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L’École normale de l’an III. Vol. 3, Leçons de physique, de chimie, d’histoire naturelle

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Étienne Guyon

Leçons de physique d'Haüy

Neuvième débat

26 germinal/15 avril

Texte intégral

1Le professeur. Citoyens, les expériences qui ont été préparées pour cette séance sont toutes relatives à la pesanteur de l’air. La manière la plus simple de la rendre sensible aux yeux consiste, ainsi que je vous l’ai dit, à peser un ballon de verre, d’abord après y avoir fait le vide le plus parfait possible, et ensuite après y avoir fait rentrer l’air. On s’aperçoit que dans le second cas le ballon a acquis une augmentation sensible de poids. Cette expérience sera la première de celles que le citoyen Lefèvre aura la complaisance de vous faire ; les suivantes mettront sous vos yeux différents effets de la pression que l’air exerce en vertu de son poids et de son élasticité.

2Une des expériences de ce genre les plus connues est celle qui se fait avec deux hémisphères de cuivre, qui restent fortement attachés l’un à l’autre par leurs bords, après qu’on a supprimé l’action de l’air intérieur pour balancer la pression de l’air environnant. Ces hémisphères ont pris le nom d’hémisphère de Magdebourg, parce que c’est dans cette ville que l’expérience dont il s’agit fut faite pour la première fois, par Otto de Guericke, l’inventeur de la machine pneumatique.

3On répétera aussi l’expérience de Torricelli, soit parce qu’elle est vraiment l’expérience originale, qui a servi à démontrer la pression de l’air, soit parce qu’elle peut donner une juste idée de la construction du baromètre.

4Enfin, nous avons pensé que les expériences sur les siphons pourraient vous intéresser, et à celles que l’on fait ordinairement, nous en joindrons une autre qui consiste à produire un écoulement d’air au moyen d’un siphon plongé dans l’eau. Nous ne trouvons cette expérience décrite dans aucun des auteurs de physique que nous avons entre les mains ; et c’est une raison de plus pour vous la faire connaître.

5Lefèvre. Avant de passer aux expériences que le citoyen professeur vient de vous annoncer, je dois vous faire remarquer que la machine dont je vais faire usage est garnie d’un baromètre qui remplace avec avantage l’éprouvette dont on se sert ordinairement, pour s’assurer du terme où le vide fait sous le récipient approche d’être parfait. Telle est la construction de ce baromètre, que le mercure y monte par la suppression de la colonne d’air renfermée dans le tube, et qui au moyen d’une communication, établie entre ce tube et les corps de pompe, sort en même temps que l’air contenu sous le récipient.

6La quantité dont le mercure s’élève, évaluée au moyen d’une graduation adaptée à l’instrument, comme dans les baromètres ordinaires, fait connaître le degré auquel le vide a été porté ; en sorte que si l’on pouvait la faire entièrement, on verrait le mercure monter à 28 pouces.

7Cela posé, je prends ce ballon dont je connais d’avance la capacité, qui est de 939 pouces cubes ; je le place sur la platine de la machine pneumatique, et j’ouvre le robinet au moyen duquel son intérieur communique avec le corps de pompe. Je vais maintenant y faire le vide...

8Haüy. Vous voyez combien est facile la manipulation de cette machine, dont la construction est due aux Anglais. Celle d’Otto de Guericke avait, entre autres inconvénients, celui de ne pouvoir être mise en jeu que par un mouvement lent et pénible : pour faire une seule expérience, il fallait employer pendant plusieurs heures les forces de deux hommes très robustes. La construction en a été depuis améliorée d’abord par Boyle, ensuite par Papin, et elle est parvenue enfin par degrés à cet état de perfection, où elle met l’opérateur beaucoup plus à l’aise, et même les spectateurs n’attendent pas longtemps le résultat.

9Lefèvre. Voilà le baromètre arrivé à peu près à 2 pouces de sa hauteur moyenne qui est de 28 pouces : il ne reste plus qu’un quatorzième de l’air qui était renfermé sous le récipient. Nous n’irons pas plus loin. J’observerai, en passant, que quand on essaye pour la première fois un pareil ballon, il faut avoir soin de l’envelopper d’un linge, parce que s’il n’était pas exactement rond, il pourrait se briser, et occasionner des accidents. On doit prendre garde aussi, en le transportant, qu’il ne heurte contre quelque corps solide. Je retire le ballon purgé d’air après avoir fermé son robinet ; je le pèse... et je trouve que son poids est de 5 livres, 5 onces, 5 gros, 14 grains. J’y laisse rentrer l’air, et le pèse de nouveau.

10Maintenant son poids est de 5 livres, 6 onces, 54 grains. Mais puisqu’il est resté environ 1/14 d’air dans le ballon, les 5 gros 40 grains ne donnent que le poids d’une quantité égale à 12/14 de 939 pouces d’air, c’est-à-dire environ à 872 pouces cubes... Cela fait un peu plus de 11 gros pour 1728 pouces cubes, ou pour 1 pied cube d’air, ce qui s’accorde avec ce que l’on savait déjà sur la pesanteur spécifique.

11La seconde expérience, annoncée par le citoyen professeur, est celle qui se fait avec les hémisphères de Magdebourg. Ils sont creux, et l’un d’eux est garni d’un robinet, qui a le même usage que celui du ballon.

12Maintenant que le vide est fait dans les hémisphères, la pression de l’air extérieur, sur leurs faces convexes, n’est plus balancée par le ressort de l’air intérieur, et les deux hémisphères demeurent fortement attachés l’un à l’autre par leurs bords.

13Je les resserre, et vous voyez que je fais de vains efforts pour les séparer.

14Otto de Guericke employait des hémisphères d’un diamètre considérable, auxquels il attelait plusieurs chevaux vigoureux, qui ne pouvaient parvenir à les détacher.

15Le Professeur. J’ajouterai à ce que vient de dire le citoyen Lefèvre qu’Otto de Guericke faisait tirer les hémisphères par quatre chevaux, attelés deux à deux, et qui agissaient en sens contraire, ce qui en imposait aux gens peu instruits, en leur faisant croire qu’on employait la force de quatre chevaux pour essayer de réparer les hémisphères, tandis qu’il y avait deux chevaux qui ne faisaient autre chose que tenir lieu d’un point d’attache. C’était une petite supercherie, pour jeter plus de merveilleux sur l’expérience. Mais Otto de Guericke était bien aise qu’on remportât une grande idée de la machine dont il était l’inventeur. Il faut passer quelque chose à cet amour paternel.

16Lefèvre. Nous allons répéter l’expérience en sens inverse, c’est-à-dire qu’après avoir fait de nouveau le vide dans les hémisphères, nous les replacerons, le robinet fermé, sur la platine de la machine ; nous les recouvrirons ensuite d’un récipient sous lequel nous ferons pareillement le vide. La partie supérieure de ce récipient est percée pour recevoir une tige recourbée par le bas, en forme de crochet. Par un mouvement donné à la tige, on peut faire passer le crochet dans l’anneau attaché à l’un des hémisphères, de sorte qu’en tirant ensuite la tige de bas en haut, on séparera les deux hémisphères, en supposant qu’ils n’aient aucune adhérence.

17Maintenant le vide est fait sous le récipient ; les hémisphères sont pareillement purgés d’air ; j’ai détruit la force qui les faisait adhérer l’un à l’autre ; il n’y a plus de pression du dehors au-dedans, ni de résistance du dedans au dehors. Il doit arriver la même chose que quand les hémisphères sont remplis et environnés d’air, c’est-à-dire qu’ils ne résisteront plus à leur séparation. Je fais agir la tige, et vous voyez avec quelle facilité ils se détachent l’un de l’autre.

18Les deux expériences que nous venons de faire prouvent incontestablement la pesanteur de l’air. Celle de Torricelli est, en quelque sorte, l’expérience originale qui a mis en évidence cette propriété de l’air. Je ne la répète que pour vous la développer davantage. Je prends un tube d’environ 30 pouces de hauteur, ouvert seulement d’un côté, et je le remplis de mercure. Ayant placé un doigt sur l’orifice, pour maintenir le mercure, je renverse le tube, et je le plonge dans cette cuvette, où il y a aussi du mercure. Je retire le doigt, et à l’instant le mercure descend dans le tube, et y reste suspendu à peu près à la hauteur de 28 pouces. Je reprends le tube, et à la place du mercure j’y mets de l’eau, en suivant les mêmes procédés que pour le mercure. Mais l’eau ne descend pas dans le tube, après que j’ai retiré le doigt appliqué sur l’orifice de ce tube. Pour la voir descendre, il serait nécessaire d’employer un tube qui eût plus de 32 pieds de hauteur, pour faire équilibre à une colonne de mercure de 28 pouces, d’où il suit que la pression de la colonne d’air atmosphérique qui repose sur la cuvette, étant elle-même en équilibre avec 28 pouces de mercure, si l’on substitue l’eau au mercure, la même pression deviendra capable de balancer l’effort d’une colonne d’eau de 32 pieds.

19Dans l’expérience que nous venons de faire avec le mercure, le vide s’établit de lui-même, entre l’extrémité supérieure de la colonne de ce liquide et le haut du tube. Il en est tout autrement du baromètre adapté à la machine pneumatique. Le vide ne se fait dans le tube que parce qu’on le fait en même temps sous le récipient, ce qui détermine le mercure à s’élever de la cuvette dans le tube, en vertu de la pression de l’air extérieur, qui continue d’agir, tandis qu’on supprime la résistance de l’air extérieur. Mais c’est le même effet qui est seulement produit d’une manière différente.

20Il nous reste à vous faire voir les expériences du siphon. En voici un que je plonge dans l’eau que contient ce vase, et remarquez d’abord que l’eau s’élève dans la boussole plongée jusqu’au niveau de l’eau environnante. Je vais faire, avec ma bouche, l’office d’une pompe, c’est-à-dire que je vais supprimer l’air qui reste dans le siphon. À l’instant l’eau s’élèvera dans la branche plongée, et elle y monterait jusqu’à 32 pieds, si le siphon avait cette hauteur. Elle descendra ensuite dans la branche extérieure, qui s’abaisse au-dessous du niveau de l’eau refermée dans le vase, et elle s’écoulera par l’orifice de cette même branche.

21Vous venez de voir les effets que je vous avais annoncés.

22Pour appliquer ici le raisonnement, à l’aide duquel le professeur vous a développé, dans une autre séance, la cause de cet effet, supposons qu’il y ait un pied entre le niveau de l’eau et la courbure du siphon, et que la branche extérieure ait 2 pieds de longueur. L’eau sera poussée de bas en haut, dans la branche plongée, avec une force égale à celle d’une colonne du même liquide de 32 pieds moins un pied, c’est-à-dire de 31 pieds. D’une autre part, l’air agira sur l’orifice de la branche extérieure avec une force égale à celle d’une colonne d’eau de 32 pieds moins 2 pieds, ou de 30 pieds. Donc, il restera à l’eau, contenue dans cette même branche, une force d’un pied, en vertu de laquelle elle descendra ; car il est évident que l’excès de la colonne d’air extérieur, qui est aussi plus longue d’un pied, que celle qui agit sur l’eau contenue dans le vase, n’est pas suffisante, à beaucoup près, pour balancer la pesanteur de l’excès de la colonne d’eau qui tend à descendre sur celle qui est poussée de bas en haut.

23Mais si la branche extérieure était égale à la partie de la branche plongée qui s’élève au-dessus du niveau ; par exemple, si dans le cas présent la branche extérieure était longue seulement d’un pied, l’eau s’arrêterait à l’orifice de celle-ci, pourvu toutefois que le diamètre du tube fût peu considérable, comme cela a lieu dans le siphon dont je me sers ici ; car s’il était d’une certaine grandeur, comme de 2 ou 3 lignes, le défaut de niveau entre les molécules d’eau qui répondent à l’orifice, occasionnerait une rupture d’équilibre, qui déterminerait l’eau à s’échapper par cet orifice ; c’est ce que le citoyen professeur vous a déjà expliqué dans une des séances précédentes.

24Pour vérifier par l’expérience ce que je viens de vous dire, je plonge la branche la plus longue à une telle profondeur que la partie excédante soit égale à la branche la plus courte, qui est ici la branche extérieure... Vous voyez que quand j’ai pompé l’air, l’eau reste suspendue dans la branche extérieure sans s’écouler par l’orifice. Je remonte un peu la branche plongée, pour rendre la partie excédante plus longue que la branche extérieure. À l’instant l’eau remonte dans celle-ci et rentre du côté opposé.

25Je passe à l’expérience du siphon d’air, qui a quelque chose de très intéressant, et va nous offrir un nouveau développement de la même théorie. Je plonge cette cloche dans l’eau, et je la relève de manière que l’eau y reste suspendue par la pression de l’air extérieur. J’introduis sous la cloche une des branches de ce siphon, laquelle se termine en tube capillaire. Dans cette position, le siphon a sa courbure tournée vers la terre, et ses deux branches se relèvent verticalement. À l’instant l’air sort par la branche plongée, sous la forme d’un jet, qui s’élève jusqu’à la surface supérieure de l’eau, et en même temps vous voyez cette eau s’abaisser peu à peu dans la cloche. On emploie un tube capillaire pour empêcher l’eau d’entrer dans le siphon.

26Voici l’explication de ce phénomène. Pour la rendre plus sensible, je supposerai que la cloche ait 2 pieds de hauteur, et que la branche intérieure du siphon s’élève jusqu’à un pied au-dessus du niveau de l’eau extérieure. Au moment où j’introduis le siphon, l’eau contenue sous la cloche est poussée de bas en haut, par l’air de l’atmosphère, avec une force de 32 pieds, et cette force est balancée par réaction des parois de la partie supérieure de la cloche, jointe au poids des 2 pieds d’eau qui sont sous cette cloche. Donc à la hauteur d’1 pied, qui est celle où s’élève la branche intérieure du siphon, la force qui s’opposer à la pression de l’air extérieur est de 31 pieds, et par conséquent l’air qui répond à l’orifice de la même branche est poussé de haut en bas avec une pareille force ; mais l’air situé à l’orifice de la branche extérieure est poussé de bas en haut, avec une force de 32 pieds, d’où il suit que ce fluide doit s’écouler par l’orifice intérieur. A mesure qu’il gagne la surface supérieure de l’eau, celle-ci s’abaisse de manière qu’à chaque instant le ressort de l’air, qui occupe le haut de la cloche, joint au poids de ce qui reste d’eau, fait une somme égale à la pression de l’air extérieur, et tant que l’eau dépasse l’orifice de la branche capillaire du siphon, la résistance, qui agit de haut en bas, au niveau de cet orifice, étant toujours la même, c’est-à-dire égale à une force de 31 pieds, la pression de l’air extérieur conserve sa prépondérance, en sorte que l’écoulement de l’air, fourni par le siphon, continue de se faire dans l’intérieur de la cloche.

27Telles sont les expériences que nous avons jugées les plus propres à rendre sensible la théorie qui vous a été exposée. On pourrait y en ajouter beaucoup d’autres. Par exemple, on peut appliquer une vessie, en forme de couvercle, sur un cylindre creux, de verre, ou de quelque autre matière, et la faire crever en pompant l’air renfermé dans le cylindre ; mais ce n’est que du bruit. On peut prendre un tube, au haut duquel, on ait soudé un godet de bois, dans lequel on mettra du mercure, et lorsqu’on fera le vide, on verra le mercure descendre dans le tube, sous la forme d’une pluie argentine, en passant à travers le fond du godet ; mais ce n’est qu’un spectacle pour les yeux. Les expériences qui viennent d’être faites donnent moins à la curiosité ; mais elles donnent davantage à l’intelligence et au raisonnement, et ce sont celles-là qui méritent surtout de fixer l’attention, et d’occuper une place dans un cours de physique.

© Éditions Rue d’Ulm, 2006

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