En mécanique, un piston est une pièce rigide de section généralement circulaire coulissant dans un cylindre de forme correspondante. Le déplacement du piston entraîne une variation de volume de la chambre, partie située entre le piston et l'extrémité du cylindre. Un piston permet la conversion d'une pression en un travail, ou réciproquement.
Applications thumb|upright|Un piston permet la conversion d'une pression en un travail ou réciproquement. Les pistons sont présents dans de nombreuses applications mécaniques. La plus courante est le moteur à explosion, notamment dans l'automobile. On trouve également un ou plusieurs pistons dans les compresseurs, les pompes, les vérins, les détendeurs, les régulateurs, les distributeurs, les valves, les amortisseurs, mais aussi les seringues médicales ou les instruments de musique à pistons.
On distingue deux types de pistons : les pistons à simple effet, où la pression n'agit que sur une face ( seringues médicales), et les pistons à double effet, où la pression agit sur ses deux faces ( locomotive à vapeur). Le déplacement du piston provoque ou est provoqué par une pression à l'intérieur de la chambre.
La plupart des pistons sont d'une conception simple (un piston plat est tiré ou poussé par une tige), hormis dans les moteurs, où ils font l'objet d'études approfondies. Ces derniers diffèrent par leur forme, leurs fonctions et leurs dimensions ; leur gamme est illimitée. Néanmoins, des « grandes classes » peuvent être distinguées selon le type de moteur (forme de la tête, matériaux utilisés).
Dans un moteur thermique, les pistons sont soumis à des contraintes mécaniques, résultant de la pression de combustion des gaz et de la dynamique du déplacement cyclique, et à des contraintes thermiques, en raison de la différence de température entre le piston et les gaz brûlés. Ces contraintes expliquent le choix, en général, de l'acierDans les moteurs à essence, l'aluminium est souvent privilégié pour permettre une meilleure évacuation de la chaleur et éviter le cliquetis, alors que dans les moteurs Diesel, l'allumage se faisant par auto-inflammation, l'acier est préféré..
Histoire
La première apparition du piston remonte à l'invention de l'hydraule ou orgue hydraulique, premier orgue de l'histoire, par Ctésibios, ingénieur grec du Le piston est dans ce cas utilisé afin de générer une bulle d'air nécessaire à la production d'un son dans le tuyau de l'orgue. Il est aussi l'inventeur de la pompe aspirante et refoulante, composée de deux corps de pompe cylindriques à pistons verticaux. Des barres manœuvrées par les hommes permettaient d'abaisser et de relever alternativement les pistons.
Ce qui n'était souvent que des objets de curiosité pour les grecs, sera mis en pratique par les romains.
Les pompes thumb|upright|Piston dans une pompe aspirante.
De l'époque romaine deux pompes nous sont parvenues dans un état de conservation important. L'une à la mine de Sotiel Coronada à Calañas en Espagne, l'autre à Bolsena en ItaliePompe à pistons Par Ph. Fleury et S. Madeleine. Sur unicaen.fr.
En fontainerie, fin , dans les pompes à bras employées à l'usage du pompage de l'eau, le piston est un corps cylindrique, solide ou percé, avec ou sans soupape à l'intérieur, attaché à l'extrémité d'une verge ou tringle de fer ou de bois qu'on lève et baisse alternativement dans le tuyau ou corps de pompe par le moyen d'un balancier, pour aspirer et faire monter l'eau; Il s'agit souvent d'une pièce de cuivre, ou un morceau de bois tourné garni de cuir au pourtour et cerclé en cuivre. Le piston est évidé et garni d'un clapet, lorsqu'il fait le service d'une pompe aspirante, et il est plein lorsqu'il fait celui d'une pompe foulante. Dans les pompes en bois, un manchon - cylindre en cuivre rouge - est rapporté à l'intérieur du corps de pompe, à l'endroit où est placé le piston pour rendre son frottement plus doux, et pour qu'il ferme bien hermétiquement..
La garniture d'un piston de pompe aspirante consiste en un clapet, en deux frettes de cuivre ou de fer que l'on rapporte haut et bas et en un morceau de cuir qui enveloppe le piston pour rendre son frottement plus doux.
Dans les machines soufflantes
Des pistons en fonte, actionnés par des machines à vapeur, remplacent les antiques soufflets dans les hauts fourneaux de John Wilkinson à partir de 1776, par l'ingénieur écossais James Watt.
Les machines soufflantes sont des pompes de même genre que les pompes aspirantes et foulantes qui servent à élever les eaux et tout ce qu'on a dit sur ces dernières pour obtenir un jet d'eau continu s'applique également aux soufflets cylindriques qui doivent produire un jet d'air continu à l'extrémité du canon.
Les moteurs
Dans les machines à vapeur
Ce n'est que par les connaissances acquises du vide et de la pression atmosphérique, début , que l'on a pu conceptualiser les premières machines à vapeur, mues par le vide partiel créé sous un piston par la condensation de la vapeur d'eau, réalisées entièrement en 1712, par Thomas Newcomen.
Dans la connaissance du vide, les expériences de Evangelista Torricelli en 1644 (qui détermine que pour une pompe aspirante, l'égalisation de pression est atteinte pour une hauteur de colonne d'eau de , ce qui est aussi le domaine d'utilisation de ces pompes) et de Otto von Guericke en 1645 (Il invente la pompe à air, basée sur le jeu d'un piston dans un cylindre) sont décisives.
En 1679, le Français Denis Papin construit la première chaudière, protégée par la première soupape de sûreté. Conscient du potentiel de la vapeur, il propose l'idée du piston, qui donnerait accès à des puissances insoupçonnées jusqu'alors. Son prototype, en 1690, reste inefficace.
La machine de Thomas Newcomen, en 1712, qui permet de réaliser l'exhaure des mines est la première machine à vapeur efficace faisant l'usage d'un piston, plaçant celui-ci au cœur de la révolution industrielle.
Dans les moteurs à explosion
L'inventeur suisse François Isaac de Rivaz s'inspire du fonctionnement du pistolet de Volta pour construire le premier moteur à combustion interne dont il obtint le brevet le . Son moteur se compose d'un cylindre placé verticalement. La détonation à partir de gaz de houille projette vers le haut un piston qui, retombant, tire une corde reliée aux roues avant d'un chariot.
C'est réellement en 1873, grâce à l'américain Brayton, que la forme générale actuelle du piston, ainsi que l'utilisation de segments élastiques logés dans des gorges creusées dans le piston, prend ses origines.
La fonte est le matériau constitutif du piston et le demeure durant de nombreuses années. En 1911, Hispano-Suiza inaugure un piston en aluminium offrant bien plus de légèreté. Néanmoins, en raison du coefficient de dilatation trois fois supérieur pour l'aluminium, engendrant de ce fait un risque de grippage plus important, la plupart des constructeurs automobiles conservent la fonte. Il faut donc attendre les années 1920 pour voir l'aluminium s'imposer. Par la suite, les progrès réalisés en termes de résistance des matériaux (utilisation d'alliages de cuivre, de nickel ou de silicium) ainsi qu'en termes de « perfectionnement des techniques de coulage et d'usinage » ont permis la généralisation de l'acier dans les moteurs automobiles.
Principe Dans une pompe
thumb|left|upright=.5|Pompe aspirante, principe Un piston coulisse dans un cylindre réalisant une dépression dans le cas de la pompe aspirante, ou un refoulement dans le cas de la pompe foulante. Certaines pompes comme la machine de Ctésibios, réalisent alternativement les deux opérations elles sont appelées pompe aspirante refoulante.
Un clapet placé sur le piston dans le cas de la pompe aspirante, impose à l'eau de circuler dans un seul sens et permet de répéter l'opération de pompage. Dans les pompes aspirantes/refoulantes un deuxième clapet est nécessaire.
La pompe à piston est qualifiée de pompe volumétrique alternative (dont le mouvement est alternatif, par opposition aux pompe rotatives). Elle peut être associée à un système bielle-manivelle pour en augmenter son efficacité. Elle était éventuellement actionnée par un moulin à eau ou un manège.
Dans la pompe aspirante, c'est la pression atmosphérique qui définitivement fait monter l'eau dans la colonne. L'égalisation de pression est atteinte pour une hauteur de colonne d'eau de , comme l'a établi Evangelista Torricelli en 1644
Dans un moteur vignette|redresse|Animation de deux pistons coulissant dans deux cylindres dont le mouvement rectiligne est transformé en un mouvement circulaire par le système bielle-manivelle.
Une pression est égale à une force sur une surface (force divisée par une surface). On a donc :
Avec : P la pression (en pascals) (Pa) ; F la force (en newtons) (|N) ; S la surface (en mètres carrés) (m).
Ainsi une force de exercée sur une surface de est égale à une pression de . De même qu'une pression de sur une surface de engendre une force de .
Cette pression P exercée sur la surface S du piston provoque le déplacement de celui-ci (appelé course C) donc du point d'application de la force F cela crée un travail :
Avec : W le travail en joules (J) ; F la force en newtons (N) ; C la course en mètres (m).
Ainsi une force de dont le point d'application se déplace de dans la direction de la force produit un travail de . De même qu'un travail de déplace une force de sur une distance de dans la direction de la force.
C'est ce travail qui permet l'effet moteur (moteurs thermiques) ou qui est à l'origine d'une pression ou d'une dépression (pompes et compresseurs).
Le piston fonctionne grâce à cette loi physique. La différence de pression entre la chambre et l'extérieur fait que les parois sont soumises à une force. Le piston n'étant pas solidaire de la chambre il se déplace, sous l'action de cette force jusqu'à obtenir une pression égale entre la chambre et l'extérieur. À l'inverse, un déplacement du piston par l'action d'une force extérieure fait varier la pression à l'intérieur de la chambre. Le fonctionnement du piston repose sur ce principe d'une différence de pression induisant un mouvement rectiligne du piston ou inversement le mouvement rectiligne du piston induisant une différence de pression.
D'un point de vue purement mécanique, le piston nécessite un système bielle-manivelle pour exploiter le travail fourni. Ce système permet la transformation d'un mouvement rectiligne (le déplacement du piston dans la chemise) en un mouvement circulaire, comme c'est le cas dans les moteurs, et vice versa.
Anatomie du piston La tête du piston thumb|upright=0.5|Piston à clapet de pompe aspirante.A = OuvertB = ferméC = Vue de dessous thumb|left|upright|Piston d'une automobile Nissan dont la tête est inclinée et creusée diamétralement. La tête de piston est la partie en contact avec le fluide (les gaz dans un moteur) à comprimer ou détendre.
Dans les pompes Dans les pompes à bras, le piston est un corps cylindrique, solide ou percé, avec ou sans clapet, attaché à l'extrémité d'une verge ou tringle de fer ou de bois qu'on lève et baisse alternativement dans le tuyau ou corps de pompe par le moyen d'un balancier, pour aspirer et faire monter l'eau; Il s'agissait souvent d'une pièce de cuivre, ou un morceau de bois tourné garni de cuir au pourtour et cerclé en cuivre. Le piston est évidé et garni d'un clapet anti-retour, lorsqu'il fait le service d'une pompe aspirante, et il est plein lorsqu'il fait celui d'une pompe foulante.
Dans les moteurs