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ARE DEMARCHE - Decremps F.

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Une histoire de la pression

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Présentation générale

Comme nous le verrons par la suite, l'edžistence de ruptures épistémologiques et le concept de pression à travers les siècles sont indissociables. D'autre part, l'histoire de la pression est bon exemple d'interactions étroites entre science et technologie.

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Aristote et la peur du vide

La Dynamique aristotélicienne est une physique

fondée sur l'edžpĠrience sensorielle commune. Pour Aristote, l'obserǀation du mouvement naturel des corps démontre que le vide ne peut pas exister.

L'idĠe est la suivante : tout corps évolue

spontanément vers son lieu naturel suivant un mouvement naturel grâce à l 'edžistence d'un milieu matériel résistant. Par exemple, l'effet des forces matériau flotte et l'autre pas, bref que chacun se dirige vers sa place naturelle.

Le corolaire est donc que la notion de vide est

absurde : si il n'y a plus de direction, il n'y a donc plus de lieu naturel. Ou encore : si le vide existe, il n'y a plus d'opposition, et donc la vitesse serait infinie, de même il n'y aurait plus ni de haut ni de bas. Aristote résuma sa pensée par le fameux natura abhorret vacuum . Bas-relief de Luca della Robbia (1438) : Platon et

Aristote.

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La dynamique aristotélicienne, parfaitement cohérente, restera siècle, et ce malgré la contestation virulente de certaines tutelles religieuses. En effet, la pensée d'Aristote conduisait à limiter la toute-puissance de Dieu, qui se trouvait ainsi contrainte par les lois de la nature. De plus, si Dieu est bien le créateur tout-puissant, alors il doit aussi avoir crée le vide. Un des exemples les plus connus est la Plus tard, et sous l'impulsion de Thomas d'Aquin, une conciliation entre la philosophie d'Aristote et la pensée chrétienne devient majoritaire chez la plupart des théologiens dès le 13ème siècle.

Toucher à un seul des éléments du système d'Aristote, c'était donc s'attaquer au système

tout entier, et en plus se heurter à l'Eglise ! Il fallait accepter la conception d'Aristote et de Thomas d'Aquin, ou entreprendre de la ruiner entièrement et de construire dans le même mouvement une nouvelle vision du monde (épistémologie basée sur : pas de construction sans destruction, pas de véritable destruction sans construction).

Thomas d'Aquin (1225-1274)

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Dès le 17ème siècle, les ingénieurs-fontainiers de Florence notent que leurs pompes ne pouvaient aspirer et élever de l'eau au-dessus d'une hauteur d'environ dix mètres. Face à ce problème technique ils font appel à Galilée qui ironise en répondant que "la nature a horreur du vide... mais à raison de dix-huit brasses (10 m) !» L'ͨ horreur du vide » est donc sérieusement remis en question par Galilée qui propose cette force ne peut compenser le poids d'une colonne de plus de 18 brasses. Le problème du siphon (d 'aprğs Merian, 1655) Les fontainiers de Florence ă l'oeuvre

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En 1630, le savant génois Giovanni Battista Baliani suggère à Galilée une autre explication : " c'est le poids de l'air qui empêche l'eau de monter plus haut ». Cette explication, qui s'aǀğrera perspicace, n'est pas retenue par Galilée qui publie la sienne en 1638 dans ses Discorsi e dimostrazione matematiche. Cependant, aucune tentative d'edžplication n'est vraiment convaincante. Le problème reste entier et Galilée affirme que sa compréhension nécessite la réalisation d'edžpĠriences. Si Galilée s'est trompé, son interprétation créée cependant une rupture épistémologique : (i) la soumission excessive à la pensée d'Aristote est remise en cause, et (ii) le vide cesse d'ġtre un enjeu philosophique pour devenir une question expérimentale. Discorsi e dimostrazione matematiche (Galilée, 1638)

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La première expérience sur le vide Berti et Magiotti Raffaello Magiotti et Gasparo Berti réalisent à Rome (1641) la première expérience de ce genre. Ils fabriquent un tuyau de plomb de 12 mètres de haut dont la partie inférieure est fermée par un clapet et immergée dans un récipient d'eau. L'autre partie est recourbée et plongée dans un récipient vide. L'appareil est muni d'un système de pompage et l'edžpĠrience consiste, après avoir ouvert le clapet de la partie inférieure, à actionner le système de pompage manuel.

Que se passe t'il ? A leur

grande surprise, l'eau monte dans le tube et se déverse dans le récipient supérieur.

Les fontainiers et Galilée

se sont-ils trompés? Yu'en conclure ?

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La première expérience sur le vide Berti et Magiotti En réalité, les expérimentateurs ont fait une erreur de protocole. Il ont mesuré la différence de hauteur à partir du fond du récipient. La différence réelle de niveau était donc inférieure

à 10 m !

L'edžpĠrience est reprise en modifiant le

protocole et cette fois, elle confirme l'obserǀation des fontainiers : une fois la pompe stoppée, la hauteur de la colonne d'eau diminua d'abord, pour se stabiliser à la hauteur annoncée par Galilée ! Second sujet d'étonnement : s'il est vrai que le monde est plein, quelle est la substance (invisible) qui remplit l'espace laissé libre par la colonne d'eau ?

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Spectaculaire, l'edžpĠrience de Berti est toutefois encombrante. En 1644, Evangelista Torricelli (1607-1648) la simplifie radicalement en remplaçant l'eau par un liquide plus dense : après avoir testé l'eau de mer et le miel, il retient le mercure (ou vif -argent). Il observe que le mercure descend d'une hauteur sensiblement égale à 27 pouces (un peu moins que 76 cm). Torricelli montra aussi que la source du phénomène est extérieure au tube, car la forme de la partie supérieure de celui-ci n'influe pas sur la hauteur du mercure.

Evangelista Torricelli (1607-

1648), qui fut hébergé et servit

de secrétaire à Galilée à l'automne de 1641.

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Une rupture méthodologique

Si l'edžpĠrience de Torricelli est remarquable d'ingĠniositĠ (utilisation du mercure, substitution du siphon par un simple tube en verre, utilisation des meilleurs matériaux de employée : (i) élaboration d'une expérience spécifique à une question scientifique ; (ii) observations et protocoles expérimentaux rigoureux. Sa rigueur et son honnêteté expérimentales lui permettent dans un premier temps, non pas de proposer une interprétation mais, comme c'est souvent le cas, de préciser la problématique. A la question " quel mécanisme est à l'origine des observations des fontainiers ? », Torricelli répond par deux nouvelles questions plus précises, directement soulevées par l'obserǀation directe :

1- Quelle est la nature de l'espace laissé libre au sommet du tube par le liquide en

suspension ?

2- Quelle cause fixe la hauteur du liquide dans le tube ?

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Quelle est la nature de l'espace laissé libre au sommet du tube par le liquide en suspension? On retrouve ici la question scientifique dont la réponse n'est pas sans conséquence philosophique et sociale : cet espace est-il vide ou comporte-t-il une matière inconnue?

Pour les aristotéliciens, et plus particulièrement les jésuites, le vide ne peut exister (le

vide est le non-être or comment le non-être pourrait-il être ?). Si les Jésuites admettent

la réalité du fait expérimental, ils n'acceptent pas l'interprĠtation la plus évidente et

proposent que l'espace au sommet du tube doit être pénétré d'une forme d'air assez subtile pour être impénétrable.

Réponse à la première question

??? Sur ce sujet, Torricelli restera relativement silencieux, même si pour lui l'edžistence du vide ne devait pas faire l'ombre d'un doute (il expérimenta, par exemple, la vitalité d'insectes situés dans l'espace laissé libre, - mais les insectes seront écrasés par le poids de la colonne de mercure avant même d'atteindre l'extrémité du tube !). Les raisons de ce silence sont vraisemblablement liées à son attachement à l'ordre des jésuites (il a été éduqué par des jésuites), mais aussi à sa prudence (Torricelli a toujours voulu s'éloigner des démêlés avec l'Inquisition).

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Torricelli suggéra que ce phénomène trouve sa source dans l'atmosphğre. C'est le poids de l'air qui maintient le mercure. Nous vivons dit Torricelli " submergés au fond d'un océan d'air élémentaire ». Cet air se comporte donc en élément pesant, animé de mouvements, de forces et de turbulences. Il proposa ainsi d'utiliser le niveau de mercure dans le tube pour indiquer les changements atmosphériques. Du côté des aristotéliciens, la pensée n'Ġǀolue pas : c'est l'horreur du vide qui empêche que la matière subtile de l'espace au sommet du tube soit infiniment dilatée.

Réponse à la deuxième question

760 mm

Malgré la grande qualité de son travail, Torricelli ne publie rien. Il se fera connaître par

décrit ses observations et interprétations. Ces lettres , copiées et recopiées dans tous le

monde savant, auront un retentissement considérable en Europe.

En France, les savants n'arriǀe pas à reproduire les expériences de Torricelli, la qualité

des verres français étant bien inférieure à celle des verriers vénitiens travaillant à

Florence !

Pourquoi le mercure se stabilise-t-il toujours à la même hauteur? Quelle cause fixe la hauteur du liquide dans le tube?

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1645 : Blaise Pascal, alors âgé de 23 ans, entend parler de la

fameuse expérience de Torricelli grâce à son ami Pierre Petit qui lui transmet le compte-rendu de Marin Mersenne (savant de renom et épistolier inlassable ayant assisté à une démonstration de l'expérience par Torricelli lui-même ). En parallèle, il se convertit au jansénisme : pour lui, dorénavant, marcher sur les traces de Copernic et de Galilée n'est plus que la démarche d'une vaine raison : " Tout ce génie qui bouillonne en rédemptrice. »

1646 : Pascal s'attğle cependant à la question du vide. Il utilise

des verres normand, de qualité suffisante pour supporter la pression de mercure, et commence par reproduire les résultats de Torricelli. De leur côté, les aristotéliciens publient plusieurs textes sur l'impossibilitĠ du vide en donnant leur interprétation de l'edžpĠrience de Torricelli. Entre autre, ils avancent que l'espace au sommet du tube est rempli de vapeur de mercure.

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1647 : Pascal propose une expérience permettant de démontrer la thèse aristotélicienne :

admettons que la cause des observations de Torricelli soit la présence de vapeur de mercure, une nouvelle expérience avec deux tubes de quarante pieds, l'un rempli d'eau et

l'autre de vin devrait ainsi permettre l'obserǀation d'un niveau de vin inférieur à celui de

l'eau car le vin a plus de vapeurs. L'edžpĠrience démontre le contraire et Pascal ne peut que

conclure que le paramètre déterminant est la densité du milieu utilisé (l'eau est moins dense que le mercure mais plus que le vin).

Automne 1647 : Pascal publie

une partie abrégé de ses résultats (il tient à vérifier ses propositions). Commence pour

1654) où il s'Ġloigne de son

premier engagement religieux.

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La conclusion de Pascal à propos de la discussion sur l'edžistence (ou pas) du vide est révolutionnaire : connus s'en ensuivent, au lieu que, s'il s'ensuit quelque chose de contraire à un seul des

phénomènes, cela suffit pour assurer de sa fausseté. » (cf Kuhn et la réfutabilité).

Par la suite, Pascal focalise son travail sur la deuxième question de la hauteur de mercure. Si il reprend exactement à son compte l'interprĠtation de Torricelli (c'est l'action du poids de l'air qui empêche le mercure de descendre dans le tube), il ne citera

hypothèse, il propose de réaliser l'edžpĠrience de Torricelli à différentes altitudes : si la

cause est bien la pesanteur de l'air, la hauteur du mercure au sommet d'une montagne il choisit le Puy-de-Dôme en Auvergne.

Du vide à la pression

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Un exemple de rigueur dans le protocole expérimental

Pour réaliser une expérience de cet envergure, il faut trouver des gens prêts à la financer

et à y participer. Pascal demande à son beau-frère Florin Périer de réaliser l'edžpĠrience.

Celui-ci s'assure le concours de notables qui pourront témoigner des résultats. Il recrute le

Très Révérend Père Bannier, l'un des pères minimes de la ville qui a été plusieurs fois

supérieur de sa communauté. Claude Mosnier, chanoine de l'Ġglise cathédrale de Clermont. Deux conseillers en la cour des Aides: Michel La Ville, âgé de 38 ans qui occupe son poste depuis 1633 et Victor Begon âgé de 23 ans. Ligier Laporte, médecin à Clermont

et le Révérend Père Chastin, père minime de Clermont, qui manifeste un grand intérêt

pour les sciences et qui est doté d'un bon sens de l'obserǀation, complètent cette fine

équipe.

19 septembre 1648 : l'edžpĠrience du Puy-de-Dôme est

menée avec 2 cuves différentes. L'edžpĠrience au pied de la montagne est répétée plusieurs fois. Chaque fois la hauteur du mercure est mesurée, et est toujours de 26 pouces trois lignes et demi. Un tube est laissé au couvent sous la surveillance d'un mettent en route. Arrivés au sommet ils remplissent un tube de mercure puis le renversent : la hauteur de mercure est de 23 pouces deux lignes. Florin Périer est chargé de prendre des notes et d'Ġcrire le compte-rendu de cette expérience. La notion actuelle de pression apparaît.

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Beaucoup d'autres expériences seront réalisées pour valider l'edžistence d'une force de pression dans l'atmosphğre. Par exemple, l'allemand Otto von Guericke (1602-1686) construit la première machine pneumatique en 1650, c'est-à-dire la première machine permettant de pomper l'air d'un récipient fermé. Il en fait une démonstration publique à Magdebourg en 1654 devant l'empereur et l'assemblĠe des princes.

Deux hémisphères de laiton de 80 cm de diamètre sont réunies et l'assemblage est rendu étanche à l'aide

d'un mélange de graisse, de cire et de térébenthine. Le vide est fait à l'intĠrieur et sous l'influence de la

pression atmosphérique, les deux hémisphères sont si bien accolés que deux attelages de huit chevaux

chacun ne parviennent pas à les séparer.

En ouvrant une petite valve aménagée dans une des hémisphères, von Guericke laisse alors pénétrer l'air à

l'intĠrieur à l'insu de l'auditoire et sépare les deux hémisphères à mains nues.

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Dans les années 1660, le chimiste anglais Robert Boyle effectue une série d'edžpĠriences sur

l'edžistence du vide en reprenant les idées de Torricelli, de Pascal et la technique de von

Guericke. Avec l'aide de Robert Hooke, il répète l'edžpĠrience du tube de mercure mais sous

une cloche de verre dont on enlève l'air à l'aide d'une pompe à vide. C'est lors de cette série d'edžpĠriences que Hooke observera un curieux effet d'un bon vide : le son ne se propage plus, ou encore l'eau entre en ébullition à température ambiante (ce dernier phénomène ne sera expliquer que 200 ans plus tard). Boyle et Hooke ont aussi l'idĠe d'utiliser le même banc d'edžpĠrience mais pour mesurer l'effet de la force de pression sur l'ĠlasticitĠ de l'airY diminution de la pression dans la cloche

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Equation barométrique

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Les premiers pas vers une définition thermodynamique de la pression Dans les années 1662 : Boyle et Hooke mesure la variation de volume d'air en fonction du niveau de mercure dans le tube (de section constante, ce qui était à cette époque le airquotesdbs_dbs28.pdfusesText_34

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