Techniques anciennes
Le chadouf, connu dès l’Antiquité en Mésopotamie et en Égypte, est un simple levier : le contrepoids aide l’homme à remonter le récipient plein d’eau.
La force animale
Élever l’eau d’une rivière ou d’un puits pour boire et irriguer : pendant des millénaires, ce travail repose sur la force des hommes et des animaux, aidée par des machines simples.
Techniques anciennes
La roue à godets
Poussée par le courant, la grande roue tourne seule : ses godets se remplissent dans la rivière, montent, et se vident en haut dans un canal d’irrigation. C’est l’une des premières machines à utiliser une énergie naturelle, celle de l’eau qui coule.
Techniques anciennes
Ctésibios d’Alexandrie (iiie siècle av. J.-C.)
Une autre invention étonnante de Ctésibios est celle de l’orgue hydraulique (hydraulos ou hydraule), le premier orgue de l’histoire. Après avoir constaté les propriétés élastiques de l’air, Ctésibios cherche à les contrôler en créant le piston.
La pompe à piston
Cette pompe à piston mise au point par Ctésibios à Alexandrie peut produire un jet d’eau, c’est-à-dire projeter l’eau sous pression. Il s’agit d’une pompe à piston foulante, fonctionnant en immersion. Son principe a survécu à l’Antiquité : c’est celui de la pompe à incendie encore utilisée jusqu’au début du xxe siècle.
Techniques anciennes
La vis d’Archimède (iiie siècle av. J.-C.)
On attribue à Archimède la vis qui porte son nom. Une hélice, la vis, est enroulée autour d’un axe et enfermée dans un tube incliné dont le bas plonge dans l’eau. Quand on tourne l’axe, chaque spire emprisonne un peu d’eau. Cette eau glisse toujours vers le point le plus bas de sa spire… mais la spire, en tournant, ne cesse de remonter : l’eau progresse ainsi le long du tube et se déverse en haut.
Une pompe à vis
Il faut une force pour faire tourner la vis : celle d’un homme qui actionne une manivelle ou marche sur une roue, ou celle d’un animal qui tourne autour d’un manège, comme ici. La vis élève l’eau de quelques mètres seulement, mais avec un grand débit, et elle supporte une eau chargée de sable ou de boue.
Elle aurait servi à irriguer les champs d’Égypte et à vider l’eau des mines et des cales des navires. On l’utilise encore aujourd’hui dans les stations d’épuration, pour remonter les eaux usées.
Techniques anciennes
Héron d’Alexandrie (ier siècle)
Il conçoit cette fontaine automatique qui faisait jaillir l’eau grâce à un ingénieux système de vases communicants.
L’éolipyle
Imaginée et construite par Héron d’Alexandrie, l’éolipyle est une sphère creuse dans laquelle on fait pénétrer de la vapeur d’eau portée à ébullition dans la petite chaudière. L’expulsion des vapeurs par les petites tiges fait tourner la sphère. Première machine à vapeur ?
La vapeur monte de la chaudière par deux tubes creux qui servent aussi d’axe à la sphère. Elle s’échappe par deux petits tubes coudés, tournés en sens opposés. Comme un ballon de baudruche que l’on lâche, chaque jet pousse la sphère dans le sens inverse du sien : c’est le principe de la réaction, celui des turbines et des fusées.
Pourtant, Héron n’en fit qu’une curiosité, un jouet pour étonner. Il faudra attendre plus de seize siècles pour que la vapeur produise un travail utile.
Techniques anciennes
Al-Jazari (1136-1206)
Abū al-ʿIz Ibn Ismāʿīl ibn al-Razāz al-Jazarī
Ingénieur à la cour des Artukides, en Anatolie, al-Jazari achève en 1206 son Livre de la connaissance des procédés mécaniques ingénieux. On y trouve des horloges, des automates et plusieurs machines à élever l’eau, dont une pompe à deux pistons actionnée par une roue et un système de bielle et de manivelle.
Polémiques autour du vide
Pour le vide
[…] s’il n’y avait pas ce que nous appelons « vide », « place » et « nature intangible », il n’y aurait nul endroit où les corps pourraient être, ni au travers duquel ils pourraient se mouvoir. […] En outre, les atomes se meuvent de manière continue et cela éternellement […]. Car la nature du vide qui sépare chacun d’eux en lui-même permet cela, parce qu’elle n’est pas à même de fournir un appui.
Épicure, Lettre à Hérodote.
Contre le vide
[…] il ne serait pas possible qu’une seule chose soit mue s’il y avait du vide. En effet, […] il est nécessaire que dans le vide les choses soient au repos. Car il n’y a pas d’endroit dans lequel il y aura plus ou moins de mouvement. […] Mais dans le vide rien de cela ne peut être, et il n’y aura pas de transport, à moins qu’il ne soit véhiculé par autre chose.
Aristote, Physique, livre iv.
Polémiques autour du vide
La scolastique avec Salomon de Caus
Salomon de Caus
Ingénieur et architecte de jardins normand, Salomon de Caus construit grottes, fontaines et automates pour les cours d’Angleterre et du Palatinat. Dans Les Raisons des forces mouvantes, il explique ses machines par la physique de son temps, héritée d’Aristote : les quatre éléments, le lieu naturel de chacun… et l’impossibilité du vide.
Polémiques autour du vide
Les Raisons des forces mouvantes
Le feu et les éléments
Théorème premier. Les parties des éléments se mêlent ensemble, pour un temps, puis chacun retourne en son lieu. Est chose assez connue que tout ce qui a été créé par la providence divine est composé et mixtionné des éléments, comme aussi toutes les fabriques et compositions que l’homme peut effectuer.
Définition première. Il y a deux espèces de feu, l’un élémentaire, lequel n’est sujet à corruption, lequel je crois être la chaleur du Soleil […], la seconde espèce de feu est le matériel […]. Le feu est aussi dit très léger […] en ce qu’il est au-dessus des autres éléments, et aussi que nous voyons le feu matériel monter en haut […] et semble qu’il veut retourner en son lieu d’origine.
Polémiques autour du vide
Théorème ii
Il n’y a rien à nous connu de vide
Tout ce qui est connu à l’homme est rempli des quatre éléments, c’est pourquoi il ne peut rien y avoir de vide à nous connu, et de penser qu’il y a une vacuité au-dessus des éléments, c’est une opinion sans preuve et sans démonstration […]. Il vaudra mieux dire que ce grand espace est rempli d’une cinquième essence à nous inconnue.
Épicure a été un des plus excellents philosophes de son temps, toutefois son opinion touchant les atomes et le vide est fort contraire à un exemple que je donnerai ici. Il dit qu’il n’y a rien qui ne soit corps, et que les atomes sont des corps individus et solides […] lesquels se viennent à tourner, virer et entrechoquer par la cause du vide du monde.
Polémiques autour du vide
Théorème ii (suite)
L’exemple que je démontrerai serait un vaisseau de plomb ou de cuivre marqué A, clos et bouché de tous côtés, lequel sera rempli d’eau par le soupirail B, et après soit ledit soupirail bien fermé, alors si l’on fait un petit trou au bas du vaisseau au lieu C, il ne sortira aucune eau, d’autant que vacuité ne peut être audit vaisseau, mais si l’on donne place à l’air pour entrer audit vaisseau, en ouvrant le soupirail B, alors l’eau sortira, et l’air se mettra à sa place.
Or si l’opinion d’Épicure était vraie, et que la nature voudrait permettre le vide, l’eau sortirait, encore que le soupirail fût fermé, d’autant que c’est un élément pesant et coulant.
Salomon de Caus, Les Raisons des forces mouvantes, 1615 (orthographe modernisée).
À vous d’essayer
Le problème de Galilée
Les pompes du grand-duc (1640)
En 1640, Galilée, déjà âgé, reçoit un message du grand-duc de Toscane : pourquoi les pompes que l’on vient d’installer dans le parc sont-elles incapables d’élever au niveau du sol l’eau située 10 mètres plus bas ?
Jusqu’à 10 mètres seulement
En s’élevant dans le tuyau, le piston crée un léger vide en dessous de lui. Ayant horreur de ce vide, la nature le remplit aussitôt avec l’eau située juste en dessous. Celle-ci s’élève donc dans le tuyau de la pompe. C’est ainsi que la pensée médiévale, influencée par Aristote, explique l’aspiration. Seulement, l’eau ne s’élève que de 10 mètres environ : au-delà, on a beau pomper, elle refuse de monter. Galilée, très embarrassé, dut admettre que la nature a horreur du vide… jusqu’à 10 mètres seulement.
La fin de l’horreur du vide
L’hypothèse de Torricelli (1644)
Comment concilier cette limite de 10 mètres et l’horreur du vide ? Le jeune mathématicien italien Evangelista Torricelli, disciple de Galilée, entend montrer que c’est le poids de l’air sur la surface de l’eau qui maintient l’eau dans le tube. Si le poids de l’air peut maintenir une colonne d’eau de 10 mètres au maximum, que se passera-t-il avec un liquide 13,6 fois plus dense, le mercure ? La hauteur maximale sera 13,6 fois moins grande : 10,3 ÷ 13,6 ≈ 0,76 mètre, soit 76 cm.
Il remplit de mercure un tube d’un mètre fermé à un bout, le bouche avec son doigt et le retourne dans une cuve remplie du même liquide. Après quelques oscillations, la hauteur se stabilise à 76 cm. Il observe aussi que cette hauteur varie légèrement d’un jour à l’autre…
Le tube de mercure
La fin de l’horreur du vide
L’expérience de Pascal (1648)
Pourquoi y a-t-il plus d’air au sol qu’en haut d’une montagne ?
Le 19 septembre 1648, à la demande de Pascal, son beau-frère Florin Périer refait l’expérience de Torricelli au pied puis au sommet du Puy de Dôme : là-haut, la colonne de mercure est plus courte de plus de 8 centimètres. Moins d’air au-dessus, moins de poids !
Le poids de l’air
… Je travaille à examiner que la nature abhorre le vuide, et à chercher des expériences qui fassent voir si les effets doivent être attribués à cette horreur du vuide, ou s’ils doivent l’être à la pesanteur de l’air ; car, pour vous ouvrir ma pensée, j’ai peine à croire que la nature, qui n’est point sensible, soit susceptible d’horreur…
Lettre de Pascal à son beau-frère (1647).
Pourquoi moins d’air en altitude ? Les particules d’air sont pesantes : la Terre les attire vers le sol. Mais elles s’agitent sans cesse, ce qui les relance vers le haut. L’air s’entasse donc près du sol et se raréfie en montant.
La fin de l’horreur du vide
Les hémisphères de Magdebourg (1654)
Bourgmestre de Magdebourg et inventeur de la pompe à air, Otto von Guericke accole deux demi-sphères de cuivre et en retire l’air. Plus rien ne les sépare… sauf la pression de l’air extérieur, qui les plaque l’une contre l’autre.
Les chevaux n’y suffisent pas
Devant la Diète de Ratisbonne en 1654, puis à Magdebourg, des attelages de chevaux tirent en sens opposés sans parvenir à séparer les hémisphères. Dès qu’on laisse rentrer l’air, ils se détachent tout seuls. Le vide existe, et l’air pèse.