira comme un « piston ». Si vous voulez en observer les déplacements, vous pouvez mettre un petit « drapeau » en papier en haut.
12
Préparez votre machine à vapeur. Retirez la boite de dérivation et remplissez le petit pot supérieur. L'eau va s'écouler progressivement dans la spirale de cuivre, laquelle sera remplie quand le petit pot sera rempli aux deux tiers. Voyez s'il n'y a pas de fuites et si tout est correctement fermé. Remettez les couvercles et enfoncez-les bien à coups de marteau (ne tapez pas trop fort quand même !) Remettez la boite de dérivation à sa place, c'est-à-dire au-dessus du petit pot supérieur.
13
Et c'est parti pour l'expérience ! Enfoncez du papier journal dans le trou rectangulaire, sous le treillis métallique. Ne tassez pas trop le journal. Une fois le feu parti, laissez bruler 20-30 minutes. L'eau va se mettre à bouillir et de la vapeur va se former dans le récipient supérieur. Quand la pression sera suffisante, elle va pousser le piston vers le haut. Quand la pression retombera suite à la fuite de vapeur, le piston retombera de lui-même par gravité. Si nécessaire, retaillez la longueur de la brochette. En effet, plus légère elle sera, plus souvent elle se déplacera. Dans l'idéal, il faut alléger ce piston de façon à ce que votre petit drapeau ait des mouvements verticaux réguliers. Il faut y aller par tâtonnements pour trouver le bon poids de ce qu'on peut appeler un régulateur de pression.
- Pour améliorer la combustion, vous pouvez utiliser un sèche-cheveu que vous dirigerez vers les trous d'aération.
14
Soyez prudent. Il va sans dire qu'une telle expérience n'est pas exempte de danger. Manœuvrez avec précaution. Livrez-vous à cette expérience en extérieur. Ne vous installez pas près de matériaux potentiellement inflammables, comme des feuilles sèches ou sous un arbre ! Posez votre machine sur une surface qui ne risque rien, comme un sol en béton par exemple. Si vous êtes entouré d'enfants, prenez toutes les précautions nécessaires. Ne les laissez jamais seuls avec votre engin, surtout s'il est en marche. Attention à ne rien toucher : les brulures peuvent être très sévères !
- Vous devez absolument vous assurer que la vapeur s'échappe bien de la « chaudière » supérieure. Si le piston venait à se coincer, la vapeur se concentrerait dans le petit récipient jusqu'à atteindre une pression très élevée. Vous risquez alors une explosion, vous imaginez aisément les conséquences si vous êtes à proximité. Prudence donc...
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Conseils

Installez votre machine à vapeur sur un bateau miniature en plastique. Un des tubes doit plonger dans l'eau et l'autre servir d'échappement à la vapeur. Pour être dans l'air du temps, faites de la récupération, taillez votre bateau dans une grande bouteille en plastique de soda ou de détergent.

Avertissements

Si vous êtes obligé de manipuler votre machine pendant son fonctionnement, utilisez des pinces ou une manique. N'y allez pas à mains nues !
Si vous n'êtes pas sûr de maitriser les choses, ne tentez pas de construire une machine plus complexe, avec une chaudière plus conséquente par exemple. L'explosion d'une chaudière, même petite, pourrait avoir de graves conséquences.
Si vous deviez manipuler votre machine à vapeur alors qu'elle est en fonctionnement, veillez à ne pas diriger les tubes de cuivre en direction de quiconque, la vapeur qui en sort est brulante.
En aucun cas, vous ne devez boucher artificiellement les tuyaux de cuivre. Les embouts doivent juste être sous l'eau. Si vous les bouchiez, les tuyaux exploseraient avec les conséquences que vous imaginez.

Éléments nécessaires

La machine à vapeur avec une canette de soda

Une canette de soda en aluminium
Des cisailles ou une paire de ciseaux robuste
Une paire de pinces
Un perforateur pour papier
Un lumignon
Du papier d'aluminium
Un tube de cuivre de 3 mm de diamètre
Un crayon ou un objet cylindrique de petite section
De l'eau
Un récipient

La machine à vapeur avec un pot de peinture

Un pot de peinture de 5 litres (si vous en trouvez un vide et neuf, c'est mieux, sinon, lavez-en un avec de l'eau et du détergent)
Un pot de peinture d'un litre (idem)
Un tube de cuivre de 6 m de long et de 6 mm de section
De la bande adhésive métallique
2 bouchons en liège
Une boite de dérivation électrique métallique de forme circulaire
Des colliers de serrage adaptés à la boite de dérivation
Un tube de cuivre de 15 cm de long et d'une section de 12 - 13 mm
Un morceau de treillis métallique de 12 x 24 cm
35 cm de tuyau en plastique rigide de 3 ou 6 mm de section
2 petits colliers de serrage pour le tuyau en plastique
Du charbon de bois pour barbecue (de type Matchlight, si vous en trouvez)
Une brochette (pique) de barbecue
Un cylindre de bois en bois de 1,5 cm de long sur 9 mm de section (percé d'un côté)
Un tournevis
Une perceuse
Un marteau
Des cisailles ou une paire de ciseaux
Une paire de pinces