Hydraulique

L'hydraulique (du Grec: ὑδραυλικός (hydraulikos) de la racine ὕδωρ (hydor, grec pour l'eau) et αὐλός (aulos, c'est-à-dire tuyau) est une technologie et une science appliquée ayant pour objet d'étude les propriétés mécaniques des liquides et des fluides. La mécanique des fluides est une science fondamentale qui constitue la base théorique de l'hydraulique. L'ingénierie a recours à l'hydraulique pour la génération, le contrôle et la transmission de puissance par l'utilisation de liquides sous pression. Les sujets d'étude de l'hydraulique couvrent des questions scientifiques et des problématiques d'ingénierie. L’ingénierie hydraulique s’intéresse aux concepts de débit dans des tuyaux, à la conception de barrages, à la microfluidique et aux pompes. Les principes de l'hydraulique sont utilisés également en biologie dans le corps humain par exemple le système cardiovasculaire. L'hydraulique à surface libre est la branche de l'hydraulique étudiant les débits des écoulement à surface libres, comme les rivières, les canaux, les lacs, les estuaires et les mers.

Définitions

Anciennement, l'hydraulique désignait la science qui enseigne à mesurer, à diriger et à élever les eaux. Les machines hydrauliques désignaient principalement les pompes employées à cet effet. L'hydraulique était alors du ressort du fontainier et ses ouvriers spécialisés, les pompiers, spécialisés dans la fabrication et l'entretien des pompes, et les plombiers, spécialisés dans le façonnage du plomb.

Louis Vicat lui donnera une signification supplémentaire, l'hydraulicité désignant la qualité des mortiers, plâtres, chaux et ciments pouvant faire prise sous eau.

Le mot hydraulique désigne de nos jours deux domaines différents :

• les sciences et les technologies de l'eau naturelle et ses usages : hydrologie, hydraulique urbaine, hydrogéologie, etc. (voir le Portail Eau) ;
• les sciences et les technologies de l'usage industriel des liquides sous pression : hydrostatique et hydromécanique, oléohydraulique, moteur hydraulique, pompe oléohydraulique, presse hydraulique, machine hydraulique, etc.

Champs d'études de l'hydraulique

Les champs d'études qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :

• les machines hydrauliques (voir hydromécanique et oléohydraulique) ;
• les écoulements de fluides incompressibles en conduite ou à surface libre ;
• l'énergie hydraulique ;
• l'hydraulique urbaine ;
• l'hydraulique fluviale ;
• l'hydraulique en charge ;
• les canaux.

Historique

Le mot hydraulique vient du mot grec ὑδϱαυλικός (hydraulikos) qui vient de ὕδϱαυλος qui signifie orgue à eau qui dérive à son tour de ὕδωϱ (eau) et de αὐλός (tuyaux).

Dans le monde méditerranéen, les premiers grands maîtres de cette science furent Héron d'Alexandrie et Ctésibios. Ainsi ce dernier perfectionna la clepsydre, inventa un monte-charge et un orgue hydraulique, l'Hydraule.

De manière générale, le fluide utilisé dans les systèmes hydrauliques (eau ou huile) est incompressible. Une pression est appliquée au fluide par l'intermédiaire d'un piston dans un cylindre, provoquant une pression équivalente sur un autre piston qui délivre l'énergie. Si la surface du second piston est supérieure à celle du premier, alors la force exercée par le second piston est supérieure à celle appliquée au premier piston. C'est le principe de la presse hydraulique, qui a été découvert en 1650 par Blaise Pascal et mis en application en 1785 par Joseph Bramah.

Un des fondateurs de l'hydraulique moderne a été Benedetto Castelli, élève de Galileo Galilei.

Système à air comprimé versus hydraulique

La compression d'un gaz dégage de la chaleur, qui est une énergie perdue. Plus la pression est élevée, plus la chaleur dégagée est importante. Le rendement est donc plus faible.

Inversement, avec un liquide incompressible (huile, eau), la chaleur dégagée lors de la mise en pression n'est due qu'aux frottements (déplacement du liquide) et augmente peu avec la pression. On obtient donc des rendements largement supérieurs à ceux obtenus avec des systèmes à air comprimé.

La perte d'énergie due à la circulation d'un fluide dépend : de la longueur du conduit, du diamètre du conduit, des obstacles au déplacement du fluide, de sa vitesse, de la masse volumique du fluide (eau : 1 000 g/l ; air non compressé : 1,3 g/l).

Mais autant les fuites d'air ont souvent des effets négligeables, ce n'est pas le cas des fuites d'huile (pollution, risque d'incendie, etc.) ou des fuites d'eau (oxydation des pièces voisines, etc.).

Le réseau hydraulique

Un réseau hydraulique est typiquement composé de :

• réservoir ;
• filtres ;
• pompes ;
• limiteur de pression (aussi appelé détendeur) ;
• ballon anti coup de bélier (plus communément appelé « boule d'azote » dans le milieu agricole ou accumulateur de pression) ;
• clapet anti-retour ;
• régulateur de débit ;
• régulateur de pression ;
• distributeurs et appareils de régulation ;
• valves d'équilibrages ;
• clapet parachute (notamment dans le domaine des ascensoristes) ;
• limiteur de capacités ;
• flexibles et conduites (en France, les conduites en plomb des années 1950 sont peu à peu remplacées par des conduites en polyéthylène haute densité couramment appelé PEHD) ;
• clapet unidirectionnel ou bypass ;
• récepteurs ;
• pompe péristaltique.

Bibliographie

• Pierre Guével, Mécanique des fluides: dynamique des fluides parfaits, écoulements laminaires des fluides visqueux et éléments d'hydraulique industrielle, École Centrale de Nantes, 1971 [lire en ligne]
• Jacques Grinevald, L’Architecture hydraulique au xviii^e siècle : un paradigme vitruvien (Contribution à une sociologie historique de la technologie). Itinéraires, notes et travaux, n^o  2, Genève, I.U.E.D., février 1979, 29,7 cm, 70 p., ill. (Polycopié.)
• Jacques Grinevald, « Le Monde comme architecture hydraulique », CoEvolution, Paris, n^o  10, Automne 1982, p. 30-33, ill.
• Jean-Pierre Viollet, L’Hydraulique dans les civilisations anciennes : 5000 d’histoire. 2^e éd. Revue et corrigée. Paris, Presses de l’Écoles des Ponts et Chaussées, 2004. 24 cm, 383 p., ill. Bibliogr. p. 367-383.
• Jean-Pierre Viollet, Histoire de l’énergie hydraulique : moulins, pompes, roues et turbines de l’Antiquité au xx^e siècle. Paris, Presses de l’Écoles des Ponts et Chaussées, 2005. 24 cm, 232 p., ill. Bibliogr. p. 221-227.

Voir aussi

• Centre d'études et de recherche de Grenoble