Lorsque Don Lemon, physicien au Bethel College du Kansas, a rencontré un camion de pompiers du XVIIIe siècle conçu par l’inventeur anglais Richard Newsham exposé au musée Hall of Flame de Phoenix, il a été intrigué par son mécanisme de pompe. Cette curiosité l’a poussé à faire équipe avec son collègue physicien Trevor Lipscombe de l’Université catholique d’Amérique à Washington, DC, pour examiner la mécanique des fluides sous-jacente et proposer un modèle analytique simple. Leur analyse, décrite dans un nouvel article publié dans l’American Journal of Physics, a donné un aperçu de la conception innovante de Newsham, qui incorporait un dispositif connu sous le nom de « moulin à vent ».
Une recherche rapide sur Google sur « l’effet Windkessel » donne une entrée sur un terme physiologique pour décrire l’apport sanguin cœur-aorte, remontant à l’homme qui l’a inventé en 1899 : le physiologiste allemand Otto Frank. « Windkessel » signifie « chambre à vent » en allemand, mais le système circulatoire humain n’a pas de chambre à vent littérale, donc l’utilisation de Frank était clairement métaphorique. Cependant, il existe des utilisations anglaises antérieures de la terminologie de la chambre à vent qui font référence à une chambre hermétique fixée à une pompe à eau à piston pour lisser l’écoulement de l’eau dans les camions de pompiers comme ceux conçus par Newsham, par Lemon et Newsham.
Des dispositifs rudimentaires de lutte contre les incendies existent depuis au moins 2 avant notre ère, lorsque Ctésibius d’Alexandrie a inventé la première pompe à incendie ; il a été réinventé dans l’Europe du XVIe siècle. À la suite de l’incendie de 1666 qui a détruit une grande partie de Londres, il était urgent de mettre en place des stratégies de lutte contre les incendies plus efficaces. Cela a finalement conduit à l’invention de ce que l’on appelle les « moteurs à vis sans fin » : des tuyaux en cuir fixés à des pompes à commande manuelle. On attribue généralement à John Lofting l’invention, le brevetage et la commercialisation de ces appareils, qui extrayaient l’eau d’un réservoir tandis que le tuyau (« ver ») permettait aux utilisateurs de pomper cette eau dans un flux soi-disant continu, pour mieux lutter contre les incendies. Mais on ne sait rien de ses vers suceurs après 1696.
En 1721 et 1725, Newsham a breveté des conceptions pour un « moteur à eau pour l’extinction et l’extinction des incendies », avec une citerne pouvant contenir jusqu’à 170 gallons d’eau. Les conceptions de Newsham ont dominé le marché des véhicules de pompiers jusque dans les années 1770, s’étendant même à l’étranger. La ville de New York utilisait ses moteurs en 1731. Et lorsque le bâtiment du Capitole de Williamsburg a brûlé en 1747, la colonie a importé l’un des véhicules de pompiers de Newsham pour mieux lutter contre les incendies futurs ; il est toujours exposé dans un musée colonial de Williamsburg.
« De nombreux problèmes de physique fascinants se cachent à la vue de tous dans des livres et des articles écrits il y a des siècles », a déclaré Lipscombe. « Récemment, nous avons travaillé sur l’application de la mécanique des fluides élémentaire aux systèmes biologiques et sommes tombés sur une description courante dans les revues médicales : « Le cœur agit comme un moulin à vent. Cela soulève la question de savoir ce qu’est exactement un moulin à vent. En suivant la piste, nous avons trouvé des descriptions du dispositif « ver suceur » de Lofting et, dans le camion de pompiers de Newsham, une application qui sauve des vies. »
Société des Antiquaires de Londres
Pour en savoir plus, ils ont collecté des données à partir de documents anciens (brevets, publicités, photographies, etc.) et de vidéos actuelles des camions de pompiers en fonctionnement et ont pu inspecter personnellement un bateau à vent survivant au Phoenix Hall of Flame. Par exemple, les documents marketing du ver suceur de Lofting affirmaient qu’il était capable de pomper « un jet continu » d’eau « de 400 pieds de haut ».
Les auteurs estiment que ces deux affirmations sont probablement des exagérations, sur la base de leur examen de la mécanique des fluides. Alors qu’une pompe à commande manuelle pourrait produire un jet avec la vitesse requise au niveau du sol de 22 mètres/seconde, « sans l’ajout d’un dispositif pour réguler et lisser le jet d’eau, une pompe à piston produirait de l’eau par à-coups, plutôt que , comme annoncé, en continu », ont-ils écrit. « Mais aucun dispositif de régulation de ce type n’est mentionné dans le brevet de Lofting sur le ver suceur de 1690 ni illustré dans ses publicités. »
Il est fait mention d’un tel dispositif de régulation pour produire un flux continu d’eau dans un traité néerlandais de 1690 de Jan van der Heyden, mais van der Heyden n’a jamais fourni de détails sur les « parties internes », selon Lemon et Lipscombe, peut-être pour éviter les brevets. infraction. Heureusement, il existe plusieurs camions de pompiers Newsham qui intègrent un dispositif de régulation du flux. (On ne sait pas exactement qui a inventé le dispositif de régulation, mais apparemment ce n’était pas Newsham ou Lofting.) Deux hommes tiraient généralement le camion de pompiers sur les lieux d’un incendie, tandis qu’une brigade de seaux gardait son conteneur ouvert en forme de cercueil rempli d’eau.
Des pistons à commande manuelle extrayaient l’eau du réservoir et la pompaient à travers le moulin à vent. L’eau pompée entrerait initialement dans le moulin à vent à un taux d’injection élevé, emprisonnant et comprimant l’air dans la partie supérieure de la chambre. Lorsque le débit d’injection diminuait, l’air comprimé se dilatait et expulsait l’eau à travers un tuyau ou un tuyau métallique vers le feu. Les deux pompes avaient chacune des rabats en cuir afin que l’une puisse aspirer l’eau du réservoir tandis que l’autre pompait de l’eau dans le vase à vent, produisant un jet pratiquement continu sauf lorsque les pistons inversaient leur direction. « Même ainsi, le débit d’une pompe à deux pistons varie avec le temps », écrivent les auteurs.