Petite histoire de la locomotive

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La locomotive est un engin de traction des trains. Elle dispose donc d'une motorisation interne lui permettant de se mouvoir. Les combustibles utilisés le furent en trois temps : 

- 1820 à +/- 1960-1970 : machine à traction vapeur avec combustible au charbon;
- début 1900 à nos jours : machine à traction avec moteurs fonctionnant à l'électricité;
- 1912 à nos jours : machine à traction avec alternateur ou transmission hydraulique, fonctionnant au carburant diesel.

Le coût d'extraction du charbon, les puissances faibles fournies et l'entretien très onéreux des locomotives à vapeur ont fait que les dernières machines de ce type roulèrent globalement jusqu'au milieu des années 70. Tout début des années 60, on en construisait encore quelques unes, pour des chemins de fer locaux. Cette période de 150 ans de traction vapeur mérite donc une petite rétrospective, avant de nous pencher dans les pages qui suivent à la traction diesel puis électrique.
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La traction diesel
La traction électrique
Demain
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- principes de la traction diesel
- les locomotives diesel actuelles
- les locomotives bimodes
- les constructeurs
- les loueurs

Mais avant de développer la traction actuelle, un petit retour en arrière s'impose, où règna durant 150 ans la traction vapeur. De l'invention de la vapeur pour mouvoir une machine, jusqu'à la locomotive qui roule en autonomie, un court historique.
Les débuts de la mécanique à vapeur
Vers une application ferroviaire
 Papin  
 Newcomen
 Cugnot  
 Murdoch 
 Trevithick  
 Stephenson 
Jusqu'au XVIIème siècle, la seule façon de se déplacer n'était possible que par énergie naturelle, animale ou humaine : soit par le vent, soit par énergie hydraulique, soit par le cheval tractant un véhicule, soit...par la marche à pieds. Ainsi en est-il des bateaux à voile, des moulins à vent ou à aubes, et des nombreux services en calèches. Le génie mécanique prend son envol avec l'idée de maîtriser les énergies pour mouvoir un véhicule. A défaut de pouvoir maîtriser le vent, il fallait donc un combustible se chargeant de fabriquer une énergie. Cela débuta par la vapeur d'eau, puis par l'électricité et enfin les combustibles d'origine fossiles.

Pourquoi seulement au XVIIème siècle ?
Au Moyen Âge comme à la Renaissance, les clercs et les humanistes s'en tenaient à la description des phénomènes. La rupture entre science et religion semble consommée avec, en 1633, le procès de Galilée. Les savants, à la suite de Johannes Kepler, vont pouvoir séparer science, religion et philosophie, et se lancer dans un grand nombre de recherches en pleine autonomie, en mathémathique, en physique, en astrologie. Désormais, c'est l'expérience qui doit soutenir chaque nouvelle théorie. La physique s'intéresse aux conditions nécessaires pour générer une force pressante capable de faire mouvoir un objet autrement que par le vent, l'énergie hydraulique, une force animale ou... le canon (inventé par un allemand en 1313) !

En 1673, le néerlandais Christiaan Huygens et son jeune assistant Denis Papin, réussissent à déplacer un piston entraînant une charge de 70 kg sur 30 cm, en chauffant un cylindre métallique vidé d'air, rempli de poudre à canon. Huygens serait ainsi considéré comme le précurseur du moteur à combustion interne. En 1690, Denis Papin repris l'idée mais en substituant de la vapeur d'eau à la poudre à canon. Il construisit une première machine très sommaire fonctionnant sous pression atmosphérique. En 1698, le concepteur mécanique anglais Thomas Savery dépose un brevet sur une pompe destinée à l'exploitation minière, fonctionnant à la vapeur, directement inspirée des travaux de Edward Somerset : il s'agirait de la première machine à vapeur qui ait réellement fonctionné, mais il s'agit bien évidemment d'une machine fixe. 

La machine conçue par le mécanicien anglais Thomas Newcomen vers 1711 est plus perfectionnée que celle de Saverys : elle utilise un cylindre contenant un piston mobile relié à un balancier qui actionne une pompe de remontée mécanique à partir de son extrémité opposée. L'exhaure des mines est la première machine à vapeur efficace faisant l'usage d'un piston, plaçant celui-ci au cœur de la première révolution industrielle.
Techniquement, le procédé de James Watt pouvait propulser aussi bien des pompes que des machines sur roues, mais le système était centré sur la basse pression. Le fardier de Cugnot avait, quant à lui, l'inconvénient de ne produire de la vapeur que sur une courte période. A la fin du XVIIIème siècle, un mécanicien de James Watt, William Murdoch, arpente les mines des Cornouailles en tant que monteur principal de moteur, responsable de l'installation, l' entretien et de la réparation des machines Boulton & Watt. Au cours de ses entretiens divers, les problèmes fréquents aux machines de Watt l'amène à les perfectionner. En 1784, quelques années après Cugnot, il inventa une voiture à vapeur. La mécanique de ce modèle incorporait un certain nombre d'innovations, comme une chaudière avec soupape de sécurité, ayant le cylindre partiellement immergé dans la chaudière et en utilisant un nouveau système de valve. La méthode de Murdoch reprenait le concept de vapeur à haute pression. Malgré cela, James Watt décréta qu'il n'y avait pas d'avenir pour de tels engins ! Sans soutien de ses patrons, Murdoch fût oublié...

C'était sans compter un ingénieur des mines du nom de Richard Trevithick, et qui travaillait aussi dans les Cornouailles, dans la mine Ding Dong à Penzance. Il (re)lança l'utilisation de la vapeur à haute pression en modifiant des machines de James Watt pour éviter de lui payer les redevances dues au brevet du condenseur séparé. En 1800, il construit une machine complète à haute pression plus puissante et plus économique que celle de Watt. Cette invention devînt rapidement très populaire dans les mines de Cornouailles et Trevithick se tourna vers la création d'une voiture à vapeur. En 1801, il présente le premier véhicule routier britannique, dénommé « London Steam Carriage », équipé de trois roues, pouvant transporter 9 passagers et propulsé à la vapeur. Il parcourt à son bord 10 milles dans les rues de Londres mais des problèmes fondamentaux concernant la direction, les suspensions et l'état des routes font que l'automobile « routière » est délaissée.

Trevithick avait donc besoin d'une surface lisse, que seuls des tramways ou chemin de fer industriels pouvaient offrir. Les wagonnets étaient exploités soit par gravité, soit par cordes ou tirés par des chevaux. Ces chemins de fer étaient privés et offraient un environnement idéal pour tester une nouvelle forme de traction. Les ferronneries de Coalbrookdale était l'endroit idéal pour construire et essayer une première locomotive ferroviaire. Un autre avantage est que ce fut probablement le premier chemin de fer à être équipés de rails de fer. En 1802, Trévithick y essaie une toute première locomotive qui fit rapidement un accident puis dû être transformée en machine fixe. C'est sur le Merthyr Tramroad que Trévithick expérimente une seconde locomotive : la « Pen-y-Darren » tracte un premier train de wagonnets avec 10 tonnes de minerais. Nous sommes le 21 février 1804. Cette fois, l'avènement du train est une réalité. 
La machine de Newcomen (par Emoscopes via wikipedia licence CC BY 2.5)
Une réplique de la « Pen-y-Darren » de Trévithick au Swansea Maritime Museum (photo Hugh Llewelyn via wikipedia CC BY 2.5)
Au milieu du XVIIIème siècle, il y a déjà une bonne centaine de machines Newcomen en Angleterre. L'ingénieur écossais James Watt, en tant que fabricant d’instruments à l’Université de Glasgow, est un jour amené à réparer une machine de Newcomen, ce qui l’amène à réfléchir à diverses améliorations, qui aboutiront à faire breveter, en 1769, la chambre de condensation séparée pour la machine à vapeur. Il crée ensuite une entreprise de construction de machines dans les environs de Birmingham. Vers 1800, près de 500 machines fixes à vapeur étaient en service en Angleterre, le pays devenant du coup la première nation industrielle du monde.

Cet épisode montre l'importance des découvertes technologiques et les bouleversements qu'elles peuvent produire. Les machines de Watt, bien qu'imparfaites, transforment radicalement les fonderies et l'exploitation des mines, basculant les secteurs du métal et du charbon de l'ère de l'artisanat à l'ère industrielle. Un choc !
En 1808, Trévithick, qui semble vouloir abandonner ses projets de locomotives, en fait circuler une à Londres sur un circuit circulaire près de Euston.

En 1813, un certain George Stephenson, ingénieur surintendant à la mine de Killingworth Colliery, persuade Lord Ravensworth que le charbonnage bénéficierait grandement de l'utilisation des locomotives à vapeur et en 1814, il fût autorisé à construire sa première locomotive. La locomotive fût testée sur le Colliery Railway Killingworth le 27 Juillet 1814 sur une section en pente de 1/450e, en tirant huit wagons chargés d'environ 30 tonnes à une vitesse de quatre miles à l'heure. Ce fut la première locomotive à utiliser des roues à boudin lisse sur rails de Jessop, démontrant que l'adhérence peut être suffisante en utilisant cette méthode. Rappelons qu'en 1820, John Birkinshaw dépose un brevet pour la création des premiers rails en fer forgé que George Stephenson va reprendre en 1821 pour son projet de ligne entre Stockton et Darlington.

Le but de l'époque est limpide : démontrer l'inutilité des chevaux et le gain en poids des trains tirés par une locomotive. Une révolution pour l'industrie minière. Stephenson en fait la démonstration en novembre 1822, à nouveau dans une mine, où une foule de gens fut témoin de locomotives tirant 17 wagons chargés, avec une moyenne de soixante-quatre tonnes, à raison de quatre miles à l'heure.

Stephenson entend parler du projet d'Edward Pease de construire une ligne de 12,9 km de Stockton à Darlington pour exploiter un riche filon de charbon. Il persuade Pease qu'une machine à vapeur pourrait tirer 50 fois la charge que les chevaux pouvaient tirer sur des rails de fer. Impressionné, Pease accepta de commander deux locomotives au prix de 600 £ chacune à l'entreprise Robert Stephenson & Co. Ces locomotives reprirent les principes éprouvés précédemment à la mine de Killingworth. Mais grande nouveauté : Stephenson envisage de transporter des voyageurs, et non plus seulement du minerais.

Nommée Locomotion, la locomotive pesait 6,25 tonnes à vide et 7,75 tonnes en charge. Locomotion a été la première locomotive livrée à la voie ferrée en septembre 1825 qui tracta son premier train de voyageurs le 27 Septembre 1825. Trois autres locomotives de cette conception suivirent : Hope en novembre 1825,  Black Diamond en Avril 1826 et Diligence en mai 1826. 

Cette fois nous y sommes. La voie ferrée et la locomotive nous offre un nouveau transport : le chemin de fer. Il va durablement bouleverser les siècles qui suivent !
Pendant ce temps en France, l'ingénieur militaire Nicolas Joseph Cugnot, en poste dans l'armée française, prend connaissance de ces nouvelles technologies de la machine à vapeur élaborée de l'autre côté de la Manche. Ses observations sur le transport et l'artillerie lourde,  où d'énormes chars roulants doivent être tirés par des chevaux servant au déplacement des canons, rend l'intendance nécessaire à l'entretien des animaux très lourde et est source de retard et de lenteur. Cugnot songea à une solution visant à remplacer cette traction hippomobile. Il se retira de l'armée en 1763 et construisit un fardier avec l'appui du secrétaire d'État de la Guerre de l'époque. En octobre 1769, son prototype entame ses premiers essais. Il n'est pas exagéré de dire qu'il s'agit là du premier véhicule automobile terrestre.
Le second fardier de Cugnot exposé en 1901 au Musée des Arts et Métiers (domaine public via wikipedia licence )