Pourquoi les roulements à billes sont partout autour de nous

Ian Sullivan pour le Deseret News

Je me souviens quand j'ai appris à faire du vélo - cinq ans, trois pieds et demi de haut. Au début, la moto était lourde et maladroite et je me suis écrasé plus d'une fois sur l'asphalte. Mais ensuite j'ai compris – comment équilibrer, pédaler et diriger – et je volais. J'ai réalisé que j'avais passé ma vie à peu près comme un objet stationnaire, mais maintenant j'avais des roues et ma propre vitesse. Je pouvais tourner en rond ou aller vite en ligne droite. C'était comme la liberté. C'était comme de la magie.

À cette époque, je ne me demandais pas comment il se pouvait qu'un enfant de cinq ans puisse filer comme un oiseau avec très peu d'effort ou de retenue. Je l'ai pris pour acquis. Les vélos existaient, donc je les conduisais. Pour s'amuser. Parce que je le pouvais. Quand mon vélo est tombé en panne, autre chose qu'un pneu crevé, je ne savais pas comment le réparer. Finalement, j'en achèterais un nouveau. J'ignorais la machine, la façon dont la magie fonctionnait réellement.

Quand j'avais 19 ans, j'ai quitté la maison pour aller à l'université. Je n'avais pas de voiture, j'avais donc besoin d'un vélo, et il y avait un magasin de vélos en face du campus. Je suis entré et j'ai dit au mécanicien aux cheveux longs que je voulais un vélo qui tourne bien à grande vitesse et qui ne tombe pas en panne. Il a sorti une Motobécane, rouge et noire, fabriquée en France. Je l'ai monté et je suis tombé amoureux.

Le mécanicien, cependant, m'a prévenu que le vélo était en panne. Il a déclaré: "C'est un bon vélo, avec de bons composants, mais même les meilleurs vélos doivent être entretenus."

Les vélos, m'a-t-il dit, sont de loin le moyen de transport le plus efficace, car ils sont légers et roulent sur des roulements à billes. Toutes les pièces mobiles - les roues, les pédales et la manivelle, la colonne de direction - tournent toutes sur des roulements à billes.

"Vous ne pouvez pas les voir", a-t-il dit. "Ils sont cachés à l'intérieur - des anneaux de billes d'acier tournant à l'intérieur de coquilles en forme de beignet, ou c'est plutôt comme s'ils étaient pris en sandwich entre les deux côtés d'un bagel."

Il tenait ses mains comme s'il tenait un bagel ensemble. "Trop serré et les balles ne tournent pas. Trop lâche et les balles vacillent. Mais entre les deux, il y a un endroit magique où il n'y a pas de friction."

Il a ramassé une roue avant posée sur le banc, m'a dit de la tenir par l'essieu - une main de chaque côté - et il l'a fait tourner.

Il a dit : "Un gars a apporté cette roue parce qu'elle vacillait, parce qu'elle avait des roulements desserrés."

La roue dans mes mains avait l'impression de tourner sur du beurre - silencieusement, sans vibrations - comme si elle n'allait jamais s'arrêter.

"J'ai ajusté les roulements", a-t-il déclaré. "Maintenant c'est bon."

Il m'a dit que les roulements de mon vélo étaient également bons, pour l'instant, mais qu'ils finiraient tous par se désaligner et auraient besoin d'être ajustés.

"C'est comme ça", a-t-il dit, "Il est donc temps que vous appreniez à garder vos repères."

J'ai acheté le vélo et un tas d'outils, ceux dont il a dit que j'avais besoin.

Je ne me souviens pas du temps qu'il a fallu après cela, ni pourquoi j'ai commencé à démonter le vélo, mais il est arrivé un moment où le vélo était en morceaux et j'avais une centaine de petites billes d'acier qui roulaient sur le sol de ma cuisine. J'avais transformé une machine parfaitement fonctionnelle en chaos, et j'ai pensé : "Cela ne finira peut-être pas bien."

Il s'avère que les roulements à billes sont tout autour de nous, à l'intérieur de toutes nos roues et de tous nos moteurs. Nous ne les voyons pas en action parce qu'ils sont cachés, enfermés par conception. Mais ils sont là, à l'intérieur de nos ventilateurs, aspirateurs et moteurs à réaction, ainsi que de nos vélos, voitures et camions. Ils sont littéralement notre façon de rouler. Sans roulements à billes, la civilisation telle que nous la connaissons s'arrêterait bruyamment. Et pourtant, nous leur accordons très peu de reconnaissance ou de respect. Nous ne pensons pas d'où ils viennent ni comment ils sont arrivés ici. Nous ne savons pas que nous dépendons d'eux.

Il existe de nombreux types de roulements. Certains ont des billes ou des rouleaux et d'autres non. Leur point commun est leur fonction, qui est de réduire les frottements. Aujourd'hui, c'est ce dont nous avons besoin et ce que nous voulons - moins de friction, à plus d'un titre - mais pendant la majeure partie de l'histoire humaine, la friction n'a pas été un problème, pas quelque chose qui devait être réduit ou surmonté. Avant, la friction était une bonne chose. C'est ainsi que nous avons évité de glisser en marchant. C'est ainsi que nous construisions nos feux.

Mais ensuite, il y a environ 10 000 ans, les gens ont commencé à déplacer de gros rochers sur le sol pour construire des monuments mégalithiques sacrés. Nous parlons de roches de la taille d'éléphants et de baleines, souvent transportées sur plusieurs kilomètres, pour construire des structures qui reliaient la terre au ciel, des structures qui avaient des pouvoirs magiques. C'est à ce moment que la friction est devenue un problème, et c'est ainsi que notre dépendance aux roulements a commencé.

C'étaient des gens de l'âge de pierre, ce qui signifie qu'ils n'avaient que des outils en pierre pour travailler. Les chevaux n'étaient pas encore domestiqués. Les énormes rochers qu'ils ont déplacés et placés sont toujours debout à travers l'Afrique, l'Europe, l'Asie et les îles de l'océan Pacifique. Personne ne sait avec certitude pourquoi ils l'ont fait parce qu'ils n'ont rien écrit. Il n'y avait pas de langue écrite à l'époque. Nous ne savons donc pas non plus avec certitude comment ils ont fait, mais il semble n'y avoir qu'une seule possibilité.

Pensez à Stonehenge, construit il y a 4 600 ans sur ce qui est aujourd'hui la plaine de Salisbury en Angleterre. Les hautes pierres dressées de l'anneau extérieur mesurent 13 pieds de haut et sept pieds de large, quatre pieds d'épaisseur, chacune pesant jusqu'à 30 tonnes, et elles proviennent d'une carrière à 15 miles de là.

Imaginez que nous nous tenions là dans la carrière, il y a 4 600 ans, regardant l'une des pierres gisant sur le sol - 13 pieds de long, 30 tonnes - nous demandant comment nous allons la déplacer ne serait-ce que d'un pied, sans parler de 15 miles.

Nous avons un problème de base : trop de friction. La friction provient des surfaces glissant ou roulant les unes sur les autres - plus la surface entrant en contact est grande, plus la friction est créée. Si notre pierre avait la forme d'une boule, elle n'aurait pas beaucoup de surface touchant le sol et nous pourrions la rouler, mais au lieu d'une boule, nous avons une longue dalle. Le faire glisser sur le sol semble impossible.

Notre seul espoir est de réduire la quantité de surface entrant en contact entre la roche et le sol. Vous avez peut-être déjà trouvé la réponse : nous utilisons des bûches lisses comme goupilles sous la roche. Nous abattons quelques arbres avec nos haches de pierre et aplanissons les troncs et nous les plaçons sous la roche, l'un après l'autre. La roche ne touche pas le sol, elle roule sur les rondins roulants - une énorme réduction de la friction.

C'est ainsi que nous pensons qu'ils l'ont fait. Nous ne savons pas avec certitude, mais les seules autres réponses sont par magie ou extraterrestres.

Ce furent les premiers roulements, la première étape pour vaincre les forces de frottement. Nous les appelons maintenant roulements à rouleaux et nous les utilisons toujours pour les bandes transporteuses.

La deuxième grande innovation dans la réduction du frottement a été l'invention de la roue - ou devrais-je dire l'invention de la roue et de l'essieu, car ils vont toujours ensemble. Cet endroit, où la roue tourne autour de l'essieu, c'était le nouveau roulement. Nous l'appelons maintenant un palier lisse.

Pendant des milliers d'années, les méthodes et la pratique de la construction de roues sont restées essentiellement les mêmes. Tout cela a changé en 1869 lorsqu'un mécanicien de vélos français nommé Jules Suriray a conçu et construit des roulements à billes pour une roue de vélo. Le vélo a été un grand bond en avant dans l'évolution des roulements et la réduction des frottements.

Tout a commencé avec la machine à courir, inventée en 1817. C'était comme une bicyclette, mais sans pédales. Le cadre était en bois, les roues étaient en bois avec des paliers lisses. Pour le faire avancer ou reculer, il fallait marcher ou courir les pieds sur le sol. Les Français l'appelaient le vélocipède. En 1860, les vélocipèdes parisiens avaient d'assez beaux cadres en alliage d'acier léger. Des pédales ont été ajoutées au cours des années suivantes et le vélo est né. Les premiers vélos avaient de grandes roues avant, car de cette façon, ils allaient plus loin et plus vite à chaque tour de pédale.

En 1869, il y avait des jeunes hommes faisant des courses de bicyclettes dans tout Paris. Les gens appelaient les vélos des os-shakers pour tous les coups et rebonds sur les routes pavées. Ces forces de claquement et de rebond sont d'abord transmises au palier lisse de la roue avant, puis à travers le cadre en acier jusqu'aux os du cycliste.

Les roulements s'usent, tout comme les vertèbres inférieures. Les pièces mobiles doivent fonctionner comme une unité - tout en gardant la bonne forme et la bonne taille, en alignement - tout en se déplaçant sur le sol et en étant soumises aux forces de gravité et aux accélérations latérales. Vous pouvez commencer avec tout ce qui fonctionne très bien ensemble, mais finalement la friction va créer de la chaleur qui provoque un gonflement qui provoque plus de friction… et l'unité va s'effondrer, surtout s'il y a des coups et des rebonds impliqués.

Nous savons que Suriray était forgeron/mécanicien de vélos à Paris. On sait qu'il avait une boutique près de la place de la République. Mais, malheureusement, on sait très peu de choses sur son histoire personnelle ou sur la façon dont il a conçu son roulement à billes.

Je suppose, ou j'imagine, que des jeunes hommes de Paris ont apporté à Suriray leurs vélos cassés et lui ont demandé de les réparer pour qu'ils aillent encore plus vite. Ils voulaient un avantage concurrentiel. Suriray a regardé les vélos et s'est rendu compte que leurs roulements de roue avant s'usaient à cause des frottements et des abus. S'il pouvait réduire la friction, le vélo irait plus vite et durerait plus longtemps.

Nous savons qu'il y avait une grande course à venir - le 7 novembre 1869 - la première course cycliste longue distance à travers la campagne, Paris à Rouen, 80 milles. Suriray n'a pas inventé le roulement à billes, il était juste la première personne à construire un roulement à billes qui fonctionnait réellement pour une roue et un essieu. Il a limé les billes d'acier à la main, puis a utilisé un tour pour fabriquer deux demi-coquilles rondes, puis il a compris comment les maintenir en place - ni trop serrées, ni trop lâches - pour que les billes tournent librement entre l'essieu et la roue. . Son design était simple et il fonctionnait très bien. C'est essentiellement le même design que nous utilisons aujourd'hui. Il a dû se sentir vraiment bien quand il a fait tourner la roue. Cela a peut-être semblé magique.

Cent vingt coureurs se sont présentés à l'Arc de Triomphe pour le départ de la course. Le parcours suivait des routes de campagne cahoteuses avec des sections en montée où les vélos devaient être poussés. James Moore, un Anglais de 20 ans sur le vélo de Suriray, a terminé premier, 15 minutes devant les deuxième et troisième coureurs. Moore est devenu célèbre et Suriray s'est lancé dans les affaires en fabriquant des roues de vélo avec des roulements à billes.

Puis, en 1870, la guerre franco-prussienne éclate et Paris devient une zone de guerre. Plus personne ne s'intéressait aux vélos.

La fabrication de bicyclettes s'est déplacée vers l'Allemagne, l'Angleterre et les États-Unis. Les roulements à billes sont devenus des pièces standard mais leur fabrication était difficile, en particulier les billes d'acier, car elles étaient façonnées et limées à la main, une à la fois. Puis, en 1883, Friedrich Fischer, un fabricant de bicyclettes allemand, a inventé la rectifieuse à billes qui pouvait produire un grand nombre de billes d'acier avec une précision fine, ne variant pas de plus de deux centièmes de millimètre.

En 1890, les bicyclettes ressemblaient et se maniaient à peu près comme elles le font aujourd'hui. Les roues avant et arrière étaient de la même taille et elles avaient des pneus en caoutchouc gonflables. Les pédales étaient au milieu du cadre avec une chaîne à la roue arrière, et toutes les pièces mobiles (à l'exception des freins) tournaient sur des roulements à billes. Ils l'ont appelé le vélo de sécurité parce qu'il était beaucoup plus sûr et plus facile à conduire que le secoueur d'os.

Au milieu des années 1890, un engouement pour le vélo balayait l'Europe et les États-Unis. Il y avait des centaines de fabricants de bicyclettes et des millions de personnes qui roulaient. Les bicyclettes ont donné aux gens un nouveau sentiment de liberté, en particulier aux femmes.

Les femmes qui roulaient à bicyclette ont commencé à revendiquer des droits égaux, comme le droit de vote. On pourrait dire que les roulements à billes leur montaient à la tête - ils voulaient être libres, sans friction, dans tous les aspects de leur vie, pas seulement lorsqu'ils étaient à vélo.

Cependant, tout cela a changé au tournant du siècle lorsque la production de masse d'automobiles abordables a remis les hommes aux commandes.

Les roulements à billes ont été utilisés dans les automobiles, puis dans les avions, ainsi que dans les générateurs électriques et les moteurs électriques. Sans roulements à billes pour réduire la friction, les pièces tournantes de ces nouvelles machines auraient chauffé et se seraient grippées.

De cette façon, les roulements à billes sont devenus essentiels dans notre culture - comme l'eau est essentielle dans notre corps. Une illustration en serait le bombardement de Schweinfurt pendant la Seconde Guerre mondiale. À cette époque, en 1943, la ville de Schweinfurt produisait environ 50 % des roulements à billes tournant à l'intérieur de la machine de guerre du Troisième Reich. La stratégie consistait donc à paralyser la machine de guerre en bombardant les usines de roulements à billes.

Le matin du 17 août 1943, 230 bombardiers B-17 américains décollent d'Angleterre, traversent la Manche en direction de Schweinfurt, en Allemagne. Les bombardiers ont volé dans une formation qui s'étendait sur 20 milles, couvrant le ciel. Une fois au-dessus du continent, ils ont été interceptés par des avions de chasse allemands Messerschmitt qui ont commencé à les abattre. Tous les avions avaient des roulements à billes entourant leurs arbres porte-hélice. C'était une bataille de, par et pour les roulements à billes.

Les usines ont été touchées mais n'ont subi que des dommages temporaires, tandis que les Américains ont perdu environ 20 % de leurs avions et de leurs hommes d'équipage, tués ou faits prisonniers. De toute évidence, la mission de bombardement n'avait pas été un succès. Alors les forces alliées l'ont fait encore et encore - 22 fois en tout. Et pourtant la machine de guerre allemande n'a jamais souffert des roulements à billes.

Aujourd'hui, nous avons la plupart des excellents roulements qui roulent sur des axes de roulement et des cônes de roulement ainsi que sur des billes. Nous avons même des roulements qui roulent sur les fluides et l'air. Par exemple, le disque de mon ordinateur portable tourne sur un palier à air où aucune surface solide n'entre en contact, ce qui réduit la friction à presque rien. Aujourd'hui, le frottement n'est plus un problème à résoudre.

Notre problème maintenant est que nous avons trop de roues et de moteurs qui tournent tout autour de nous. Nous sommes devenus dépendants d'eux et des combustibles fossiles qui les font tourner - nous en avons besoin et nous en voulons de plus en plus, tandis que les glaciers reculent et que les espèces disparaissent.

Ce dont nous avons vraiment besoin maintenant, c'est d'un nouveau type de repère, purement conceptuel, un repère qui pourrait maintenir ensemble deux pensées ou croyances opposées - comme la science et la religion, ou nous et eux - de manière à ce qu'elles puissent se déplacer ensemble sans friction. Jésus et Bouddha pensaient que la compassion pouvait fonctionner de cette façon, en tant que support conceptuel, mais la compassion semble toujours être rare, ou pas là quand vous en avez besoin.

Cela fait 46 ans que j'étais à l'université à regarder les billes d'acier éparpillées sur le sol de ma cuisine, et je dois avouer que je n'ai pas encore maîtrisé l'art de garder mes repères, de trouver l'endroit parfait - ni trop serré, ni trop lâche. - mais j'y travaille.

Cette histoire apparaît dans le numéro d'octobre de Deseret Magazine. En savoir plus sur la façon de s'abonner.