Généralités sur la Physique
Chaudière, Machines à Vapeur, 4e et 3e Classes 1954
Afin de comprendre les principes qui en assurent le fonctionnement des machines à vapeur, il est absolument nécessaire de connaître certaines définitions qui relèvent de la Physique et de bien saisir la portée de quelques termes comme force, puissance, énergie, chaleur, vitesse et accélération.
Trop souvent, ces mots sont employés inconsidérément. Dans notre section traitant de "La Mécanique Appliquée" nous définissons le sens complet de force, travail et puissance. Pour les besoins de la présente section, nous nous limiterons aux explications qui vont suivre.
MASSE ET INERTIE
Imaginez qu'une «balle molle» et un boulet de 16 livres sont placés côte à côte sur le plancher d'une salle de jeu. Vous voulez les faire rouler jusqu'à l'autre extrémité de la salle.
Après avoir avancé de quelques pas, vous n'hésiteriez pas à donner un solide coup de pied à la balle molle pour l'envoyer rouler tout le long du parquet.
Cependant, vous y penseriez à deux fois avant de faire la même chose au boulet de 16 livres. C'est que, par expérience, vous savez qu'un boulet de 16 livres est beaucoup plus difficile à mettre en mouvement qu'une balle molle.
En toute probabilité, afin de ménager votre pied, vous lanceriez le boulet en vous servant de vos mains après l'avoir ramassé sur le plancher.
Supposez maintenant qu'un de vos copains se trouve placé en face de vous à l'autre extrémité de la salle.
Voyant venir la «balle molle» que vous avez poussée du pied, il n'hésitera pas, à son tour, à s'avancer le pied afin d'arrêter la balle.
Mais s'il voit rouler le boulet vers lui à la même vitesse, il bondira probablement de côté pour la bonne raison qu'il sait qu'un boulet de ce poids ne s'arrête pas aussi facilement qu'une «balle molle».
Malgré que la «balle molle» et le boulet soient d'un diamètre presque semblable, vous admettrez qu'ils diffèrent passablement l'un de l'autre sous plusieurs rapports.
La balle est surtout faite de coton pressé et de cuir, tandis que l'autre est de fonte. La première chose à laquelle vous songez, c'est que le boulet est beaucoup plus lourd que la balle.
Mais le poids n'a qu'une importance relative, du moment que vous n'avez pas à lever les objets ; dans l'exemple que nous venons de donner, tout se passe sur une surface plane, de sorte que la pesanteur importe peu.
Entre ces deux objets, ce sont la masse et l'inertie qui constituent les différences réelles et de la plus grande importance.
La masse est la mesure des substances formant un objet ; l'inertie est la mesure de la résistance qu'offre un objet à toute modification de son mouvement. Plus grande est la masse, plus grande aussi est l'inertie.
Vous ne seriez nullement blessé en recevant sur la tête un soufflé à la crème lancé avec force ; mais un caillou de la même grosseur, lancé à la même vitesse, vous occasionnerait probablement une fracture du crâne.
C'est la masse et l'inertie plus grandes du caillou qui font toute la différence.
Dans une chambre aux machines (engine room), on trouve une excellente application de cette loi de la masse et de l'inertie dans l'emploi du volant (flywheel) communément appelé roue d'erre.
La roue d'erre accomplit son rôle non pas à cause de son poids, mais parce qu'une fois en mouvement elle a tendance à continuer de tourner. Possédant une grande masse, son inertie est forte.
Ainsi, assure-t-elle à l'«engin» une rotation soutenue.
POIDS ET DENSITÉS
Les objets ont un poids parce qu'ils sont attirés vers la terre — en d'autres termes, la terre exerce une attraction sur tous les objets qui sont ainsi soumis aux lois de la gravité. Le poids d'un objet est par conséquent déterminé par la force d'attraction qui cherche sans cesse à le ramener vers la terre.
Si le boulet de fonte est plus lourd que la «balle molle», c'est qu'il est plus fortement attiré vers le sol, précisément à cause de sa masse plus grande. Ce n'est donc pas tant une question de grosseur, mais plutôt une question de masse.
Un petit morceau de plomb pèse autant qu'un oreiller énormément plus gros.
Si le plomb et l'oreiller pèsent le même poids, leurs masses seront identiques. Mais si vous prenez une tasse de plomb et une tasse de plume, vous constaterez que le plomb est beaucoup plus lourd. Ceci nous amène à définir ce qu'on entend par densité: c'est le poids d'une substance par unité de volume.
Les unités de volume normalement utilisées sont le pouce cube et le pied cube.
En pesant un pied cube des substances suivantes, vous obtiendrez les poids (ou densités) que voici :
Air........................
0.08 livres
Liège...................... 12.9 "
Eau.......................
62.4 "
Fer........................ 491.1 "
Plomb.....................
707.6 "
Or........................ 1204.3 "
FORCE ET ACCÉLÉRATION
En parlant de. la pesanteur nous avons mentionné la force d'attraction (gravitational force). La pesanteur est une force exercée par la gravité, c'est-à-dire par l'attraction de la terre.
Il existe plusieurs autres sortes de force — toute poussée ou traction exercée sur un objet ou par un objet est une force. Lorsque des forces agissent sur des machines ou organes de machines, elles occasionnent des changements dans le mouvement des organes sur lesquels elles agissent.
Lorsqu'un moteur à gazoline est arrêté et que vous essayez de le mettre en marche à la manivelle, il s'ensuit un changement dans le mouvement de l'arbre coudé, des bielles, pistons, arbre à cames et soupapes — enfin de tous les organes dépendant de l'arbre coudé (crank-shaft).
La force appliquée particulièrement par la manivelle est une force de torsion appelée couple ou moment de torsion (torque).
Le couple tend à provoquer une
rotation, autrement dit, à faire tourner l'objet contre lequel il s'applique.
Tout changement de mouvement est appelé accélération. L'accélération est
positive si la vitesse du corps est augmentée ; elle est négative si la vitesse
est diminuée.
Veut-on dire par là que si un objet bouge plus lentement il accélère?
Scientifiquement parlant oui, mais en langage courant, accélération veut dire augmentation de vitesse ou de mouvement, et le mot qui désigne une diminution de vitesse ou de mouvement est ralentissement (décélération).
Il n'en reste pas moins que dans la langue employée par les techniciens, un changement de mouvement est toujours identifié par le mot accélération — négative s'il y a ralentissement, positive s'il y a augmentation de vitesse ou de mouvement.
La force et l'accélération vont toujours de pair.
Si vous lancez une balle en l'air, vous appliquez à cette balle une force qui l'accélère positivement tant qu'elle n'a pas quitté votre main.
À mesure que la balle s'élève, la force d'attraction l'attire vers la terre, exerçant de ce fait sur la balle une accélération négative tant que sa vitesse n'a pas été réduite à zéro. La balle commence alors à tomber vers la terre sous l'effet de l'accélération positive par suite de l'attraction résultant de la gravité.
Dans un moteur à combustion interne, l'allumage des gaz que contient le cylindre dégage une force considérable qui exerce contre les parois et la tête du cylindre, de même que sur le piston, une grande pression (fig. 1).
Fig. 1.— Accélération d'un piston de moteur à combustion interne.
Étant libre de se mouvoir, le piston est alors repoussé vers le bas en prenant une forte accélération.
Comme le piston est relié par sa bielle à l'arbre coudé faisant office de manivelle, son accélération se transmet ainsi à la charge.
De la même manière, la force primaire des gaz comprimés dans le cylindre se trouve à servir pour accélérer tous les organes mobiles du moteur.
De nombreuses forces s'opposent à l'action de la force primaire émanant du cylindre et offrent une résistance à celle-ci.
Ce sont: la friction des différents organes du moteur, la résistance opposée par l'air au trajet du véhicule ou par l'eau au navire que fait mouvoir le moteur, etc.
Ces frictions tendent à ramener à zéro la vitesse des organes mis en action par le moteur, de sorte que de nouvelles forces doivent être constamment appliquées aux pistons pour en maintenir l'accélération.
La vitesse à laquelle avance une voiture mue par le moteur est le produit net de l'accélération positive provenant des cylindres du moteur et des résistances de toutes sortes résultant de la friction.
Si la force produite dans les cylindres est supérieure à la résistance qu'elle doit neutraliser, le mécanisme gagne en vitesse; par contre, lorsque les résistances prennent le dessus, le mécanisme ralentit.
VITESSE ET ACCÉLÉRATION
On appelle vitesse l'espace parcouru par un objet mobile par unité de temps.
Vous saisissez très bien ce qu'on entend par l'expression «milles à l'heure» que l'on emploie en parlant des autos, des trains et des avions. Mais d'autres unités de temps peuvent aussi servir; on parle couramment de «pieds par seconde», de «mille par minute», de «mille par seconde».
Ainsi, la vitesse d'une balle de fusil peut atteindre 2500 pieds par seconde ; à l'équateur, la vitesse de rotation de la terre atteint 17.3 milles par minute et la lumière voyage à la vitesse de 186000 milles à la seconde.
Pour calculer la vitesse, il
faut connaître à la fois la distance parcourue et le temps du trajet.
Vitesse = Distance / Temps
Ainsi, lorsqu'un avion parcourt 570 milles en 2½ heures, sa vitesse moyenne est de:
570 milles / 2.5 heures = 228 milles par heure
La vitesse des moteurs est habituellement donnée en tours par minute (tpm).
Dans ce cas, on ne parle plus de la distance parcourue parce que l'arbre du moteur ou son volant ne se dirigent nulle part par eux-mêmes.
Connaissant la circonférence d'une roue qui tourne, on peut facilement calculer la vitesse d'un point repéré sur la surface externe de cette roue si l'on sait quel nombre de tours elle accomplit par minute. Une roue dont la circonférence est 24 pouces et qui tourne à raison de 500 tpm parcourt à sa périphérie 12,000 pouces ou 1,000 pieds par minute.
Le terme accélération est souvent employé à tort pour désigner à peu près la même chose que vitesse. L'accélération, en fait, est un régime de variation de vitesse.
Si la vitesse d'une automobile passe de 10 à 30 milles par heure en une minute, l'accélération est de 20 milles par heure par minute.
Par ailleurs, si le changement de vitesse s'accomplit en cinq minutes, l'accélération ne sera plus que de quatre milles par heure par minute — autrement dit, durant chacune des cinq minutes, la vitesse s'accroîtra à la cadence de quatre milles par heure ce qui, au total donnera 5x4= 20 milles par heures.
LE TRAVAIL
Les moteurs de toutes sortes tirent leur importance du fait qu'ils peuvent accomplir du travail. De par sa définition même, le travail est le produit d'une force et de la distance.
En d'autres termes, un travail a lieu lorsqu'une force, étant appliquée à un objet, provoque le déplacement de cet objet dans la direction de la force et l'entraîne sur une certaine distance.
Pour mesurer le travail, on a adopté l'unité pied/livre, les deux éléments de cette unité étant la livre de force et le pied de distance.
Une livre de force équivaut au pouvoir d'attraction d'une masse pesant une livre à la surface de la terre.
Si vous élevez un poids d'une livre à partir du sol jusqu'à une hauteur d'un pied, vous déployez une livre de force sur une distance d'un pied — et vous accomplissez un travail d'un pied/livre par le fait même.
Une force de 100 livres est nécessaire pour lever une enclume de 100 livres — si vous la déposez sur un établi haut de 30 pouces (2½ pieds), vous aurez accompli un travail de 2½ pieds x 100 livres = 250 pieds/livres.
Supposons maintenant que vous vouliez transporter la même enclume à un endroit quelconque de la boutique sans la lever, c'est-à-dire en le faisant glisser sur le plancher. Il vous faudra dépenser passablement d'énergie — mettons 60 livres — pour la déplacer.
Si vous la poussez à 10 pieds de son point de départ, vous aurez accompli un travail de 600 pieds/livres.
Ici, la force de 60 livres est employée à vaincre la résistance offerte par la friction de l'enclume sur le plancher.
Dans tout engin ou appareil mécanique, une quantité considérable du travail doit être employée à vaincre les nombreuses résistances que la friction oppose au mouvement des divers organes.
PUISSANCE
Par définition, la puissance est le régime auquel s'accomplit le travail; c'est la force qui, appliquée à une machine, produit un effet.
Un journalier, utilisant un oiseau de maçon, peut transporter toute la brique d'un immense édifice à condition qu'on lui en donne le temps. Par contre, un moteur attelé à un monte-charge accomplira le même travail en beaucoup moins de temps.
Puissance = Travail / Temps
En faisant les calculs relatifs à la puissance, on cherche d'abord le travail à accomplir en pieds/livres, puis le temps requis pour l'accomplir — soit en secondes, soit en minutes.
Par exemple, si vous levez l'enclume de 100 livres à une hauteur de 2½ pieds en une seconde, vous aurez accompli le travail au régime de 250 pieds/livres par seconde.
L'unité de puissance la plus communément employée est le horse power.
Un H.P. est l'équivalent de 550 pieds/livres par seconde ou 33,000 pieds/livres par minute. Le Horse-Power correspond à 1.014 Chevaux-Vapeur métriques, mais dans la pratique, un H.P., un C.V. et une force veulent dire la même chose au Canada.
En levant l'enclume à raison de 250 pieds/livres par seconde, vous avez développé:
250 / 550 soit 0.454 H.P.
Voici un autre problème. Une grue mécanique (crâne) élève un fardeau de 2,000 livres à une hauteur de 30 pieds en 5 secondes. Combien a-t-elle dépensé de H.P. ?
Puissance = travail / temps = 2000 lbs x 30 pieds / 5 secondes = 12000 pieds/livres par sec.
H.P. = 12,000 pieds/livres par seconde / 550 pieds/livres par seconde = 21.8
Voici un exemple pratique où, connaissant le nombre de H.P. d'une machine, vous voulez déterminer la somme de travail qu'elle accomplit: un moteur à gazoline développe 60 H.P. à sa capacité de régime.
Ceci veut dire qu'il peut accomplir 60 x 33000 = 1980000 pieds/-livres de travail par minute.
ÉNERGIE
Lorsqu'on parle de moteurs et de machines, il est très important d'avoir une idée exacte de ce qu'on entend par énergie.
Pour acquérir une connaissance vraiment pratique des moteurs de toutes sortes, il vous faut savoir exactement ce qu'est l'énergie motrice et comprendre quelles sont ses relations avec le travail, la puissance, la force et l'accélération.
Les moteurs à vapeur et à gazoline utilisent l'énergie produite par la combustion d'un combustible ; ils transforment cette énergie en travail. Pour en venir là, l'énergie emmagasinée dans le combustible doit passer par plusieurs transformations ou stages.
Avant de brûler, le combustible possède une énergie potentielle ou latente ; c'est une force non utilisée. Lorsque le combustible brûle, cette énergie se dégage et produit de la chaleur.
La chaleur peut être appliquée à une chaudière à vapeur et mettre ainsi en mouvement le piston d'une machines à vapeur ou les couronnes d'une turbine à vapeur ; elle peut aussi résulter de la combustion d'une essence qui mettra en mouvement le piston d'un moteur à gazoline.
Dans l'un ou l'autre de ces procédés, l'énergie que dégage la chaleur se transforme en mouvement.
Le moteur — quel qu'il soit — n'est qu'un mécanisme ingénieusement disposé en vue d'utiliser l'énergie latente du combustible pour accomplir un travail grâce à un enchaînement d'échanges — énergie latente = énergie calorique = énergie mécanique = travail.
Les moteurs et autres engins mécaniques ont pour but d'accomplir du travail, et l'énergie est la capacité d'accomplir du travail.
FORMES DE L'ÉNERGIE
II existe quatre importantes sources d'énergie: l'énergie chimique, l'électricité, la chaleur et l'énergie mécanique.
Cette dernière est celle qui accomplit directement du travail ; les autres doivent d'abord être converties en énergie mécanique pour pouvoir accomplir du travail.
L'énergie chimique est celle qui se trouve emmagasinée dans divers combustibles ainsi que dans les piles et batteries d'accumulateurs.
L'énergie chimique du combustible se transforme en énergie calorique lorsque le combustible est brûlé.
L'énergie chimique d'un accumulateur se transforme en énergie électrique du moment que les pôles de la batterie sont mis en contact au moyen d'un fil conducteur.
L'énergie calorique que contiennent les combustibles liquides comme la gazoline et le gaz-oil se transforme directement en énergie mécanique dans les moteurs à essence et Diésel. À son tour, cette énergie mécanique sert à accomplir du travail.
Il existe deux sortes d'énergie mécanique: il y a d'abord l'énergie cinétique, ou l'énergie du mouvement, et l'énergie potentielle ou l'énergie que possède un corps capable de fournir un travail extérieur — par exemple un ressort tendu.
Du fait que l'énergie mécanique peut être directement convertie en travail, elle se mesure en unités de travail, c'est-à-dire en pieds/livres.
Ainsi, lorsqu'on élève de 10 pieds un poids de 10 livres, on a produit 100 pieds/livres de travail.
Si ce poids reste suspendu à une hauteur de 10 pieds, il possède 100 pieds/livres d'énergie potentielle.
Mais si on laisse tomber ce poids, dès qu'il touche le sol toute son énergie potentielle devient de l'énergie cinétique.
En admettant par ailleurs que ce même poids de 100 livres soit relié par un câble à un mécanisme dans lequel n'existerait aucune friction, il produirait, en descendant, l'équivalent de 100 pieds/livres de travail.
Cependant, dans tout mécanisme il faut tenir compte de la friction. L'énergie dépensée à vaincre cette friction se convertit en énergie calorique et se perd. Il s'ensuit que le travail réellement obtenu est toujours moindre que l'énergie mécanique appliquée à un mécanisme quelconque.
LES PRESSIONS
La pression est précisément ce qui permet à une machine à vapeur et à un moteur à explosion d'accomplir leur travail. La force motrice de ces engins est le résultat de la pression exercée contre leur piston.
En outre, ce sont les pressions qui permettent aux gaz, à l'huile et à l'eau de refroidissement de circuler à travers un moteur.
On mesure habituellement les pressions en livres par pouce carré selon l'équation:
Pression = force en livres / surface en pouces carrés
Le produit donne la pression par pouce carré qui s'abrège en français par lpc et en anglais par psi (per square inch). Il faut parfaitement saisir la distinction entre l'unité de pression et la pression totale qui s'exerce contre la surface entière.
Supposons qu'un moteur Diésel ait un diamètre ou alésage (cylinder bore) de 4½ pouces et une compression de 500 psi.
Ceci veut dire qu'une force de 500 livres s'exerce contre chaque pouce carré des parois du cylindre, de la tête du cylindre, de la tête du piston et de la chambre de combustion.
La force qui sert à faire mouvoir le piston est la force totale appliquée contre la tête du piston. Pour déterminer cette force, il vous faut d'abord trouver la surface de ladite tête d'après la formule ( πr²).
Le rayon étant la moitié du diamètre, la surface sera:
3.1416 x (4.5/2)² = 3.1416 x 5.0625 = 15.9 pouces carrés
La force totale appliquée contre la tête du piston sera donc de 500 psi x 15.9 pouces carrés, ou 7,950 livres.
Voici un autre exemple de ce qu'est la pression comparée à la force totale.
Le plongeur d'une pompe à injection de carburant a un diamètre de ½ pouce et l'injection se produit sous une pression de 5,000 psi. L'extrémité du plongeur a une surface de seulement 0.196 de pouce.
πr² = 3.1416 x (0.5/2)² = 0.196 pouce carré.
Dans ce cas, la force totale qui s'exercera contre l'extrémité du plongeur sera de 5000 psi x 0.196 de pouce carré, soit 980 livres.
PRESSION HYDRAULIQUE
Tout fluide renfermé (liquide ou gaz), soumis à une pression, tend à transmettre cette même pression uniformément à l'extérieur ; la pression est également la même dans la totalité du fluide.
En réalité, le poids du fluide augmente légèrement la pression aux niveaux inférieurs du contenant, mais la différence y est tellement infime qu'on n'en tient habituellement pas compte.
L'élément fondamental de l'hydraulique repose sur le principe de Pascal qui s'énonce en somme comme suit:
«La pression qui s'exerce en quel qu'endroit que ce soit sur un contenant fermé se transmet intégralement à toutes les parties du liquide qu'il contient et agit avec une force égale sur les surfaces internes des parois du contenant».
En d'autres termes, si l'on augmente la pression à un point quelconque d'un système rempli d'un fluide on accroît la pression dans une proportion équivalente à tous les autres les points du système.
L'une des meilleures applications du principe de Pascal est le vérin hydraulique (hydraulic jack) que tout le monde connaît pouf l'avoir vu fonctionner dans les garages.
Dans cet appareil, une pression d'à peine 100 psi suffit à élever une auto pesant jusqu'à 3500 lbs ou plus. Il y a rien de magique dans cet .appareil qui ne fait que tirer parti d'un avantage mécanique.
La fig. 2 illustre bien, sous une forme schématisée, le fonctionnement du vérin hydraulique. Sous une pression de 100 psi, l'air pénètre dans le cylindre A dont le diamètre est de un pouce.
Fig. 2.— Principe du vérin hydraulique
La force totale appliquée à ce piston n'est que de 78.5 lbs. Voici comment s'effectue ce calcul :
πr² = 3.1416 x (1/2")² = 0.785 pouces carrés.
Force = Pression x Surface. 100 psi x 0.785 = 78.5 lbs.
Ce qu'il importe de retenir, cependant, c'est que la pression de 100 psi s'exerce contre chaque pouce carré du contenant. Le gros cylindre B a un diamètre de 10 pouces et possède un piston mobile.
La pression qui s'exerce contre ce piston est toujours de 100 psi, mais elle produit une force totale de 7850 livres.
πr² = 3.1416 x (5")² = 78.5 pouces carrés.
78.5 pouces carrés x 100 psi = 7850 livres.
Une pression relativement faible peut exercer une grande force contre une surface de grande dimension ; si cette surface est mobile et agencée de manière à produire du travail — comme par exemple un piston — on peut obtenir une somme considérable de travail utile avec une pression peu considérable.
Dans le même ordre d'idées, une force relativement faible appliquée sur une petite surface, peut exercer une pression comparativement très forte.
C'est le cas des injecteurs de moteurs Diésel où une force de 980 livres, appliquée contre une surface de seulement 0.196 de pouce, donne une pression interne de 5000 psi.
PRESSIONS D'AIR
L'air a un poids. Au niveau de la mer, sa densité est d'environ 0.08 de livre par pied cube. Ceci revient à dire qu'au niveau de la mer, l'air est attiré vers le sol par la gravité avec une force de 0.08 de livre.
Si l'on divise .08 par 144 (nombre de pouces carrés dans un pied carré) on obtient 0.000555 psi.
Ce chiffre peut paraître insignifiant, mais il ne faut pas oublier que l'air s'élève à plusieurs milles au-dessus du niveau du sol et que l'attraction terrestre s'exerce sur toute la hauteur de cette colonne.
Il s'ensuit qu'au niveau de la mer, le poids de l'air exerce une force de 14.7 livres au pouce carré (psi) — c'est la soi-disant pression atmosphérique normale.
L'atmosphère est plus dense au niveau de la mer; elle l'est de moins en moins à mesure qu'on s'élève aU-dessus de ce niveau. Aux altitudes supérieures au niveau de la mer, la pression atmosphérique est toujours moindre que 14.7 psi.
Pourquoi ? Parce que l'air y est moins dense — et aussi parce qu'au-dessus du niveau de la mer la colonne d'air n'est pas aussi haute.
PRESSION ATMOSPHÉRIQUE
On mesure la pression atmosphérique à l'aide du baromètre, dont il existe deux variétés: le baromètre à colonne de mercure et le baromètre anéroïde.
La pression atmosphérique normale (14.7 psi) s'inscrit sur le baromètre à colonne de mercure à 29.9 pouces de mercure. Toute pression inférieure à 14.7 psi (ou à 29.9 pouces de mercure) est appelée pression sous-atmosphérique (vacuum pressure).
Un vide parfait indiquerait une pression sous-atmosphérique de zéro, mais c'est là une prouesse qui n'a encore jamais été réalisée. Tout vide qui s'avère moindre que le vide parfait est appelé vide partiel. Le vide se mesure en psi sous 14.7 ou en pouces de mercure sous 29.9
Chaque fois que vous absorbez une liqueur à même la bouteille en vous servant d'une paille, vous faites agir la pression sous-atmosphérique.
Peut-être n'avez-vous jamais songé au principe scientifique ainsi appliqué ?
Il n'en reste pas moins que par les muscles de votre bouche, vous créez un vide partiel dans la paille, c'est-à-dire une pression sous-atmosphérique. La pression normale de l'air s'exerçant sur le sommet du liquide contenu dans la bouteille pousse celui-ci dans la paille.
Le même principe est appliqué dans les pompes aspirantes, dans les carburateurs de moteurs à gazoline, dans les injecteurs de chaudières à vapeur, etc.
Dans chaque cas, une force mécanique ou autre est employée afin de créer un vide partiel et le fluide à déplacer est mis en mouvement par la force de la pression atmosphérique.
LES MANOMÈTRES
Dans une chambre aux machines et partout où sont requis les services d'un mécanicien de machines fixes, de nombreux échelons de pression se rencontrent à partir des pressions sous-atmosphériques jusqu'à celles qui atteignent parfois 1,000 livres au pouce carré.
Dans la plupart des cas, ces pressions doivent être contrôlées et mesurées.
À cette fin on a conçu des appareils spéciaux de mesure qui portent le nom de manomètres (pressure gauges). Tous ou à peu près sont du type à tube Bourdon.
Pour les pressions sous-atmosphériques et toutes celles qui ne doivent pas excéder 100 livres au pouce carré, on utilise des manomètres à tube unique en bronze ; pour les pressions allant de 100 à 650 livres au pouce carré, on utilise des manomètres à double-tube en bronze, tandis que pour les pressions dépassant 650 livres au pouce carré les manomètres utilisent des tubes simples en acier, très résistants.
Avant d'entreprendre l'étude des principes de mécanique mis en application dans les manomètres, disons un mot des précautions dont ils doivent être l'objet.
Les manomètres sont des instruments de précision et ils doivent être traités avec ménagement si l'on veut éviter de les endommager. Un manomètre détérioré parce qu'il a été manié sans précaution ou parce qu'on l'a forcé au-delà de sa capacité donnera une lecture inexacte et peut entraîner des conséquences très graves.
Notre figure 3 fait voir le mécanisme interne, représenté sous une forme très simple, d'un manomètre à tube Bourdon.
Fig. 3.— Mécanisme d'un manomètre à double tube Bourdon.
La tige filetée qui se trouve à la partie inférieure du manomètre se visse au réservoir, au cylindre ou à un tube contenant le fluide sous pression.
Le fluide pénètre dans les deux tubes Bourdon recourbés en forme de fer à cheval au point où ils sont raccordés au T qui forme le sommet de la tige filetée. L'autre extrémité de chaque tube se trouve scellée. Ces tubes sont de forme aplatie.
La pression du fluide confiné dans les tubes tend à les faire passer de la forme plate à la forme circulaire, ce qui a pour résultat de leur donner une tendance à se redresser dans le sens de leur longueur.
Les extrémités scellées de chaque tube sont raccordées à un mécanisme, fait d'articulations et de leviers, (ABCDE) qui actionne un secteur à engrenages (F).
Du moment que les tubes se raidissent, les leviers font mouvoir le secteur à engrenages directement engagé sur la roue dentée actionnant l'aiguille du manomètre, qui tourne alors dans le sens des aiguilles d'une montre. Lorsque la pression diminue, les tubes ont tendance à revenir à leur forme normale et l'aiguille tourne en sens inverse.
Les manomètres à vapeur doivent être munis d'un siphon en cor de chasse (coil siphon) de manière que la vapeur ne pénètre jamais dans les tubes Bourdon, qu'elle endommagerait à cause de la trop grande chaleur qu'elle dégage.
Grâce à un siphon en cor de chasse disposé comme le fait voir notre figure 4, les tubes du manomètre se trouvent constamment remplis d'eau et la vapeur ne va jamais au-delà du siphon.
Fig. 4.— Manomètre de vapeur
Le manomètre que nous montre la figure 4 peut mesurer les pressions allant de 0 à 300 livres au pouce carré.
La plupart des manomètres sont ainsi gradués pour mesurer les pressions qui excèdent la pression atmosphérique, de sorte que zéro sur leur cadran représente une pression absolue de 14.7 livres au pouce carré.
Sur certains cadrans, toutefois, on trouve, en plus de la graduation en livres par pouce carré, une deuxième échelle de graduations en «atmosphères», soit en multiples de 14.7 psi.
Notre figure 5 fait voir un manomètre à double fin (compound gauge) où zéro indique la pression atmosphérique. Les pressions supérieures à zéro sont indiquées en livres par pouce carré et les pressions sous-atmosphériques en pouces de mercure.
Fig. 5.— Manomètre à double fin
En faisant la lecture du cadran (de 0 à 30 dans le sens contraire au mouvement des aiguilles d'une montre) il ne faut pas oublier qu'une lecture de 10 pouces de mercure, par exemple, indique simplement une pression inférieure de 10 pouces à la pression atmosphérique actuelle.
En fait, cette pression atmosphérique n'est jamais la même de sorte que pour trouver la véritable pression sous-atmosphérique, il faut soustraire 10 pouces de la lecture du baromètre.
LA CHALEUR
Tout ce qui existe sur la surface du globe renferme de la chaleur — même les cubes de glace du réfrigérateur et la glace sèche ou anhydride carbonique solidifié. Certains objets contiennent beaucoup plus d'énergie calorique que d'autres.
L'énergie calorique d'un corps peut se communiquer à des objets qui en possèdent moins — c'est-à-dire qui sont plus froids.
Vous savez sans doute que le transfert de la chaleur d'un objet à un autre ne s'accomplit qu'à sens unique — soit de l'objet le plus chaud à l'objet le plus froid. La chaleur ne circule qu'en «décroissant».
Voyons maintenant ce qui différencie la température de la chaleur.
La température d'un objet n'est que la mesure de la chaleur ou du froid qu'il porte en lui-même ; ainsi, la chaleur du corps humain constitue une propriété interne de ce corps vivant.
Si l'on applique une certaine somme de chaleur à un objet, sa température tend à monter ; si, par contre, on soustrait de la chaleur à ce même objet, sa température aura tendance à fléchir, c'est-à-dire à diminuer.
Le seul cas où aucun changement de température ne se produit, lorsque la chaleur est transférée à une substance ou en est soustraite, c'est pendant que s'effectue le passage de cette substance de l'état solide à l'état liquide ou de l'état liquide à l'état gazeux — ou vice-versa.
Ces cas spéciaux seront envisagés tout à l'heure lorsqu'il sera question de la chaleur latente.
ÉCHELLES DE TEMPÉRATURE
Les thermomètres
Les températures se mesurent habituellement à l'aide de l'échelle Fahrenheit — quelquefois, mais plus rarement, en utilisant l'échelle Centigrade ou centésimale.
Pour toutes fins pratiques au Canada comme aux États-Unis, l'échelle Fahrenheit est employée à l'exclusion de toute autre.
Fig. 6.—Échelle des températures en degrés Fahrenheit et Centigrade
UNITÉS DE CHALEUR
Nous avons vu que les changements de température que subit un objet résultent de ce qu'il reçoit ou de ce qu'il perd une certaine somme d'énergie calorique. Pour faire monter la température de l'eau contenue dans un vase, vous le chauffez.
Cette opération toute banale en soi nous procure le moyen de déterminer une unité de mesure pour l'énergie calorique.
L'unité reconnue maintenant dans tous les domaines est la BTU — abréviation de British Thermal Unit. Une BTU est la quantité de chaleur requise pour augmenter de 1° Fahrenheit la température d'une livre d'eau.
Voici comment on peut appliquer ce principe :
Admettons que l'on veuille savoir quelle quantité de chaleur est nécessaire pour porter de 40° à 100° F. la température de 200 livres d'eau.
Le changement que l'on veut obtenir est de 60 degrés — il s'ensuit que la quantité de chaleur qui assurera cette augmentation de température sera de 60 x 200 = 12000 BTU.
Si la même quantité d'eau devait être refroidie de 100° à 40° F. il faudrait alors soustraire 12000 BTU de l'eau.
Les combustibles, en brûlant, dégagent de la chaleur.
Chaque sorte de combustible produit une quantité à peu près constante de chaleur par livre qui en est consumée.
Le tableau suivant fait voir le rendement en BTU par livre des combustibles les plus couramment employés :
Du fait que les moteurs thermiques servent à convertir en travail l'énergie calorique des combustibles, il doit y avoir un moyen de mesurer quelle somme de travail peut produire une quantité donnée d'énergie calorique.
On a trouvé, en effet, qu'une BTU correspond à 778 pieds/livres de travail. Ceci revient à dire que si TOUTE l'énergie calorique résultant de la combustion d'une livre de mazout pouvait être convertie en travail, on en tirerait:
778 x 18900, soit 14700000 pieds/livres de travail.
Dans la pratique, cependant, une grande quantité de l'énergie calorique est perdue à réchauffer les parois de la chaudière et les organes du moteur, tandis qu'une autre quantité se perd dans l'échappement du moteur (exhaust), par la friction des organes mobiles et par les radiations.
Les moteurs les plus perfectionnés ne peuvent guère convertir plus de 33 pour cent de l'énergie calorique disponible en travail utile.
Vous venez de voir comment l'énergie calorique peut être convertie en travail. Il ne faut pas oublier que l'inverse est aussi possible — c'est-à-dire que le travail peut être converti en chaleur.
Ce dernier principe s'applique dans le système d'allumage des moteurs Diésel et dans les appareils de réfrigération.
Dans un moteur Diésel, l'air est fortement comprimé dans le cylindre. L'énergie résultant du travail est absorbée par l'air qui s'échauffe à tel point que le carburant en est enflammé, tandis que le reste de cette énergie produite par le travail reste emmagasiné dans le gaz comprimé à titre d'énergie mécanique potentielle et se transforme de nouveau en énergie cinétique au moment où l'expansion des gaz anime le piston.
Dans les appareils de réfrigération, lorsque le réfrigérant est comprimé, la chaleur qu'il contient est rejetée hors du système dans l'atmosphère. En reprenant son expansion, le réfrigérant devient plus froid qu'auparavant.
Fig. 7. Diagramme illustrant ce qu'est la chaleur latente de vaporisation et ses relations avec les autres propriétés de l'eau soumise à diverses températures
Ce réfrigérant refroidi se dirige alors vers les serpentins de l'appareil et absorbe la chaleur des produits à refroidir.
CHALEURS LATENTES
Supposons qu'étant en possession d'un seau de glace concassée, vous le fassiez chauffer lentement.
Pendant tout le temps que la glace fondra, elle absorbera de la chaleur, mais un thermomètre permettra de constater que le mélange d'eau et de glace ne dépassera pas la température de 32° F tant que la glace n'aura pas entièrement fondu.
Ceci démontre que simplement pour faire fondre la glace il y a dépense de chaleur sans changement aucun de température. La chaleur requise pour fondre la glace s'appelle «chaleur latente de fusion». Pour l'eau elle exige 144 BTU par livre.
Inversement, lorsqu'on enlève de la chaleur à l'eau, chaque livre de celle-ci abandonne une BTU pour chaque degré que la température s'abaisse, et ceci jusqu'à 32° F. À ce point, cependant, chaque livre d'eau abandonnera 144 BTU pendant qu'elle se congèlera.
Si l'eau que contient le récipient est chauffée à une température supérieure à 32°F., chaque livre de cette eau absorbera une BTU pour chaque degré d'élévation de la température jusqu'à ce que celle-ci atteigne 212°F. (au niveau de la mer).
À ce point, l'eau bout — elle passe de l'état de liquide à l'état de vapeur tant qu'on continue à la chauffer, mais sa température demeure la même.
Toute la chaleur qu'on lui consacre à partir de 212° sert à transformer l'eau en vapeur — c'est la chaleur latente d'évaporation et elle absorbe 970 BTU par livre d'eau. Dans le cas inverse, c'est-à-dire lorsqu'une livre de vapeur est condensée et redevient de l'eau, elle abandonne 970 BTU.
CHALEURS SPÉCIFIQUES
Nous venons de voir que l'eau requiert une quantité de chaleur constante pour que sa température change d'un degré. Cette quantité constante de chaleur est de une BTU par livre par degré Fahrenheit (1 BTU/lb./°F.).
C'est ce qu'on appelle la chaleur spécifique de l'eau.
Chaque substance a sa propre chaleur spécifique qui, pour toutes les autres substances, est inférieure à celle de l'eau. Ceci revient à dire que toute substance autre que l'eau requerra moins d'une BTU pour que sa température se modifie de 1°F.
Le tableau ci-dessous donne les chaleurs spécifiques de quelques-unes des substances les plus connues.
On peut se rendre compte en consultant ce tableau que la chaleur spécifique de l'acier est de seulement 0.10 BTU/lb/°F. Il s'ensuit que pour élever la température de 12 livres d'acier de 50° à 200°F il ne faudra que: 12 lbs x 0.10 x (200—50), soit 180 BTU.
LES TACHOMÈTRES
En plus d'une connaissance pratique des pressions et des températures sous lesquelles fonctionne un moteur thermique, il est également important d'avoir une idée de ce qu'on entend par vitesse.
Un instrument appelé tachomètre (prononcez ta-ko-mètre) sert à mesurer le nombre de tours accomplis en une minute par un axe quelconque.
La fig. 8a fait voir un tachomètre à lecture directe. Pour s'en servir, la pointe conique, recouverte de caoutchouc, que comporte l'instrument, est insérée dans le centre de l'arbre dont on veut mesurer la rotation.
Fig. 8.— Deux modèles de tachomètres, instruments qui servent à compter les tours
La tige à pointe de caoutchouc se met alors à tourner à la même vitesse que l'arbre et permet à l'aiguille d'indiquer sur le cadran du tachomètre sa vitesse de rotation.
Chaque graduation du cadran représente une augmentation de vitesse de 50 tours par minute (tpm). Plusieurs moteurs sont pourvus d'un tachomètre permanent monté sur le tableau des contrôles. (Fig. 8b).
Tous les tachomètres manuels doivent être appliqués contre l'arbre du moteur de manière à se trouver parfaitement en ligne avec celui-ci. À défaut de ce faire, vous obtiendrez une lecture imprécise.
Il faut en outre s'assurer que l'arbre ne tourne pas à une vitesse supérieure à celle que peut enregistrer le tachomètre car on risquerait alors d'endommager ce dernier et même de le mettre complètement hors de service.
OUTILLAGE D'UNE CHAMBRE AUX MACHINES
Tous les travaux de réparation et d'ajustage qui se présentent dans une chambre aux machines (engine room) exigent l'emploi de certains outils.
Quelques-uns de ces outils, comme les marteaux, tournevis, clés, ciseaux à froid, etc., sont d'usage courant et se rencontrent dans tous les ateliers.
D'autres, comme les jauges ou calibres d'épaisseur (feeler gauges), ne servent qu'à certaines fins spécifiques — par exemple pour déterminer des tolérances très précises ou encore afin de régler la tension des ressorts de soupapes.
Dans notre section "Les Outils Manuels", nous avons donné la description et la destination de tous les outils d'un atelier de réparations.
Néanmoins, on ne saurait trop insister sur le soin qu'il convient de consacrer aux outils. La plupart doivent être traités avec beaucoup de ménagements sinon ils de viennent absolument inaptes à rendre les services pour lesquels ils ont été conçus.
Les outils et instruments les plus précis sont souvent les plus délicats. Ils peuvent être endommagés de plusieurs façons — toujours cependant par manque de soin et de précautions, par ignorance et par insouciance. Il n'y a aucune excuse à ne pas prendre un soin raisonnable des outils à main.
Apprenez à choisir du premier coup l'outil qui convient au travail à exécuter. Les tournevis ne sont pas des leviers et ne doivent jamais servir à rancer les objets ou parties de machine.
Les clés anglaises ne sont pas des marteaux. Les micromètres et autres instruments qui servent à prendre des mesures très précises sont très délicats et aussi coûtent très cher.
Pour peu qu'on les force ou qu'on les malmène, ils perdent leur précision et ne peuvent plus rendre les services qu'on en attend. Une jauge d'épaisseur qui porte un pli permanent donne une lecture plus forte que la réalité, ce qui peut parfois entraîner des dommages considérables — par exemple dans le cas où on s'en serait servi pour mesurer la tolérance d'un piston ou d'un coussinet.
Tenez tous vos outils propres et à leur place.— Une accumulation de saletés peut détériorer certains outils de précision comme les palmers et les micromètres.
Si les outils restent à traîner sur les établis et les planchers, tôt ou tard ils seront endommagés par quelqu'un qui marchera dessus ou qui échappera d'autres outils sur eux. Rangez chaque outil à sa place du moment que vous en avez fini.
LES OUTILS DES ATELIERS DE RÉPARATION
Les tours, perceuses, meuleuses et scies alternatives sont des outils motorisés que l'on rencontre dans la plupart des boutiques à fer. Il y a une énorme différence entre connaître à quoi servent ces machines et pouvoir s'en servir intelligemment.
Le seul moyen de savoir comment fonctionnent ces machines-outils consiste à bien étudier d'abord notre section "Manuel du Machiniste", ensuite à faire son apprentissage dans une boutique à fer sous la surveillance d'un technicien compétent.
Il convient d'apprendre quels sont les divers dispositifs de réglage de chaque machine, l'utilité des outils de coupe, des meules et autres accessoires propres à la machine pour l'exécution de chaque travail, de chaque opération.
Gardez les outils à leur place et en bon état.
Apprenez comment affûter, régler et remplacer les divers organes ou accessoires d'une machine. Pour bien employer une machine-outil et en tirer le maximum de service, il faut travailler avec elle.
