Roue hydraulique

Une roue hydraulique transforme le courant ou la chute d'une eau en rotation, que des engrenages transmettent à des meules, des marteaux, des soufflets ou des pompes. Du IIIe siècle av. J.-C. au XIXe siècle, elle a été la principale source d'énergie mécanique après la force des humains et des animaux.

Ce que c’est

Une roue en dessous : le courant pousse les aubes les plus basses.

Une roue hydraulique est une roue garnie de pales ou d’augets que l’eau en mouvement fait tourner, et son arbre entraîne des machines. Pendant deux mille ans, elle a moulu le grain ; au Moyen Âge, elle foule aussi le drap, scie le bois, actionne soufflets et marteaux de forge et pompe l’eau des mines.

Une roue en dessous plonge ses aubes dans le courant, qui les pousse. Les modèles traditionnels simples se passent de barrage et ne convertissent en travail qu’une faible part de l’énergie disponible. Une roue en dessus, celle de cette planche, reçoit l’eau par le haut depuis un canal et tourne sous le poids de l’eau dans ses augets. Il lui faut une chute au moins aussi haute qu’elle. Une dénivellation naturelle, une prise d’eau et un canal peuvent suffire ; le barrage et l’étang sont facultatifs. La roue de poitrine reçoit l’eau à hauteur de l’axe. Le rendement dépend de la construction et de l’alimentation en eau ; les roues en dessous améliorées peuvent aussi atteindre un bon rendement.

Comment ça marche

L’eau retenue en hauteur stocke de l’énergie. Le coursier (1), une auge en bois, l’amène au sommet de la roue, et une vanne permet au meunier de mettre la roue en marche, de l’arrêter et d’en régler la vitesse. L’eau tombe dans les augets (2) du côté qui descend. Ce côté alourdi entraîne la roue, lentement, à quelques tours par minute. Les augets gardent leur eau le plus longtemps possible et ne la vident que près du bas, dans le canal de fuite.

La puissance hydraulique disponible se calcule par P = ρgQH : masse volumique de l’eau ρ, accélération de la pesanteur g, débit volumique Q et hauteur de chute H. Avec une masse volumique d’environ 1 000 kg/m³ et g = 9,81 m/s², un débit de 100 litres par seconde (0,1 m³/s) et une chute de quatre mètres donnent environ 3,92 kW avant les pertes. Une roue en dessus bien construite en transforme la plus grande partie en travail sur son arbre.

Dans le moulin à roue horizontale, pas d’engrenage : l’arbre de la roue est l’axe de la meule.

Dans le moulin, l’arbre (3) porte le rouet (4), une grande roue dentée dont les alluchons entraînent la petite lanterne (5) montée sur un arbre vertical. Comme dans un moulin à vent, le mouvement passe de l’horizontale à la verticale et s’accélère, car la roue est lente alors que la meule du dessus doit tourner bien plus vite. Cette meule courante (6) écrase le grain, versé par une trémie, contre la meule gisante fixe placée dessous.

Certains moulins n’ont aucun engrenage. Dans le moulin à roue horizontale, longtemps employé en Irlande, en Scandinavie et autour de la Méditerranée, une petite roue couchée sous le plancher reçoit le jet d’une goulotte très inclinée, et son arbre vertical fait tourner directement la meule courante. Les modèles traditionnels simples coûtent peu et ne convertissent en travail qu’une part relativement faible de l’énergie disponible. Les roues horizontales améliorées peuvent atteindre un rendement élevé.

Comment la construire

Ces grandes lignes concernent une petite roue en dessus qui entraîne une pompe ou une machine légère. Prélever l’eau d’un ruisseau demande en général une autorisation.

Trouver la chute. Chercher un ruisseau avec une dénivellation d’au moins deux mètres. Creuser un canal d’amenée, le bief, qui quitte le ruisseau en amont avec une pente très faible, pour arriver à la roue bien au-dessus du lit.

Dimensionner la roue. Lui donner un diamètre un peu inférieur à la chute. Sa largeur dépend du débit. Des augets remplis en partie seulement débordent moins tôt.

Faire l’arbre et les bras. Prendre un arbre en chêne, équarri là où se fixent les bras, avec des tourillons en fer aux extrémités, tournant dans des paliers en bois dur ou en bronze posés sur des piles de pierre ou de béton.

Monter les couronnes et les augets. Fixer les augets en biais entre deux couronnes de planches et fermer le côté intérieur par des planches. Tremper la roue avant usage pour que le bois gonfle et que les joints deviennent étanches.

Poser le coursier et la vanne. Amener l’eau au sommet de la roue dans une auge en bois sur chevalets, avec une vanne coulissante et un déversoir qui envoie l’eau à côté de la roue quand elle est arrêtée. Vérifier l’équilibre de la roue, puis ouvrir la vanne progressivement.

Sécurité. Une roue chargée est lourde et ne s’arrête pas d’un coup : ne jamais monter dessus ni y passer la main quand elle tourne. Avant toute intervention, couper l’alimentation en eau, verrouiller la vanne pour empêcher sa réouverture et détourner les fuites éventuelles de la roue. Vérifier l’arrêt complet. Depuis un endroit sûr, évacuer l’eau retenue et immobiliser la roue et les machines entraînées avec des dispositifs adaptés aux charges restantes, afin que l’énergie stockée ne puisse les mettre en mouvement. Faire établir et vérifier cette isolation par une personne compétente. L’eau rapide d’un canal peut renverser et noyer un adulte : clôturer le canal de fuite et ne jamais y travailler seul. Poser des carters sur tous les engrenages accessibles pour empêcher les mains et les vêtements de les atteindre.

Histoire et évolutions

Les premières roues élevaient l’eau. Au IIIe siècle av. J.-C., Philon de Byzance décrit une roue à compartiments servant à l’irrigation en Égypte. Selon l’historien M. J. T. Lewis, les moulins à grain hydrauliques apparaissent au cours du même siècle, d’abord à axe vertical, puis à axe horizontal. La première description claire d’un moulin à eau à engrenages est celle de Vitruve, vers 25 av. J.-C. : une roue en dessous entraîne la meule par un tambour denté et une roue horizontale plus grande.

À Barbegal, près d’Arles, les Romains installent seize roues en dessus sur deux rangées de huit, en gradins sur le flanc d’une colline, alimentées par un aqueduc. Le complexe est construit au IIe siècle apr. J.-C. En Chine, Du Shi actionne à l’énergie hydraulique les soufflets des fonderies de fer en 31 apr. J.-C.

Une noria : le courant fait tourner la roue, et la roue soulève une partie de la rivière.

En Afrique du Nord et au Proche-Orient, la noria, grande roue à pots mue par le courant, monte l’eau dans des canaux d’irrigation et alimente les villes. Au Xe siècle, le médecin al-Razi en décrit une, en Irak, qui élève environ 153 000 litres à l’heure.

Les moulins à eau se multiplient dans l’Europe médiévale. Le Domesday Book de 1086 en recense environ six mille en Angleterre, et les roues finissent par entraîner foulons, scies, soufflets de forge et marteaux.

Dans les années 1750, l’ingénieur anglais John Smeaton essaie des modèles réduits de roues. À énergie hydraulique disponible comparable, ses modèles en dessus fournissent au moins deux fois le travail de ses modèles en dessous. Il publie ses résultats en 1759. Ce rapport concerne les modèles testés ; il ne vaut pas pour toutes les roues hydrauliques. La roue de Laxey, sur l’île de Man, achevée en 1854 pour pomper l’eau des mines de Laxey, mesure 22,1 mètres de diamètre. À partir de 1827, la turbine de Benoît Fourneyron commence à remplacer la roue, et les turbines des centrales hydroélectriques en descendent.