Bateau pop-pop

Bateau pop-pop (en fer-blanc et laiton ?) avec une « cuillère » facilitant l'allumage et le placement de la bougie.

La coque du bateau est généralement construite avec une mince feuille de métal (fer-blanc, cuivre), pour éviter toute matière inflammable à proximité de la flamme du foyer. Certains bateaux comportent un gouvernail mobile permettant de faire tourner le bateau.

Le moteur pop-pop est rudimentaire et ne comporte aucune pièce mécanique mobile :

• une source de chaleur : typiquement une petite bougie plate, mais parfois un brûleur d'huile ou d'alcool. Sur certains modèles, un support amovible avec un manche (cuillère) permet d'allumer plus facilement la bougie ou régler l'intensité de chauffe.
• une petite chaudière remplie d'eau au départ, et typiquement deux tubes fins partant de cette chaudière, avec l'autre extrémité sous le niveau de l'eau et orientée vers l'arrière. Un seul tube suffirait pour le fonctionnement ; cependant, le remplissage initial de la chaudière serait difficile.

Une cabine de bateau (éventuellement amovible) permet souvent de dissimuler le foyer et la chaudière ainsi que protéger la flamme du vent.

Schéma de bateau propulsé par ce moteur à vapeur (Piot, brevet 1891).

L'inventeur est Désiré Thomas Piot (né vers 1835), qui, alors qu'il était londonien, déposa deux brevets n^o 20081 (en 1891)[2] et n^o 26823 (en 1897). Cet ingénieur français, spécialiste en génératrices électriques, s'est illustré au concours Lépine, et sa première action notoire en « technologie pop-pop » est une demande de brevet sur un perfectionnement des chaudières à vapeur. Il semble cependant si peu convaincu par son invention qu'il mentionne que son moteur pourrait être utilisé à la propulsion de jouets[3].

Son moteur est constitué par un serpentin, contenant de l'eau, chauffé par une source de chaleur. Les deux extrémités du serpentin aboutissent à la poupe (l'arrière) du bateau sous la ligne de flottaison. Le serpentin doit être rempli d'eau avant le démarrage du moteur. Si le moteur est correctement réalisé, il ne s'arrête qu'à l'extinction du foyer.

À la suite de cette invention, plusieurs fabricants de jouets aux États-Unis et en Europe commercialisent des bateaux pop-pop d'après le moteur Piot jusqu'en 1924[3].

Schéma d'un bateau pop-pop d'après un brevet de 1934 de Paul Jones.

Le 10 octobre 1916, C.J. Mc Hugh se voit accorder aux États-Unis le brevet n° 1 200 960 (US Patent)[4]. Il consiste à améliorer l'invention de l'ingénieur Piot, en créant une chambre d'évaporation munie d'une membrane flexible à sa partie supérieure. Le bruit généré par cette capsule flexible est à l'origine du nom de pop-pop, le moteur Piot étant quasiment silencieux.

En 1967, le bateau Hell's popin transportant deux personnes et fonctionnant avec deux moteurs pop-pop, a participé à la course Cowes Torquay avant de faire naufrage[5].

Plus récemment, des brevets ont été déposés, destinés à perfectionner le moteur pop-pop de McHugh et à en étendre ses applications[6].

En France, les noms de « bateau pop-pop », « pop-pop » et « bateau à moteur pop-pop » sont déposés à l'INPI par Jean-Jacques Seroul[7].

Le moteur pop-pop est généralement décrit comme un « pulsoréacteur à vapeur »[8]. Les principes physiques de la propulsion pop-pop sont complexes et ils ont longtemps été mal connus, faute de recherches et publications scientifiques suffisantes avant la fin des années 2000[9].

Une machine à vapeur

Principe de fonctionnement d'un moteur pop-pop.

Le moteur pop-pop est une machine thermique, faisant subir à l'eau des transformations cycliques et transformant l'énergie thermique (bougie) en énergie mécanique (déplacement d'eau). La flamme chauffe le réservoir et il apparait alors une oscillation de bulle de gaz (vapeur d'eau) avec une phase d'expulsion d'eau suivie d'une phase d'aspiration. Un moteur pop-pop simplifié, constitué d'un seul tube (sans réservoir) fonctionne parfaitement[9]. Dans un moteur pop-pop à deux tuyaux (ou plus), l'eau n'entre pas par un tube pour ressortir par l'autre tube, mais l'eau est éjectée simultanément par les deux tubes durant la première phase du cycle, puis aspirée simultanément par les deux tubes lors de la deuxième phase[10].

Ce mécanisme cyclique n'est pas complètement compris et il est généralement simplifié ainsi : la chaleur vaporise un peu d'eau ; la bulle de gaz créée repousse la colonne d'eau vers l'extrémité du tube. Par inertie, le mouvement d'éjection se poursuit dans la partie froide du tube. Au contact de la paroi froide du tube, la vapeur d'eau se contracte et se condense. Avec la diminution du volume de gaz, l'eau est à nouveau aspirée vers la zone chaude et le cycle recommence[9].

On observe que plus la chaleur est importante, plus l'amplitude de l'oscillation augmente (quantité d'eau éjectée/aspirée), mais la fréquence (durée du cycle) ne varie pas[9]. La fréquence de l'oscillation est liée aux dimensions du tube.

Un pulsoréacteur

Les mécanismes physiques conséquents à l'aspiration pop-pop sont comparables à ceux du tourniquet de Feynman, un dispositif mobile immergé dans un liquide : tournera-t-il si le liquide est aspiré ? Une question débattue depuis 1883[11].

Le moteur pop-pop est un pulsoréacteur, c'est-à-dire un moteur à réaction cyclique. Lors de la phase d'éjection de l'eau, le bateau est propulsé par la « réaction » à la projection du jet droit d'eau (hydrojet) hors d'une tuyère[8].

Le fonctionnement du bateau pop-pop peut sembler surprenant : on pourrait s'attendre à ce que, si l'eau sort et entre à travers le tube d'échappement, le bateau soit poussé alternativement vers l'avant et l'arrière, et soit ainsi immobilisé. Mais le bateau pop-pop avance. Ce phénomène est observé par le physicien Ernst Mach en 1876 : un appareil qui aspire et rejette alternativement le liquide environnant se déplace comme s'il ne faisait que rejeter du liquide (à l'exemple du calmar).

Certains auteurs ont repris les anciennes hypothèse de Mach (1883) du tourniquet de Feynman : lors de l'aspiration pop-pop, ce serait l'écoulement de l'eau devant le tuyau, observé comme provenant de toutes les directions, qui provoquerait l'absence de recul du bateau[12] - [11]. Néanmoins, cette solution est erronée selon le physicien Jenkins (2011), qui se réfère à la théorie de la conservation de la quantité de mouvement. Lorsqu'elles passent l'extrémité du tuyau d'échappement, l'eau éjectée et l'eau aspirée ont la même quantité de mouvement (dans des directions opposées) par rapport au bateau : les déplacements d'eau à l'extérieur du tuyau n'expliquent donc pas pourquoi le bateau ne recule pas[11]. L'écoulement d'aspiration révèle seulement l'importante perte énergétique d'aspiration par dissipation et turbulence visqueuse, dans le cas d'un fluide non-parfait comme l'eau[11].

Selon Jenkins, lors de la phase d'aspiration, l'eau entre rapidement en collision avec les parois du réservoir et transfère donc sa quantité de mouvement au bateau. La force initiale de réaction du bateau (provoquant théoriquement son recul) est rapidement annulée par la poussée de l'eau contre le réservoir[11].

Construction d'un bateau pop-pop à partir d'une boîte de conserve et d'une chaudière-serpentin.

Les principaux fabricants des jouets commercialisés se situent en Inde et en Asie du Sud-Est[14]. La matière première utilisée pour la coque est le fer-blanc, parfois le laiton pour la cuve de la chaudière et la tuyauterie. Ils sont disponibles à la vente, sur Internet et dans certains magasins de jouets et de souvenirs.

Le bateau pop-pop peut aussi être une construction amateur[15]. La construction ou l'étude du bateau pop-pop est parfois un moyen ludique ou pédagogique d'initier des enfants et adultes à la construction, à la physique (moteur à vapeur, forces, fluides...) et à la méthode scientifique[16].

Ces jouets peuvent se révéler dangereux parce qu'ils brûlent et ne doivent pas être laissés entre toutes les mains[17].

Depuis 1996, un rassemblement de bateaux à moteurs pop-pop, surnommé « Championnat du monde de Loguivy-de-la-Mer de bateaux à moteur pop-pop » se déroule chaque année à Loguivy-de-la-Mer en Bretagne[18].

Dans le film d'animation de Hayao Miyazaki, sorti en 2008, Ponyo sur la falaise, le petit Sôsuke part à la recherche de sa mère à bord d'un bateau pop-pop, jouet agrandi par magie par Ponyo. La scène de mise en route détaille bien le remplissage de la chaudière et l'allumage[19].

• Wolfgang HORN, Philippe ARQUES et Jean VASSEUR, « Modélisation et simulation d'un pulsoréacteur à vapeur », Entropie (Paris), vol. 37, n^o 233,‎ 2001, p. 32–42 (ISSN 0013-9084, lire en ligne, consulté le 28 octobre 2020)
• « Le bateau pop-up » dans Étienne Reyssat, « Gouttes, films et jets : quand les écoulements modèlent les interfaces », thèse de physique (dynamique des fluides), 2007, Université Paris-7, p.163-176 (annexe). en ligne
• Laura Fourgeaud, « Analyse de la dynamique du film liquide dans un caloduc oscillant », (dynamique des fluides), Grenoble 2016, p. 11. lire en ligne
• (en) Syed M. Taha, « Factors influencing performance of a Model Steam Boat », 2016

• en anglais : Valveless pulsejet (en), Jet propulsion (en)