Volant d’inertie

Le volant d’inertie est une roue lourde qui emmagasine de l’énergie en tournant. Il absorbe le surplus quand l’entraînement pousse fort et le restitue quand la poussée faiblit, si bien que la machine garde une vitesse plus régulière. Les plus anciens exemples sont sans doute des galets percés de la vallée du Jourdain, vieux d’environ 12 000 ans, qui servaient de fusaïoles.

Ce que c’est

Un volant d’inertie est une roue qu’on alourdit exprès et qu’on fixe sur un arbre, de sorte que les deux tournent ensemble. Une fois lancé, il s’oppose à tout changement de vitesse : il faut plusieurs poussées pour le mettre en route, et il continue de tourner quand on cesse de pousser. Une machine s’en sert pour reporter l’énergie d’un effort sur le suivant, et un entraînement irrégulier ou une charge inégale donnent alors une rotation à peu près égale.

On en trouve dans bien des machines. La fusaïole d’un fuseau à main l’entretient pendant qu’il tord la fibre, la roue lourde du tour de potier garde l’argile en rotation entre deux coups de pied, et les volants de fonte des machines à vapeur et des moteurs à combustion interne entretiennent la rotation régulière du vilebrequin d’une poussée du piston à la suivante.

Un treuil de mine du type que Georgius Agricola décrivait en 1556 en offre une forme simple. Un homme fait tourner à la manivelle un tambour de bois qui enroule la corde, et l’autre bout du tambour porte une grande roue à rayons lestée de plomb. Selon Agricola, cette roue remplaçait un deuxième homme.

Comment ça marche

Le poids est dans la jante ; les rayons restent légers.

Une roue qui tourne garde de l’énergie dans le mouvement de sa masse, et c’est la vitesse qui pèse le plus : deux fois plus vite, elle en contient quatre fois plus. La place de la masse compte aussi. Loin de l’axe, la matière se déplace plus vite que près de lui, si bien qu’à poids égal un anneau mince stocke deux fois plus qu’un disque plein de même diamètre. C’est pourquoi les volants ont une jante lourde et des rayons légers, et pourquoi du plomb fixé loin sur un rayon fait plus d’effet que le même plomb près du tambour.

L’effort qui fait tourner une manivelle est rarement régulier. Quand une bielle entraîne la manivelle, comme dans un moteur, elle se trouve deux fois par tour dans l’alignement de la manivelle, et en ces deux points morts sa poussée ne peut plus la faire tourner du tout. Dans une machine à simple effet, la vapeur ou le gaz ne pousse que sur une face du piston, et l’arbre doit être entraîné pendant les courses qui ne fournissent aucun travail. Dans une machine à vapeur à double effet, la vapeur pousse tour à tour sur chaque face et chaque course travaille, mais l’effort de rotation monte et retombe au cours de chaque tour et s’annule aux points morts. La charge varie elle aussi, quand un seau se balance ou qu’une scie rencontre un nœud. Tant que l’entraînement donne plus que la charge ne prend, le surplus accélère légèrement la roue. Quand il donne moins, la roue ralentit un peu et son énergie comble la différence. Plus la roue est lourde, moins sa vitesse change pour un même excès ou un même manque.

Un volant n’ajoute aucune énergie et ne règle pas l’alimentation. Si la vitesse moyenne dérive parce que la charge ou la vapeur change, c’est au régulateur ou à l’opérateur de la corriger.

Chaque partie d’une jante en rotation est tirée vers l’extérieur et doit être retenue par les rayons et par la jante elle-même. Cette traction croît comme le carré de la vitesse de la jante, et au-delà d’une limite fixée par le matériau, la roue éclate et ses morceaux sont projetés. Un rapport des Sandia National Laboratories indique que la jante des volants de machines à vapeur dépassait rarement 20 m/s. Les volants de stockage modernes, à jante en composite de fibre de carbone, tournent à 500 à 1 000 m/s dans une enceinte sous vide. Selon le même rapport, un volant de 50 tonnes de l’ère industrielle contenait environ 5 kWh, quand un volant moderne d’environ une tonne, raccordé au réseau, en contient plus de 25.

Comment faire

Une petite roue à manivelle montée sur un banc montre les deux effets : la masse placée à la jante stocke davantage, et le volant régularise la manivelle. C’est une simple démonstration, qu’il ne faut jamais entraîner avec une perceuse ou un moteur.

Faire le support. Vissez debout sur une planche deux blocs de bois dur d’environ 25 cm de haut et 5 cm de côté, à 10 cm l’un de l’autre. Percez-les à 20 cm au-dessus de la planche pour un tourillon de bois dur bien droit ou une tige d’acier d’environ 12 mm, qui doit tourner librement sans jeu, et frottez les trous à la cire. L’axe étant à cette hauteur, la roue de 30 cm passe à environ 5 cm au-dessus de la planche.

La roue d’essai : quatre masses égales, boulonnées d’abord près du centre, puis près de la jante.

Faire la roue. Découpez un disque de contreplaqué d’environ 30 cm de diamètre et 15 mm d’épaisseur, percé au centre d’un trou bien ajusté sur l’axe, et collez-le ou chevillez-le entre les blocs. Percez deux couronnes de quatre trous à angle droit, l’une à environ 4 cm du centre, l’autre à environ 2 cm du bord. Prenez quatre masses identiques, par exemple de grosses rondelles d’acier tenues par des boulons et des écrous, et vérifiez sur une balance de cuisine qu’elles pèsent le même poids. Fixez au bout de l’axe, à l’extérieur d’un bloc, une manivelle en bois avec une cheville ronde pour poignée.

Faire l’essai. Boulonnez les masses dans la couronne intérieure, tracez un repère au crayon sur la tranche, donnez trois tours de manivelle à allure régulière et lâchez. Comptez les tours que fait la roue avant de s’arrêter. Déplacez les mêmes masses dans la couronne extérieure et recommencez à la même allure. La roue est plus dure à lancer et tourne beaucoup plus longtemps. Poussez ensuite la manivelle seulement pendant la moitié descendante de chaque tour : masses à la jante, la roue tourne bien plus régulièrement entre deux poussées.

Histoire et évolution

Des galets percés comme ceux que l’on pense avoir servi de fusaïoles ; le poids enfilé sur la baguette la fait tourner plus longtemps.

À Nahal Ein Gev II, un village de la vallée du Jourdain situé à environ 2 km à l’est du lac de Tibériade, vivaient il y a environ 12 000 ans des groupes de la fin du Natoufien. Les fouilles y ont livré 113 galets percés, surtout en calcaire tendre, pesant de 1 à 34 g : 48 percés de part en part, 36 cassés qui ne gardent qu’une partie de leur trou et 29 inachevés, portant une ou deux amorces de perforation. Les trous achevés se trouvent au centre du galet et presque tous ont été percés par les deux faces. Parmi les formes identifiables, environ 60 % sont rondes, les autres anguleuses ou irrégulières, et seuls 11 galets ont été nettement façonnés en plus du perçage. Talia Yashuv et Leore Grosman ont soutenu en 2024 qu’il s’agissait de fusaïoles : ce petit volant entretient la rotation du fuseau qui tord la fibre après chaque impulsion des doigts. Avec des répliques, un fileur expérimenté a filé le lin et la laine plus vite qu’à la main, et les pierres les plus lourdes gardaient mieux leur élan. Deux archéologues étrangers à l’étude, Alex Joffe et Yorke Rowan, ont appuyé cette lecture. Carole Cheval, spécialiste des textiles préhistoriques, a écrit que ces galets pourraient bien être des fusaïoles et que des objets semblables, dont certains plus anciens, avaient déjà été publiés. Janet Levy, que citent Yashuv et Grosman, situe plus tard la première preuve nette de fil filé au fuseau dans le Levant sud, au Néolithique céramique.

Les potiers ont ensuite employé une roue plus lourde. D’après Johnny Baldi et Valentine Roux, ceux de haute Mésopotamie façonnaient leurs vases grâce à l’élan d’une roue en rotation vers 3900 av. J.-C., et des dispositifs tournants apparaissent dans le Levant sud dans la seconde moitié du Ve millénaire av. J.-C. La grande roue du rouet a plus tard rempli le même office pour la broche.

Dans son livre sur les mines, imprimé en 1556, Agricola décrit un treuil qui possède une roue en plus des manivelles. Une fois le tambour lancé, les tours rapides de la roue l’aidaient à tourner, et sur un puits plus profond trois hommes et la roue faisaient le travail de quatre. On suspendait des masses de plomb à la roue ou on les fixait aux rayons. La roue n’avait pas de moyeu : ses rayons étaient mortaisés directement dans l’épais tambour. Il décrit aussi une machine à manivelle qui montait l’eau par une chaîne de godets et portait un volant de bois sur son axe le plus bas, pour qu’on la tourne plus facilement. Le livre de machines d’Agostino Ramelli, en 1588, montre des pompes à manivelle munies de volants.

En 1779, Matthew Wasbrough, ingénieur à Bristol, fit breveter une machine à vapeur qui faisait tourner un arbre par des roues à rochet, et il y ajouta un volant. John Farey, en 1827, y voyait le premier volant employé sur une machine à vapeur. Les rochets se dérangeaient sans cesse et, en 1780, ceux qui exploitaient l’une de ces machines à Birmingham les remplacèrent par une simple manivelle en conservant le volant. Le brevet de James Pickard du 23 août 1780 portait sur une manivelle avec un contrepoids tournant. La manivelle et le volant devinrent la manière ordinaire de tirer d’une machine une rotation régulière.

Les volants ont grandi avec les machines, et certaines roues de fonte du XIXe siècle mesuraient plusieurs mètres. Le rapport de Sandia note que les éclatements étaient assez fréquents, souvent après une défaillance du régulateur. En 1896, dans une tréfilerie de Cleveland, un volant de 24 pieds (7,3 m) de diamètre, pesant environ 50 000 livres (quelque 23 tonnes) et tournant à 75 tours par minute, éclata quand la courroie du régulateur se rompit et que la machine s’emballa.

Depuis la fin du XXe siècle, on construit aussi des volants destinés seulement à stocker l’électricité. Un moteur-générateur accélère le rotor pour emmagasiner l’énergie et le freine pour la récupérer, et le rotor tourne sous vide pour réduire la résistance de l’air. À Stephentown, dans l’État de New York, une centrale a ouvert en 2011 avec 200 volants à jante en fibre de carbone, tournant chacun jusqu’à 16 000 tours par minute sur des paliers magnétiques et contenant 25 kWh. Ensemble, ils peuvent fournir ou absorber 20 MW en quelques secondes pour maintenir la fréquence du réseau.