Presse hydraulique

Une presse hydraulique multiplie la force avec de l'eau. Une petite pompe à main refoule l'eau dans un cylindre fermé, et le large piston qu'il contient, le bélier, pousse avec une force d'autant de fois plus grande que sa surface dépasse celle du piston de pompe, en avançant d'autant moins. Blaise Pascal décrit le principe dans un traité écrit vers 1651–1654 et publié en 1663. Joseph Bramah fait breveter une presse à Londres en 1795 ; un collet de cuir qui se serre sous la pression la rend étanche, et ses presses tassent le drap, le foin et les graines oléagineuses avant de devenir les presses de forge du XXe siècle.

Ce que c’est

Une presse hydraulique écrase, aplatit ou met en forme avec un bélier poussé par de l’eau. Elle a deux cylindres de tailles très différentes, reliés par un tuyau et remplis d’eau ou d’huile. Un ouvrier enfonce un piston étroit dans le petit cylindre à l’aide d’un levier, et le liquide soulève le large bélier du grand cylindre avec une force bien plus grande. Le bélier porte un plateau, et la charge placée entre le plateau et une tête fixe est pressée aussi fort que le bâti peut le supporter.

Dans une presse du type que Joseph Bramah construisait à Londres au début du XIXe siècle, le grand cylindre est logé dans un socle de fonte, et des colonnes de fer relient le socle à une tête fixe en haut, de sorte que le bâti reprend la réaction du bélier. Sur le côté, une pompe à main aspire l’eau d’une bâche et la refoule par un tuyau étroit sous le bélier. Un petit robinet laisse ressortir l’eau pour faire redescendre le bélier, le travail fini.

Comment ça marche

L’eau se comprime à peine : quand on pousse sur elle dans un récipient fermé, sa pression monte, et cette pression agit également sur toutes les parois et tous les pistons qu’elle touche. La force sur un piston vaut la pression multipliée par sa surface. À pression égale, un bélier cent fois plus large en surface que le piston de pompe pousse cent fois plus fort.

Le piston étroit descend beaucoup ; le large monte un peu, avec plus de force.

Le gain se paie en distance. L’eau que le piston chasse du petit cylindre s’étale sous toute la largeur du bélier, qui ne monte donc, dans cet exemple, que d’un centième de la course du piston. Le travail, la force multipliée par la distance, est le même aux deux bouts, moins ce que prend le frottement. Supposons un piston de 1 cm² et un bélier de 100 cm². Une poussée d’environ 100 newtons, le poids de 10 kilogrammes, donne alors environ 10 000 newtons sur le bélier, le poids d’une tonne, et le levier de la pompe multiplie encore l’effort de l’ouvrier avant qu’il atteigne le piston.

La pompe travaille par coups, et deux clapets anti-retour font aller l’eau dans un seul sens. À la montée, le piston aspire l’eau de la bâche par le clapet d’entrée ; à la descente, ce clapet se ferme et l’eau est chassée par le clapet de sortie dans le tuyau. Le clapet de sortie se referme quand le piston remonte, si bien que le bélier reste en place entre deux coups. En ouvrant le robinet de décharge, on laisse l’eau refluer et le bélier redescend.

Le bélier doit sortir de son cylindre sans que l’eau s’échappe autour de lui. Sur les premières presses, ce joint est un anneau de cuir plié en U, logé dans une gorge à l’entrée du cylindre, l’ouverture tournée vers l’eau. L’eau écarte les deux lèvres du U contre le bélier et contre la paroi du cylindre : plus la pression monte, plus le joint serre.

Comment faire

Cette expérience montre le gain de force avec deux seringues. Il faut deux seringues sans aiguille de tailles différentes, par exemple de 5 ml et de 50 ou 60 ml, environ 30 cm de tuyau souple qui s’emboîte serré sur les deux embouts, un verre d’eau avec une goutte de colorant alimentaire, un livre de poche, une serviette et des lunettes de protection.

Remplissez la petite seringue d’eau colorée, emboîtez-y un bout du tuyau et poussez doucement jusqu’à ce que l’eau sorte à l’autre bout. Enfoncez à fond le piston de la grande seringue, emboîtez-la sur l’autre bout du tuyau et vérifiez qu’il reste peu d’air dans le tuyau. Posez les seringues sur la serviette.

Deux seringues reliées par un tuyau d’eau : une petite pompe et un grand bélier.

Enfoncez le petit piston de toute sa course et regardez le grand : il sort d’une distance bien plus courte, et sa graduation montre qu’il reçoit le même volume d’eau que la petite seringue a perdu. Tenez maintenant la grande seringue debout, piston en haut, et posez le livre sur son piston. Une légère poussée sur le petit piston soulève le livre. Inversez les rôles : posez le livre sur la petite seringue et poussez le grand piston ; il faut pousser bien plus fort pour déplacer le même poids. Enfin, appuyez les deux pistons en même temps contre vos pouces : à pression égale, le grand piston repousse beaucoup plus fort.

Histoire et évolution

Blaise Pascal décrit le principe dans son traité de l’équilibre des liqueurs, écrit vers 1651–1654 et publié à Paris en 1663, après sa mort. Il imagine un vaisseau plein d’eau fermé par deux pistons, l’une des ouvertures étant cent fois plus grande que l’autre. Un homme qui pousse le petit piston, écrit-il, tient tête à cent hommes qui poussent le grand, si bien que le vaisseau devient « une machine nouvelle pour multiplier les forces ». Il en note aussi le prix : quand le petit piston s’enfonce d’un pouce, le grand ne sort que d’un centième de pouce.

Une presse en état de marche n’arrive que plus d’un siècle plus tard. Joseph Bramah, ingénieur londonien déjà connu pour sa serrure, en fait breveter une en 1795, sous le n° 2045 et le titre « obtenir et appliquer une force motrice ». Sa presse refoule l’eau sous le bélier d’un grand cylindre avec une pompe à piston. La difficulté est l’étanchéité : une garniture de chanvre ou de cuir assez serrée pour retenir l’eau bloque le bélier au point que la presse bouge à peine. La solution est le collet de cuir plié en U, qui ne serre qu’à mesure que la pression monte. James Nasmyth, en 1863, l’attribue à Henry Maudslay, qui travailla pour Bramah jusqu’en 1797, et la Route européenne du patrimoine industriel fait de même ; selon l’histoire publiée par John Cantrell et Gillian Cookson, le Mechanics’ Magazine nomme un an plus tard Benjamin Hick, de Bolton.

Une presse Bramah tasse du drap de laine, l’un de ses premiers usages.

Les premières presses servent à l’industrie lainière, à tasser le foin et à presser les graines pour en tirer l’huile. Bramah fournit des presses au drapier de Leeds Benjamin Gott, dont les ouvriers s’opposent à leur installation, et il ira plus tard en justice pour en récupérer dix. Les musées de Sheffield datent de 1806 la première utilisation d’une presse Bramah à la Tour de Londres. Bramah applique ensuite la pression de l’eau aux grues et aux portes des écluses.

Des pompes motorisées remplacent plus tard le levier à main, et des vérins hydrauliques en viennent à mouvoir les cisailles guillotines et les presses à cacao du chocolat. Dans le cadre d’un programme de l’armée de l’air américaine consacré aux très grandes presses, l’entreprise Loewy construit pour Wyman-Gordon, à Grafton (Massachusetts), une presse de forge de 50 000 tonnes courtes, en service en octobre 1955. Elle forge des pièces d’avion, dont des pièces du Boeing 747.