Denis Papin

Biographie

Denis Papin (22 août 1647 - vers 1712) est un physicien, mathématicien et inventeur français. Il est connu pour ses travaux sur la machine à vapeur.

Né dans les environs de Blois, dans le petit village de Chitenay, et issu d'une famille bourgeoise, Denis Papin suit les cours d'une école de jésuites, avant d'étudier à l'université d'Angers et de décrocher un diplôme de médecine tout en montrant des dispositions et un intérêt prononcé pour la physique. Reçu docteur vers 1669, on le retrouve deux ans plus tard comme curateur auprès de Christiaan Huygens, qui dirige alors l'Académie des Sciences, au Louvre. En 1673, il travaille auprès de Gottfried Leibniz, du même âge que lui, qui restera son ami et son correspondant. Ses expériences portent sur le vide. A 27 ans, son premier mémoire, Les nouvelles expériences sur le vide, avec la description des machines qui servent à les faire, fait la description d'une première machine à faire le vide peu chère, car elle n'utilise pas de « vif argent » (mercure). On y découvre un savant marqué par la méthode cartésienne, et un inventeur ingénieux, qui met facilement ses théories en application en construisant des machines.

A partir de 1675, Papin qui est calviniste, devance la révocation effective de l'Édit de Nantes, et part pour Londres, avec une recommandation de Christiaan Huygens. Il y rejoint assez vite les travaux de Robert Boyle, qui atteint par la goutte, trouve en Papin un assistant idéal pour reprendre l'étude des propriétés de l'air. Papin construit une nouvelle machine à faire le vide, puis un fusil à air comprimé.

En 1679, Papin fait l'événement, avec le Digesteur. C'est un cylindre de fonte très fort, dans lequel on peut faire monter la pression de la vapeur, sans redouter une explosion, grâce à la soupape de sûreté. Cette machine, aujourd'hui nommée autoclave, ou cocotte minute, suivant l'application qu'on lui donne, permet à Papin de conduire toute une série d'expériences à très hautes pressions pour l'époque (entre 8 et 20 bars). Le digesteur possède les attributs principaux de la chaudière, même si, pour l'instant, Papin ne destine pas le Digesteur à la production de vapeur en grande quantité. Papin voit dans son invention un outil pour lutter contre la faim. En effet, le Digesteur rend comestibles les bas morceaux de viande, y compris les os qu'il transforme en gelée. Papin, peu porté sur le commerce, échouera à tirer un revenu significatif de son invention. Le mémoire A new Digester or Engine for softning bones, containing the description of its make and use in these particulars, &c fait cependant la notoriété de Denis Papin à Londres. Boyle se sent autorisé à proposer le savant français comme membre titulaire de la Royal Society de Londres, ce qu'elle accepte en décembre 1680. Malgré la révocation de l'Edit de Nantes en 1681, le mémoire paraît en français à Paris en 1682 sous le titre La manière d'amollir les os & de faire cuire toutes sortes de viandes en fort peu de temps & à peu de frais; avec une description de la machine dont il faut se servir pour cet effet, &c.

Entre 1682 et 1684, on ne garde pas de trace des travaux de Papin à Venise où, sur l'invitation du diplomate Sarroti, il a été invité à venir fonder une académie des sciences à Venise, chose certainement difficile dans la ville des Doges, où il régnait alors une grande instabilité politique. Papin est de retour à Londres en 1684, et il retrouve son poste et ses appointements à la Royal Society. Ses travaux continuent à tourner autour des mêmes thèmes de l'eau, et de l'air, la conservation des aliments, le nettoyage du linge en mer. La principale invention de Papin à cette époque se nomme "Machine à transporter au loin la force des rivières".

Elle met en application le principe du "chemin atmosphérique" (transmission du vide, pour l'utiliser à distance), et elle inclut un dispositif de distribution du vide, nommé "robinet à quatre voies". Ce dispositif, extraordinaire de simplicité, sera repris ultérieurement dans les premières machines à vapeur, pour distribuer la vapeur. L'idée de distribuer l'énergie du vide sera reprise ultérieurement, et permettra le développement en ville du petit artisanat.

En 1688, après plusieurs excursions en Allemagne, Papin rejoint Marbourg définitivement, où l'intervention du Landgrave de Hesse lui a permis de trouver une chaire de professeur de mathématiques. Malgré ses espoirs du début, il échoue à intéresser ses élèves aux mathématiques et à la pneumatique. Peu à peu, les élèves délaissent ses cours. Mais sa renommée est grande, et rien ne le freine, pas même l'argent, dans la poursuite de ses expériences.

Première machine à vapeur à piston, 1690.En 1690, Papin fait paraître un article dans les « Actes des érudits de Leipzig», intitulé « Nouvelle manière de produire à peu de frais des forces mouvantes extrêmement grandes ». Papin a eu l'idée de condenser de l'eau, pour créer un vide parfait. L'appareil expérimental est un simple cylindre/piston de deux doigts de diamètre (4cm), dans lequel il met de l'eau avant de le placer sur le feu, et qui finit par soulever un poids de 60 livres (30kg). Un cran d'arrêt ayant maintenu le piston en position haute après l'expansion de la vapeur, il suffit de le relâcher après refroidissement pour déclencher toute la force de la pression atmosphérique, de façon régulière et continue, sur toute la course du piston. Avec cette invention peu spectaculaire mais néanmoins capitale, Papin franchit une nouvelle étape dans le chemin qui mène à la machine à vapeur moderne. C'est ce principe que Thomas Newcomen reprendra pour élaborer la première véritable machine à vapeur industrielle en 1712. Mais en 1690, seul Papin pressent les prolongements de son invention, conscient des forces qu'il peut déclencher, en utilisant des tubes de plus gros, car, dit-il, « la pression augmentera ainsi de suite en raison du triple des diamètres ». Il réclame dès lors « une manufacture pour fabriquer aisément des tubes légers, et d'un diamètre régulier », car, dit-il, sa machine démontre que « des tubes ainsi faits peuvent très commodément s'employer à plusieurs usages importants ». La suite et fin de l'article, décrit le premier bateau à roues à aubes motorisé, tel que l'imagine le savant : quatre cylindres pneumatiques, agissant l'un après l'autre, sur l'axe transversal de deux roues à aubes, placées de chaque côté de la coque.

On peut considérer que le cylindre pneumatique est la première machine à vapeur de l'histoire, car c'est le premier système à créer un décalage de l'atmosphère entre le haut et le bas du piston, et à transformer cette force en énergie mécanique.

Entre septembre 1690 et mai 1692, Papin a le soutien du Landgrave pour travailler sur deux modèles de sous-marin, afin de continuer les essais de barque plongeante du hollandais Drebbel. Le premier modèle de Papin est un cube de fer étanche très renforcé, dans lequel est installé une pompe à air, permettant de le pressuriser avant sa mise à l'eau. La démonstration devant la cour tourne à la catastrophe : le sous-marin est si lourd que la flèche de la grue se rompt et endommage irrémédiablement l'appareil, provoquant la risée de l'assemblée. Moins d'un an plus tard, Papin termine la construction du second modèle, auquel le savant a apporté plusieurs améliorations capitales. Papin fait la description d'« Urinator » dans les « Actes des érudits de Leipzig ». C'est un tonneau ovale, qui résiste naturellement par sa forme à la pression extérieure de l'eau, lorsqu'il est immergé. Une pompe à air centrifuge, reliée à deux tuyaux de cuir maintenus à la surface par une vessie flottante, rafraîchit l'air à l'intérieur de l'habitacle, tandis qu'un baromètre mesure la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur. Un dénommé Haes, correspondant ou espion de Leibniz, fit un compte rendu circonstancié de l'essai du submersible, un jour de mai 1692. Papin, accompagné d'un acolyte courageux, fit plonger le bateau, puis il le fit évoluer sous les eaux de la Lahn.

Si un sous-marin est un appareil mobile, permettant d'assurer indéfiniment la respiration de l'équipage sous l'eau, on peut considérer qu' « Urinator » fut le premier sous-marin de l'histoire.

Urinator, dessin des actes des érudits, 1695 Urinator, schéma expliquant le fonctionnement

Vers 1695, Papin devenu le médecin personnel du Landgrave de Hesse, quitte Marbourg pour le château de Cassel. Le seigneur veut pour son château des jets d'eau et des miroirs, tout comme Louis XIV à Versailles. Après quelques hésitations, c'est à Papin que revient ce défi. Papin relate avoir construit une machine à élever l'eau, sur le modèle de celle de Savery, mais elle fut emportée par les glaces, lors d'une débâcle. Suivent de nombreuses inventions et constructions : un pressoir à cidre pneumatique ; une machine à conserver les jus de fruits par échauffement puis maintien sous vide ; un soufflet géant pour l'aération des mines, un alambic à air comprimé ; un four à air pulsé pour améliorer la fonte du verre ; une lanterne sous-marine pour attirer les poissons ; un four à pain utilisant une meilleure circulation d'air ; une machine améliorant drastiquement l'évaporation de l'eau de mer et la production de sel ; des coussins et matelas pneumatiques ; un lance-grenade pneumatique...

En 1704, Papin termine la construction d'un bateau à roues à aubes. On ne sait pas grand chose du système mécanique qui l'équipe, sinon que le Landgrave de Hesse, avec qui Papin a essayé la machine, en fut très impressionné.

En 1707, Papin rend compte d'une machine à pomper l'eau, par la force de la vapeur dans un dernier mémoire, intitulé nouvelle machine à élever l'eau par la force du feu.

Dans un cylindre, la vapeur surchauffée par des fers rouges pousse un flotteur, sous lequel se trouve l'eau à pomper, qui est repoussée à travers une cornue dans un réservoir supérieur, cylindrique et hermétique. Lorsque l'eau pompée s'y trouve en quantité suffisante, l'air emprisonné fait pression, et on peut ouvrir un robinet en bas de ce vase pour laisser l'eau sous pression s'échapper et mettre en mouvement une roue à multiples ailettes, dont l'axe est commun avec celui d'une meule. Papin a prévu d'installer cette machine au-dessous du niveau de l'eau à pomper, afin que l'entonnoir d'alimentation se remplisse de lui-même : cette machine est donc adaptée pour être installée à bord d'un bateau.

Mais les ennemis de Papin sont alors nombreux en Allemagne, et leur vindicte se déchaîne, à la suite d'une nouvelle expérience d'artillerie au cours de laquelle l'explosion d'un canon aurait fait plusieurs victimes. Dans un courrier à Leibniz, Papin dit maintenant craindre pour sa vie, et il veut gagner Londres, afin de poursuivre ses expériences de bateau dans des eaux plus profondes. En septembre 1707, il met toutes ses affaires dans son bateau à roues à aubes, et il descend la Fulda depuis Cassel jusqu'à la Weser, où des mariniers le contraignent de stopper. Après quelques jours de tergiversations, alors que Papin et sa famille s'apprêtent à repartir, les mariniers s'emparent du bateau à aubes et de la machine, et le mettent en pièces. Papin part alors seul pour Londres où, vingt ans après avoir quitté la Royal Society, il espère retrouver sa place, et poursuivre ses expériences. Cruelles illusions, car Boyle mort, c'est maintenant le règne d'Isaac Newton, qui dédaigne l'avance technologique de Papin, lequel réclame pourtant de travailler en collaboration avec Thomas Savery, afin de retirer le meilleur de leurs expériences.

Le médecin termine alors sa vie d'inventeur avec de petites inventions. Il met à jour l'intérêt sanitaire de renouveler l'air dans les appartements. Il a d'autres idées, mais il refuse d'en faire part, de peur qu'on ne les lui vole.

Ses revenus ne cessent de diminuer. On finit par perdre la trace du savant à Londres vers 1712. Plusieurs biographes pensent que Papin s'est éteint, sans fortune, dans un bas quartier de Londres. La date de sa mort se situe certainement entre 1712 et 1714.

Tombe

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