Les grandes decouvertes et les grands physiciens







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Expérience :

Anecdote du bateau et de la chute de la longue vue du haut du mât

Anecdote du verre d’eau que l’on déplace

Anecdote de l’escalator.

Anecdote de Cyrano de Bergerac

Histoire comique contenant les États et Empires de la Lune (Cyrano de Bergerac), conte philosophique de Savinien de Cyrano de Bergerac, initialement intitulé l’Autre Monde par l’auteur, mais publié à titre posthume en 1657 sous le titre complet d’Histoire comique contenant les États et Empires de la Lune, dans une version expurgée de ses passages les plus « scandaleux ». Ce conte est aujourd’hui publié sous le titre l’Autre Monde ou les États et Empires de la Lune.

Le Principe de l’inertie est un des fondements de la mécanique et

sa portée est extraordinaire. Tout autour de nous, on peut en voir de nombreuses illustrations. La personne chargée de ramener les caddies par exemple …
Un autre principe se trouve également contenu dans les Discorsi.

Un principe dont attribue également la paternité à un autre, un certain Albert Einstein…

C’est le Principe de Relativité ou Principe de composition des Vitesses que l’on peut illustrer de différentes manières.

Par exemple comme dans une précédente conférence par l’anecdote du voyageur dans le train…

Une autre manière plus surprenante est produite par cette question :

Expérience : A quel moment se déplace-t-on plus vite ?

En démontrant que la loi des espaces ne s’accorde qu’avec l’accélération rapportée au temps écoulé, Galilée a non seulement fait date dans l’histoire de la mathématique, légué à ses successeurs de quoi fonder la mécanique nouvelle et la gravitation universelle, mais il a encore scellé le testament de sa grandeur.

Le vrai savant est celui qui, jusqu’au bout, remet sur le métier.
Galilée a surtout contribué à l'évolution de la science en fondant la physique sur des mesures précises plutôt que sur des principes métaphysiques et sur une logique formelle. Cependant, des ouvrages comme le Messager céleste et le Dialogue, en ouvrant de nouvelles perspectives en astronomie, ont eu une influence beaucoup plus large. Le combat mené tout au long de sa vie par Galilée pour libérer la recherche scientifique des interférences restrictives de la philosophie et de la théologie dépasse le cadre de la science.
Depuis la publication intégrale des documents du procès de Galilée dans les années 1870, l'entière responsabilité de la condamnation de Galilée est généralement attribuée à l'Église catholique romaine.

Cela occulte le rôle joué par les professeurs de philosophie qui, les premiers, ont persuadé les théologiens d'établir un lien entre la science de Galilée et l'hérésie.
Si Benoît XIV finit par déclarer recevable l’héliocentrisme en 1757,

c’est une enquête sur la condamnation de l'astronome, demandant son annulation, qui fut ouverte en 1979 par le pape Jean-Paul II.

En octobre 1992, une commission papale a reconnu l'erreur du Vatican.

Petit problème posé aux élèves :

Vous souhaitez mesurer la profondeur d’un puits.

Vous disposez d’un caillou et d’une montre. Comment faire ?

Vous lâchez le caillou et vous comptez le temps qui sépare le lâché du moment où le caillou entre dans l’eau.


Si vous entendez le « plouf » 1.5 secondes après le lâché, la profondeur du puits est d’environ 10 mètres. En négligeant bien sur la célérité du son dans l’air humide du puits.

Si vous souhaitez en tenir compte, il faut alors retrancher 10% au résultat précédent, on obtient 9 mètres
Torricelli :

Le baromètre*

Les fontainiers florentins : la nature a horreur du vide

Verre retourné
B. Evangelista Torricelli (1608-1647)
Physicien et mathématicien italien, né à Faenza et mort à Florence, inventeur du baromètre. Les écrits de Galilée inspirèrent à Torricelli un traité de mécanique, De motu (Du mouvement), qui devait à son tour influencer Galilée. Invité à Florence en 1641, Torricelli assure les fonctions de secrétaire et d’assistant auprès de Galilée, durant les trois derniers mois de la vie de l’astronome. Il lui succède alors comme professeur de mathématiques à l’Académie de Florence.

Deux ans plus tard, reprenant une idée de Galilée, il remplit de mercure un tube de verre long de 1,30 m et renverse celui-ci dans un récipient. Il observe alors qu’une partie du mercure demeure dans le tube et qu’un vide se forme à sa partie supérieure.

Le premier, Torricelli réalise ainsi un vide permanent.

Il conclut, après de longues observations, que les variations de hauteur du mercure, d’un jour à l’autre, sont dues à des changements de la pression atmosphérique. Il ne publiera cependant jamais ces résultats, trop occupé par ses études de mathématique pure, en particulier par des calculs sur la cycloïde.

Son Opera geometrica (1644) comprend ses découvertes sur le mouvement des fluides et celui des projectiles.

Ses recherches sur la géométrie contribueront au développement du calcul intégral.


Mesure de la pression atmosphérique, 1643-1648.
Cette célèbre expérience (faite à Florence en 1644) a été imaginée par Torricelli afin de savoir pourquoi les pompes aspirantes ne peuvent élever l’eau à plus de 32 pieds.

Tout à la fin de sa vie, en 1640, Galilée est amené à réfléchir au problème des puisatiers :
« Pourquoi l’eau refuse-t-elle de monter de plus de 10 mètres 33 dans le tuyau d’ une pompe ? »

Cette occasion lui est fournie par la construction de fontaines dans le parc du grand-duc : quand on tente de les alimenter en pompant l’eau située treize mètres plus bas, cela se révèle impossible. Pourquoi ?

Demande le grand-duc à son « mathématicien », toujours enfermé dans sa maison d’Arcetri.

C’est en ces termes que Galilée, expose dans ses Dialogues le problème :

« Le maître fontainier ajouta qu’il n’était pas possible, ni avec les pompes, ni avec les autres machines qui font monter l’eau par l’attraction, de la faire monter un cheveu plus haut que 18 brasses (soit environ 10 mètres 33, que les pompes soient larges ou étroites, parce que c’est la mesure de la plus grande hauteur. »
Photo des fontainiers de Florence
À l'époque, l'explication du fonctionnement des pompes repose toujours sur l' «  horreur » que la nature - selon Aristote - éprouve pour le vide. En soulevant le piston de la pompe, on crée dans le tuyau un vide, que la nature se précipite pour combler avec ce dont elle dispose à cet effet : l'eau. Celle-ci s'élève donc dans le tuyau.

Seulement - en deux mille ans, les puisatiers ont eu largement le temps de le constater - elle ne s'y élève jamais de plus de dix mètres trente-trois. Après, on a beau pomper, continuer à créer du vide en haut du tuyau, l'eau n'y monte plus.

Galilée a été le premier « savant » à s'interroger sur cette limitation, sans doute parce qu'il a été le premier à être attentif au savoir-faire des techniciens. Il a même mesuré la hauteur maximum atteinte par l'eau dans le tuyau d'une pompe, et il tente d'expliquer ce maximum dans son livre de 1638 sur les « deux sciences nouvelles ».

Pour lui, cette limitation de hauteur semble liée à la résistance des matériaux : une colonne de pierre cylindrique, suspendue par l'une de ses extrémités, ne pourrait dépasser sans se rompre une certaine longueur, toujours la même quel que soit son diamètre, puisque celui-ci figure, au carré, aussi bien dans le poids à soutenir que dans la résistance à la rupture. Et une fois la limite atteinte, c'est évidemment en haut que se romprait cette colonne homogène...

C'est de la même façon que Galilée cherche à expliquer la limitation de l'ascension de l'eau dans le tuyau de la pompe.

Autrement dit, il ne remet pas en cause - lui, le spécialiste incontesté de la remise en cause ! - l'explication de cette ascension elle-même,

l’ « horreur du vide ». Cette remise en cause ne va pourtant pas tarder, et c'est l'un des assistants les plus proches de Galilée, Torricelli, qui va en avoir l'idée, peu de temps après la mort de son maître en 1642.

L'année suivante, Torricelli, qui s'est déjà fait connaître par des travaux mathématiques sur les arcs de courbe, est en train de réfléchir à un complément du traité de Galilée sur les « deux sciences nouvelles » . C'est à ce moment qu'il réalise, apparemment de façon soudaine, que le fonctionnement des pompes ne repose pas du tout sur l'horreur du vide, mais sur la pression atmosphérique . si l'eau monte dans le tuyau de la pompe, c'est parce que, partout ailleurs, l'atmosphère appuie sur la surface. Et si la colonne d'eau ne peut pas dépasser dix mètres trente-trois, c'est parce qu'elle exerce alors, sur son pied, une pression égale à celle que l'atmosphère exerce partout ailleurs.

Cette hypothèse, Torricelli et son ami Viviani, autre élève de Galilée, la soumettent, bien sûr, à il épreuve de l'expérience. Pour cela, ils imaginent de remplacer l'eau par un autre liquide, plus lourd - le mer- cure étant 13,6 fois plus dense que l'eau, la pression atmosphérique doit - si c'est bien elle qui soutient 10,33 mètres d'eau - soutenir 76 cm de mercure. Pour s'en assurer, il suffit de retourner sur une cuve à mercure un tube rempli du même liquide, et d'en déboucher ensuite l'extrémité inférieure : on voit alors la colonne descendre, osciller... et se stabiliser à 76 cm au-dessus du niveau du mercure de la cuve.

Pour Torricelli, la cause est entendue : il n'y a pas d'horreur du vide, et les effets qu'on lui attribuait sont dus à la pression atmosphérique. Reste à en convaincre les autres savants...
L’expérience suscite un intérêt extraordinaire, mais (Aristote ayant affirmé que « la nature a horreur du vide ») le débat scientifique glisse rapidement vers une dispute entre Anciens et Modernes sur l’existence du vide. Toutefois, ayant noté des variations de hauteur du mercure en fonction de la température et de l’humidité ambiantes, Torricelli tient son expérience pour un échec. Sa découverte va pourtant conduire à l’invention du baromètre à mercure.
Le nom de Torricelli a servi à désigner une unité de mesure de pression, le « torr », encore fréquemment usitée dans le domaine des faibles pressions et des vides partiels.
Il faut noter cependant que l’expérience du physicien et mathématicien italien Evangelista Torricelli, conçue en 1643, n’a aucune visée météorologique.

Elle consiste seulement à montrer l’existence du poids de l’air. Pour cela, Torricelli remplit un tube de mercure qu’il retourne dans une cuve remplie elle aussi de mercure.

Ce métal liquide descend dans le tube puis se stabilise lorsqu’il est équilibré par le poids de l’air extérieur, affirme-t-il.

Si on réalisait la même expérience avec de l’eau, il faudrait alors un tube long de 10 mètres 33 au moins pour équilibrer la pression atmosphérique. Une telle expérience a déjà été réalisée au Palais de la Découverte à Paris et porte le nom de baromètre à eau.
Démonstration
P =  g H

 : représente la masse volumique du liquide considéré

g :la constante de gravitation : 9.81

H : la hauteur de la colonne de liquide


Patm = Peau

Hg g HHg = H2O g HH2O

HH2O = Hg HHg / H2O

HH2O = 13.6 x 0.76 / 1 = 10.33 mètres
Expérience : La carte retournée
Blaise Pascal (1623-1662) reprend l’expérience en 1647 et ajoute une échelle graduée. Par la fameuse expérience du Puy de Dôme, effectuée en 1648 par Florin Périer (son beau-frère), il confirme l’observation de l’Italien en montrant que la hauteur du mercure dans le tube dépend de l’altitude. La notion de pression atmosphérique est née, mais il faudra attendre quelques années avant que l’on repère les variations de la hauteur du mercure en fonction du temps qu’il fait.

Les premiers véritables baromètres naissent au cours du dernier tiers du XVIIème siècle, de la main des physiciens tout d’abord.

Ceux qui sont commercialisés à cette époque sont plus rudimentaires, indiquant seulement les changements de temps.
ANECDOTE : Petit problème posé aux élèves :

Vous souhaitez mesurer la hauteur d’un immeuble. Pour ce faire

vous disposez d’un baromètre et d’un chronomètre. Comment faire ?

C. Blaise Pascal (1623-1662)
Tonneau de Pascal (Hector Pécheux p108/Ganot II p144, Langlebert p66 best, Alexis Clerc p 174 )

Expérience du Puy de Dôme

Verre retourné,

les ballons (un gonflé et un pas trop gonflé)

L’œuf dans la carafe
Mathématicien, physicien, théologien, mystique, philosophe, moraliste et polémiste français du XVIIème siècle.
L'étendue des domaines d'intérêt et du génie de Pascal est impressionnante : inventeur de la machine à calculer, concepteur des premiers transports en commun en France, artisan de l'assèchement des marais poitevins, polémiste brillant contre les jésuites dans les Provinciales, apologiste de la foi chrétienne avec les fragments rassemblés sous le titre de Pensées, il fut également l'un des plus brillants prosateurs de la langue française et l'une des plus grandes figures du XVIIème siècle français.
Dans tous les domaines qu’il a abordés, il a su inventer et créer ; mais il s’est surtout montré capable d’établir entre eux des liens qui font de son œuvre l’une des plus puissantes synthèses de la pensée classique.
Fils d'Étienne Pascal (1588-1651), mathématicien amateur et juriste, second président de la cour des aides de Clermont, et d'Antoinette Begon (1596-1626), Blaise Pascal naquit à Clermont (aujourd'hui Clermont-Ferrand) le 19 juin 1623. Sa mère mourut lorsqu'il avait trois ans. La famille Pascal (le père Étienne, son fils Blaise et ses deux filles Gilberte et Jacqueline) s'installa à Paris en novembre 1631.

À partir de 1635, Étienne Pascal fréquenta avec son fils l'Académie de mathématique fondée par le philosophe Marin Mersenne en 1635. Génie précoce, le jeune Blaise Pascal écrivit un Traité sur les sons à l'âge de onze ans, réinventa les théorèmes d'Euclide jusqu'à la trente-deuxième proposition alors qu'il n'avait que douze ans (1635).
Son père, rentier de l'Hôtel de Ville, manifesta pour défendre ses droits à la suite d'une suppression des rentes et se cacha, craignant d'être arrêté. Il fut ensuite nommé commissaire pour l'impôt en Haute-Normandie en 1639 par Richelieu et rattaché directement au roi.

Dès lors, la famille s'installa à Rouen. Elle y reçut la visite de Pierre Corneille, qui demanda à Jacqueline Pascal d'écrire des vers.

C'est à Rouen, en 1640, que Pascal rédigea l'Essay pour les coniques. En 1642, il conçut la machine arithmétique (la « roue pascale ») pour aider son père dans son travail de comptabilité fiscale.
En 1646 également, Pascal procéda à de premières expériences sur le vide, qu'il poursuivit en 1647 avec son père et Florin Périer, le mari de sa sœur Gilberte, puis il profita du retour de la famille à Paris pour les refaire du haut de la tour Saint-Jacques en 1648 ; il publia Expériences nouvelles touchant le vide en 1647 et Récit de la grande expérience de l'équilibre des liqueurs en 1648.

En 1647, Descartes aurait rendu visite à Pascal à propos de ces expériences.

Formé à l'Académie de mathématiques de Mersenne, Pascal hérita très tôt de l'esprit anti-scolastique et anti-aristotélicien — initiés par Descartes — qui y régnaient alors.

Dès son plus jeune âge, Pascal fut ainsi éduqué au débat scientifique, et il correspondit avec de nombreux savants, et notamment avec le mathématicien Pierre de Fermat.
Du point de vue scientifique, les travaux de Pascal n'ont pas le caractère révolutionnaire de ceux de Galilée ou de Descartes au XVIIème siècle. L'apport de Pascal dans le domaine scientifique réside surtout dans le recours à l'expérience comme donnée de fait, et dans l'art de la découverte (méthode, « esprit de géométrie ») et de la présentation (« art de persuader ») de ses recherches, plus que dans leur originalité.
Ses travaux ont porté sur la pesanteur, le vide et la pression, l'hydrostatique, la géométrie, l'arithmétique, les probabilités et les mathématiques. Dès son Essay pour les coniques (1640), Pascal utilisa la méthode projective pour déduire les propriétés des coniques du théorème sur l'hexagramme.

L’œuvre de Pascal en physique porte seulement sur la pneumatique et l’hydrostatique et, en outre, elle y est restreinte aux concepts et principes de base. Elle n’en est pas moins de grande portée, pour une double raison : d’abord Pascal a clarifié, approfondi et justifié, par des expériences particulièrement probantes, les conceptions nouvelles qui avaient été dégagées depuis la fin du XVIème siècle, mais qui, jusque-là, demeuraient assez incertaines et de ce fait très controversées ; toutefois, contrairement à une opinion encore assez commune, on ne doit pas à Pascal de contribution tout à fait originale en ce qui concerne ces conceptions elles-mêmes.

Ensuite, Pascal a traité ces questions avec une logique, une rigueur, une exigence intransigeantes ne lui faisant reconnaître pour valable que ce qui était vérifié par le contrôle de l’expérience.

Cette attitude a joué un rôle décisif dans l’avènement de la méthode « positive » et expérimentale qui caractérise la science moderne.

Pour la majorité des contemporains de Pascal, qu’ils soient aristotéliciens ou cartésiens, le vide n’existe pas.

La nature a horreur du vide. Mais, dès 1638, Galilée avait attiré l’attention sur le fait, récemment reconnu, que l’eau ne pouvait s’élever dans une pompe au-delà d’une certaine limite.

En 1643, Torricelli, disciple de Galilée, pensant que cette observation n’est pas compatible avec la négation du vide, imagine l’expérience qui a été décrite précédemment.

Mieux que ses prédécesseurs, Pascal comprend que cette expérience implique non seulement l’existence du vide, mais aussi la pesanteur de l’air. Niée assez habituellement jusque-là, la pesanteur de l’air a été presque acceptée par Galilée et Baliani, puis par Torricelli à la suite de ses expériences ; elle a été plus nettement affirmée par Isaac Beeckmann, et le chimiste Jean Rey en a apporté la preuve en montrant que des métaux chauffés dans l’air augmentent de poids. Après diverses expériences déjà assez probantes, Pascal fait exécuter, le 19 septembre 1648, par son beau-frère, Florian Périer, en la prescrivant dans tous ses détails (on trouve dans l’excellent ouvrage de R. Massain, Physique & Physiciens une copie de cette lettre), l’expérience du puy de Dôme qui confirme de façon décisive l’existence du vide en même temps que la pesanteur de l’air : le mercure s’abaisse dans le tube à mesure que l’on s’élève.
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