# Régulateur centrifuge

> Tenir la vitesse d’une machine par des masses tournantes

- Date: 1787
- Époque: Âge industriel
- Domaine: [Mécanique](https://lastcodex.org/fr/domains/mechanics/)
- Palier: IV (Science & industrie)
- Difficulté: 3/5
- URL: https://lastcodex.org/fr/inventions/centrifugal-governor/

Le régulateur centrifuge maintient une machine près d’une vitesse fixée. Deux lourdes boules sur des bras articulés tournent avec un axe entraîné par la machine ; quand elle va trop vite, elles s’écartent et montent, et un levier referme la valve, la vanne ou la voilure qui l’alimente. Les meuniers s’en servaient sur les moulins à vent, où Thomas Mead en fit breveter un en 1787, avant que Boulton et Watt ne l’adaptent à la machine à vapeur en 1788.

![Régulateur centrifuge · Tenir la vitesse d’une machine par des masses tournantes](https://lastcodex.org/_astro/plate.tabFgz4o_Z1gCjru.webp)

## Légende

1. Poulie motrice et pignons coniques
2. Bras croisés sur un axe qui traverse la tige
3. Boules de fonte
4. Biellettes et collier coulissant
5. Levier à fourche et tringle
6. Valve papillon dans le tuyau de vapeur

## Ce que c'est

Le régulateur centrifuge, ou régulateur à boules, règle une vitesse. Une tige verticale, entraînée par la machine, porte deux lourdes boules au bout de bras articulés près de son sommet. Quand la machine accélère, les boules s’écartent et montent ; quand elle ralentit, elles retombent. Par des biellettes, un collier coulissant et un levier, ce mouvement ouvre ou ferme ce qui fournit l’énergie à la machine : la valve d’admission d’une machine à vapeur, la vanne d’une roue hydraulique, ou la voilure d’un [moulin à vent](/fr/inventions/windmill/), dont il peut réduire la surface. Dans les moulins à farine, le régulateur avait aussi une autre tâche. Par un mécanisme que les Anglais appelaient lift-tenter, il réglait l’écart entre les meules, donc la finesse de la farine, quand la vitesse changeait. Ce réglage modifie la mouture, pas la puissance qui arrive au moulin.

Il agit sans surveillance. Le régulateur mesure le résultat, la vitesse, et corrige sans cesse la cause, l’alimentation. À partir de 1788, Boulton et Watt montent ce type de régulateur sur leurs [machines à vapeur](/fr/inventions/steam-engine/) rotatives : une courroie venue de l’arbre du volant fait tourner une poulie, deux pignons coniques font tourner la tige, et un levier relié au collier manœuvre une valve placée dans le tuyau de vapeur.

## Comment ça marche

![Une boule de fonte au bout d'un bras articulé au sommet d'un axe vertical, dessinée dans deux positions : plus basse et proche de l'axe, puis, en traits légers, écartée presque à hauteur de l'articulation](https://lastcodex.org/_astro/v3.CddSPobg_qVaK1.webp)
_Plus la boule tourne vite, plus le bras s'incline vers l'extérieur et plus la boule se stabilise haut._

Chaque boule, entraînée en rond au bout de son bras, se comporte comme un pendule qui décrit un cercle. Son poids la tire vers le bas, et le bras doit la tirer vers l’axe pour la garder sur son cercle. Plus elle tourne vite, plus cette traction doit être forte, et le bras ne peut la fournir qu’en s’inclinant davantage. À chaque vitesse correspond donc une hauteur où les boules se stabilisent. W. J. M. Rankine en donne la règle en 1869 : à un tour par seconde, les boules se tiennent environ 24,8 cm sous le point où le prolongement des bras rencontre l’axe ; à deux tours par seconde, quatre fois moins, 6,2 cm. Le poids des boules n’entre pas dans la règle. Des boules plus lourdes se placent à la même hauteur et poussent la tringlerie avec plus de force contre les frottements.

Dans le régulateur de Boulton et Watt, tel que John Farey le décrit en 1827, les deux bras passent dans une fente de la tige et se croisent sur un seul axe, comme les lames d’une paire de ciseaux. Au-dessus de l’axe, leurs courtes extrémités recourbées vers l’extérieur sont reliées par deux petites biellettes à un collier qui coulisse sur la tige et tourne avec elle. Quand les boules s’écartent, ces extrémités descendent et les biellettes tirent le collier vers le bas. Les dents d’un levier à fourche, engagées dans une gorge du collier, le suivent sans tourner, et le levier transmet le mouvement par une tringle à la valve papillon. Cette valve est un disque mince monté sur un axe en travers du tuyau : de chant, elle laisse passer la vapeur ; tournée à plat, elle ferme presque le tuyau. Si la charge baisse et que la machine accélère, les boules montent, la valve se ferme en partie et la machine ralentit. Si la charge augmente, les boules descendent et la valve s’ouvre.

Un tel régulateur maintient la vitesse dans une plage, et non à une valeur exacte. Pour garder la valve plus ouverte sous une forte charge, les boules doivent tourner plus bas, ce qu’elles ne font qu’à une vitesse un peu plus faible ; Rankine disait que ces régulateurs ne sont pas vraiment isochrones. Il fonctionne aussi mieux aux faibles vitesses : quand la tige tourne vite, les boules sont presque à l’horizontale et un petit écart de vitesse les déplace à peine. Le régulateur ne corrige un changement de vitesse qu’une fois celui-ci produit, et Farey remarque que chaque correction va trop loin : après un brusque changement de charge, la vitesse oscille plusieurs fois de part et d’autre avant de se stabiliser. Si les frottements ou une machine lente retardent sa réponse, les oscillations peuvent grandir au lieu de s’éteindre. Les ingénieurs appellent ce défaut le pompage.

## Comment faire

![Une maquette de régulateur en bois sur une planche : une tige en tourillon portant deux boules de bois sur des bras de fil de fer, deux fils qui soulèvent une bobine libre posée sur un plateau rond, une étroite échelle graduée en carton, collée debout contre l’extrémité du tasseau qui guide la tige, à côté du plateau, et une grande roue tournée à la main qui entraîne la tige par une ficelle](https://lastcodex.org/_astro/v2.CdVgrmF8_ZUYIcw.webp)
_Une maquette à manivelle : plus la roue tourne vite, plus les boules montent, et le plateau avec elles._

Une maquette en bois montre le principe sans machine. Prenez une planche de contreplaqué d’environ 20 cm sur 40. Percez un trou près d’un bout et fixez sur un montant, environ 15 cm au-dessus, un tasseau percé du même diamètre. Il faut un tourillon lisse de 10 mm d’épaisseur et de 45 cm de long qui tourne librement debout dans les deux trous, et deux bobines de fil vides qui coulissent facilement dessus. Découpez dans du contreplaqué mince un plateau rond d’environ 7 cm de diamètre, percez en son centre un trou de 12 mm et collez-le sous un bout de la première bobine, les trous bien alignés. Enfilez cette bobine sur le tourillon, plateau vers le bas, et passez celui-ci de haut en bas dans le tasseau, puis enfilez la seconde bobine sur la partie située sous le tasseau et engagez le bout du tourillon dans le trou de la planche. Collez cette bobine du bas sur le tourillon, juste au-dessus de la planche, comme poulie. La bobine du haut reste libre au-dessus du tasseau. À côté de la poulie, montez un disque de contreplaqué environ trois fois plus large que la bobine, qui tourne à plat sur un clou planté en son centre, avec une cheville de bois près du bord en guise de poignée. Reliez le disque et la poulie par une boucle de ficelle assez tendue pour ne pas glisser.

Coupez une petite traverse de bois d’environ 8 cm de long et 2 cm de côté, et percez en son milieu un trou de 10 mm. Pliez deux bras de fil d’acier rigide, pris dans un cintre, chacun avec un petit œil à un bout. Enfilez l’œil d’un bras sur un petit clou, puis plantez ce clou dans un flanc de la traverse, à environ 1 cm d’un bout et perpendiculairement à sa longueur, de sorte que l’œil soit pris entre la tête et le bois. Percez d’abord un avant-trou pour ne pas fendre la traverse, et laissez la tête dépasser de quelques millimètres pour que le bras pivote librement. Fixez le second bras de la même façon près de l’autre bout, sur le flanc opposé, puis collez la traverse au sommet du tourillon, engagé dans son trou. Chaque bras pend alors près d’un bout de la traverse et peut s’écarter vers l’extérieur, loin du tourillon. Enfoncez chaque fil dans une boule de bois de 3 à 4 cm et collez-la, de façon que le centre des boules soit à environ 15 cm sous les clous. Les deux boules doivent avoir le même poids.

Attachez un fil entre le milieu de chaque bras et le rebord supérieur de la bobine libre, de sorte que la bobine pende bien droite, son plateau juste au-dessus du tasseau, quand les boules sont au repos. Pour l’échelle, découpez une bande de carton d’environ 2 cm de large et aussi haute que la bobine, et tracez-y un trait tous les 5 mm. Prenez un tasseau assez long pour dépasser un peu le bord du plateau, et collez le bas de la bande debout contre son extrémité, de sorte que le carton se tienne à quelques millimètres du bord du plateau. Quand la bobine monte, le bord du plateau remonte le long des traits. Le carton n’est pas plus haut que la bobine, si bien qu’il reste sous les fils et les boules.

Tournez la poignée lentement, puis plus vite. À faible vitesse rien ne bouge, car les boules doivent soulever la bobine et son plateau en plus de leur propre poids. Au-delà d’une certaine vitesse, elles s’écartent, et la bobine et son plateau montent avec elles. Plus vous tournez vite, plus elles montent ; ralentissez et elles redescendent. Fixez avec du ruban adhésif deux pièces de monnaie identiques sous le plateau, de part et d’autre du tourillon : il faut alors tourner plus vite pour amener le bord du plateau au même trait, comme sur un régulateur dont le collier porte un poids. Sur une machine, la hauteur de la bobine réglerait l’ouverture de la valve.

## Histoire et évolution

![Un régulateur de meules de moulin à vent : deux boules de fer sur une petite tige entraînée par une poulie et une corde, qui soulèvent un bout d’un long levier de fer dont l’autre bout est relié par une tige à la poutre qui porte l’arbre de la meule](https://lastcodex.org/_astro/v1.CZwm1hTF_ZLeXfF.webp)
_Dans un moulin, le régulateur agit sur un long levier de fer, le steelyard des meuniers anglais, qui règle l’écart des meules._

Les meuniers avaient besoin d’une vitesse régulière bien avant la machine à vapeur. Un moulin à vent accélère et ralentit à chaque rafale, et l’écart entre les meules, qui décide de la finesse de la farine, change avec la vitesse. Trop de vitesse peut faire frotter les meules, ce qui échauffe la farine. Au XVIIIe siècle, les constructeurs de moulins britanniques ont imaginé le lift-tenter, un mécanisme qui ajuste l’écart des meules selon la vitesse. Le plus ancien qui mesure cette vitesse avec des masses tournantes, et qui soit daté, figure dans le brevet du constructeur de moulins anglais Thomas Mead, en 1787. L’historien des techniques Otto Mayr y décrit deux jeux de masses tournantes : l’un commandait le lift-tenter, l’autre réduisait la surface des ailes quand le moulin tournait trop vite. Des chronologies techniques et des ouvrages de vulgarisation affirment que les moulins employaient de tels régulateurs dès le XVIIe siècle et les attribuent à Christiaan Huygens, sans citer de dessin ni de texte daté. Dans les moulins plus tardifs, le régulateur se trouvait à l’étage sous les meules et actionnait un long levier de fer relié à la poutre qui porte l’arbre de la meule.

En mai 1788, Matthew Boulton visite à Londres l’Albion Mill, la minoterie à vapeur que James Watt et lui avaient construite, et y trouve un lift-tenter sur les meules, probablement installé par le jeune constructeur de moulins John Rennie. Il le décrit à Watt. Watt dessine un régulateur de vitesse centrifuge en novembre, puis en décembre un régulateur pour la machine « Lap » de la manufacture de Soho, à Birmingham. Cette machine est aujourd’hui au Science Museum de Londres, qui la présente comme la première équipée d’un régulateur. Watt n’a pas revendiqué l’appareil comme son invention, et l’ingénieur John Farey écrit en 1827 que son principe servait déjà dans les moulins à vent et à eau. Samuel Smiles, dans ses Lives of Boulton and Watt de 1865, le range pourtant parmi les inventions de Watt.

Les ingénieurs ont vite buté sur les limites du régulateur simple. En 1868, James Clerk Maxwell publie On Governors, première étude mathématique des conditions dans lesquelles une machine régulée se stabilise ou pompe, aujourd’hui comptée parmi les textes fondateurs de l’automatique. À partir des années 1850, des régulateurs dont le collier est chargé d’un poids, comme celui que Charles Porter fait breveter en 1858, puis des régulateurs à ressorts peuvent tourner plus vite. Le même principe tient la vitesse des [turbines hydrauliques](/fr/inventions/water-turbine/) qui entraînent des alternateurs.

## Repères clés

- Plus ancien régulateur daté à masses tournantes: Brevet de moulin à vent de Thomas Mead, 1787
- Premier sur une machine à vapeur: Boulton et Watt, dessins de novembre et décembre 1788
- Hauteur d’un régulateur à pendules simple: 24,8 cm à un tour par seconde, quatre fois moins à deux
- Première théorie de sa stabilité: James Clerk Maxwell, On Governors, 1868

## Nécessite

- [Moulin à vent](https://lastcodex.org/fr/inventions/windmill/): Le vent changé en farine (v. 900)
- [Engrenages](https://lastcodex.org/fr/inventions/gear/): Des dents qui échangent vitesse et force (v. 350 av. J.-C.)
- [Métallurgie du fer](https://lastcodex.org/fr/inventions/iron-smelting/): Usage élargi vers 1200 av. J.-C. ; minerai, charbon et bas fourneau (v. 1 200 av. J.-C.)
- [Machine à vapeur](https://lastcodex.org/fr/inventions/steam-engine/): La chaleur changée en mouvement (1712)

## Sources

- [The Origins of Feedback Control (Scientific American, October 1970)](https://archive.org/details/mayro-feedback-en), Otto Mayr, Scientific American (text: Internet Archive)
- [Feedback Mechanisms in the Historical Collections of the National Museum of History and Technology, Smithsonian Studies in History and Technology 12 (1971)](https://www.govinfo.gov/content/pkg/GOVPUB-SI-PURL-gpo21773/pdf/GOVPUB-SI-PURL-gpo21773.pdf), Otto Mayr, Smithsonian Institution Press (scan: GovInfo)
- [Timeline of mechanical engineering innovation: 1787 Thomas Mead; 1788 James Watt; 1858 Porter; 1862 Pickering](https://ethw.org/Timeline_of_mechanical_engineering_innovation), ASME / Engineering and Technology History Wiki
- [Rotative Steam Engine by Boulton and Watt, 1788 (the Lap engine)](https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co50948), Science Museum Group
- [A Manual of Machinery and Millwork (1869), §§ 359–361: regulators and pendulum-governors](https://archive.org/details/manualofmachiner00rankiala), W. J. Macquorn Rankine, Charles Griffin (scan: Internet Archive)
- [Theory of machines: governors (Watt governor, height and speed)](https://uomustansiriyah.edu.iq/media/lectures/5/5_2021_12_11%2108_33_00_PM.pdf), Mustansiriyah University, College of Engineering
- [On Governors](https://doi.org/10.1098/rspl.1867.0055), James Clerk Maxwell, Proceedings of the Royal Society of London 16 (1868)
- [Dynamical Systems, Stability, and Chaos](https://arxiv.org/abs/nlin/0702044), R. Ball and P. Holmes, arXiv (2007)
- [A Treatise on the Steam Engine (1827): Mr Watt's governor and throttle-valve](https://archive.org/details/treatiseonsteame01fareuoft), John Farey, Longman, Rees, Orme, Brown and Green (scan: Internet Archive)
- [Lives of Boulton and Watt (1865): the governor](https://www.gutenberg.org/ebooks/52069), Samuel Smiles, John Murray (Project Gutenberg)
- [The governor at Brixton Windmill](https://www.brixtonwindmill.org/?p=9963), Brixton Windmill Centre
- [A–Z glossary: steelyard (lever linking the bridge tree to the governor)](https://millsarchive.org/glossary/a-z-glossary/4060), The Mills Archive

Faits vérifiés le 2026-10-18.

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