La poudre noire, mélange de salpêtre, de soufre et de charbon, occupe une place particulière dans l’histoire des techniques. Les origines de la poudre noire sont assez méconnues.
La plus ancienne recette détaillée de cette substance apparaît dans un manuel militaire chinois imprimé en 1044. Les feux d'artifice n'en sont pas la seule utilisation : un document écrit du milieu du XIIIe siècle confirme que de la poudre noire peut être introduite dans des tiges de bambou dans le but de lancer des projectiles en pierre. Il est fort possible que les Arabes utilisent vers 1300 un dispositif analogue pour envoyer des flèches. En Europe, le moine érudit anglais Roger Bacon décrit précisément en 1242 la préparation de la poudre noire. Si l'invention des armes à feu par le moine allemand Berthold Schwarz n'est pas avérée, leur utilisation est attestée au XIVe siècle.
La composition de la poudre noire est parachevée en Europe vers 1350 avec le raffinage du salpêtre qui entre dans sa composition. Après les premières citations d’utilisation précoce asiatique et une évolution essentiellement tournée vers les armes à feu et de l’artillerie, l’usage civil dans les travaux miniers apparaît en effet particulièrement tardif.
L'usage civil dans les travaux miniers apparaît en effet particulièrement tardif. La dangerosité du produit n’explique pas entièrement ce retard, il faut également prendre en compte la difficulté d’inventer les conditions de mise en œuvre. Cette étape peut être assimilée au franchissement d’un « mur technologique », qui a d’ailleurs induit des modifications de comportement dans la communauté minière.
Pour illustrer cela, prenons l'exemple d'un accident qui se produisit en 1642 dans les mines d’or et d’argent à Rathausberg, près de Gastein en Autriche, lors d’une démonstration de tir à la poudre. À cette date la technique est déjà adoptée sur de nombreux sites miniers européens. Cet accident dramatique illustre les raisons de la crainte qu’inspire la manipulation d’explosif en mine. Il s’agissait d’un essai destiné à inciter les mineurs à adopter la nouvelle technique d’abattage de la roche à l’aide de la poudre noire en substitution à la méthode manuelle. La dernière phrase traduisant le refus des mineurs est particulièrement explicite.
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Autre exemple, cette supplique d’une veuve de mineur vers 1630, époque du début de l’utilisation de la poudre noire dans les mines comtoises de Château-Lambert, proches de celles du Thillot dans le massif des Vosges. Les deux faits relatés ci-dessus sont significatifs car ils se sont produits lors des premiers essais sur deux sites éloignés. La crainte qu’inspire la poudre est un facteur puissant de refus du changement, le risque d’explosion souterraine était en effet jusqu’alors totalement absent du monde minier polymétallique. Le gain potentiel en productivité et la plus grande facilité de percement ne peuvent effacer la dangerosité évidente de cette technique.
La composition de la poudre résulte du mélange ternaire soufre, salpêtre et charbon de bois. La proportion de ces composants a été modifiée suivant l’époque et les usages. Le salpêtre variant de 40 % à 80 %, le soufre de 10 % à 30 % et le charbon de 12 % à 30 %, la provenance végétale de ce charbon varie selon les recettes. Au Moyen Âge européen, la composition de la poudre noire est abordée par plusieurs auteurs. Pour Marcus Graecus la poudre noire se compose d’une partie de soufre, deux parties de charbon de bois pour six parties de salpêtre. Roger Bacon vers 1248-57, décrit la préparation de la poudre noire. Albert le Grand décrit également cette préparation dans un manuscrit du XIIIe s. qui lui est attribué. Le nom de Berthold Schwartz est aussi associé à l’invention de la poudre.
En Occident, l’utilisation de la poudre noire dans une arme à feu est mentionnée dans un manuscrit anglais de 1326. Au milieu du XVIe s., la formule de la poudre se retrouve dans des ouvrages dont la Pirotechnia de Vanoccio Biringuccio. La production d’une poudre de bonne qualité nécessite de satisfaire à plusieurs conditions : les matières premières, le charbon de bois et le soufre doivent être de bonne qualité, le salpêtre (nitrate de potassium) doit être le plus pur possible. Le broyage, le mélange, la granulation, le conditionnement, le stockage et l’expédition de la poudre nécessitent des conditions de sécurité. Car en raison de son instabilité, la poudre noire est susceptible d’exploser accidentellement au cours de sa fabrication ou lors de son stockage. Jusqu’au XVIIe s., la qualité de la poudre n’était pas constante. Pour remédier à cet inconvénient, on utilisa progressivement la poudre sous forme de grains. Sous cette forme, le front de flamme se propage, non plus dans la masse de l’explosif mais dans ses interstices.
Les trois composants sont des produits solides réduits en poudre et intimement mélangés, la réaction chimique est provoquée par une élévation locale de température, elle se traduit par une oxydation exothermique du charbon et du soufre, l’oxygène étant fourni par le salpêtre (nitrate de potassium). Il est à noter que cette réaction d’oxydation ne nécessite pas d’apport d’oxygène gazeux.
La réaction chimique exothermique est mal définie, plusieurs formulations ont été proposées :
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Et pour tenir compte des impuretés du charbon de bois, donc de la présence d’un carbone sous forme de composé, C est donc remplacé par la formule C7H4O, on utilise aussi empiriquement deux équations de décomposition possibles :
À côté des résidus solides, les corps gazeux formés à haute température, l’oxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’eau et l’azote représentent un volume de 300 litres de gaz par kg pour un mélange stœchiométrique. Il y a explosion si le produit est confiné. La mise à feu d’un tas de poudre à l’air libre ne produit qu’une combustion vive fusante.
Lors de la réaction chimique d’un tel mélange en milieu confiné, les produits gazeux subissent une très rapide expansion de volume ; cela provoque la création d’un front d’onde de pression (onde de Friedlander). La vitesse de ce front d’onde détermine la classification des explosifs déflagrants ou brisants. La poudre noire est classée dans la catégorie des explosifs déflagrants. Plus tardivement seront inventés des explosifs brisants (dont le régime de détonation est régi par un front d’onde plus rapide).
Deux types d’effets sont à l’origine des particularités et usages de la poudre, tout d’abord l’effet de brisance résultant de l’action de l’onde de choc suivi ensuite de l’effet de poussée, conséquence de l’expansion du volume gazeux produit. Le résultat obtenu dépend de la résistance des matériaux de l’enveloppe contenant la charge vis-à-vis de ces deux effets, la pression s’exerçant de préférence vers la zone de moindre résistance.
Tous les usages de la poudre sont paramétrés par ces trois données, brisance, poussée et résistance de « l’enveloppe », deux sont propres à la réaction chimique et la dernière est liée aux caractéristiques de l’environnement immédiat du milieu réactionnel.
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Il est à noter que dans tous les cas la poussée est un effet recherché, l’effet de brisance peut être souhaité ou craint.
Selon les principes suivants, les conditions de mise en œuvre de la poudre et les caractéristiques du contenant déterminent les principes des divers usages dont on peut retenir huit cas principaux :
Dans ce cas, le confinement et la résistance de l’enveloppe conduisent à un échappement de projectile vers la zone de moindre résistance. Le contenant est fabriqué en matière résistante à l’onde de choc et à la poussée et un projectile est utilisé. L’effet de brisance doit être contré. La poussée des gaz est recherchée et utilisée comme énergie propulsive. L’orifice est dimensionné aux caractéristiques du projectile afin de produire l’effet maximum, un bourrage limité accentue l’effet de propulsion en favorisant la compression par réduction de la durée de poussée. L’épaisseur et la résistance des parois de l’arme sont proportionnées à l’importance de la charge de poudre et à la taille du projectile. Il est nécessaire d’absorber le recul au départ du coup.
Ici, le confinement est important. Le contenant est fabriqué en matière métallique résistante à l’onde de choc et à la poussée et aucun projectile n’est utilisé. L’effet de brisance et l’effet de poussée sont recherchés ; le contenant doit être stable et résister à la poussée. L’orifice est dimensionné afin de produire l’effet maximum. L’arme est appliquée contre une paroi (porte) qui doit correspondre à la zone de faiblesse et sur laquelle l’effet doit être concentré. L’absence de vide et un calage rigoureux sont essentiels à l’efficacité.
Il est très probable que des charges de poudre noire aient été utilisées vers 1450 à des fins militaires, si l’on se réfère aux croquis de Jacopo Mariano, l’ingénieur toscan connu sous le nom de Taccola. Deux dates sont retenues pour l’usage de ces mines en sape lors des sièges de Sarzanello (Ligurie) en 1487, puis en 1495 de Castel Nuovo à Naples.
Des informations très utiles sont rassemblées dans un manuscrit conservé à la bibliothèque d’Épinal, étudié et publié en 1861. Ce document, signé par le Maréchal de Créqui, détaille les conditions de la reddition sans combat de la forteresse de Châtel, reddition décidée en raison de la dureté de la prise récente d’Épinal en septembre 1670 par le Maréchal de Créqui. Parmi les pièces, se trouvent deux inventaires détaillés. Le premier concerne les pièces et munitions d’artillerie prises, le second fait « l’estat de consommation de poudre qui a esté employée pour les mines et fourneaux de Chastel, lorsqu’on a démoly la ville et le chasteau, avec les noms de chacune des tours, et la date de chacun jour, à commencer du vingt quatrième décembre 1670 jusqu’à parfaite démolition ».
S’ensuit une liste détaillée fournissant pour chaque tour et fortification d’intérêt stratégique la quantité de poudre employée.
Exemple de consommation de poudre lors de travaux de démolition, destruction de la forteresse de Châtel :
Quantité de poudre employée par tour et fortification :
| Tour/Fortification | Quantité de poudre (livres) | Date de la destruction |
|---|---|---|
| Tour du Parterre tirante à la tour Bruslée | 4 040 | 25 décembre |
| Tour du Moyne | 1 440 | 27 décembre |
| Tour des Rasoirs | 1 860 | 27 décembre |
| Grande tour du milieu du château | 1 230 | 2 janvier |
| Boullevard de la porte du haut de la ville | 830 | 2 janvier |
| Tour quarrée dite la tour du Guet | 1 840 | 2 janvier |
| Tour des Sorciers | 740 | 4 janvier |
| Tour de la Grosse-Folie | 860 | 5 janvier |
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