Td corrigé les grandes decouvertes et les grands physiciens - Albert Einstein pdf

les grandes decouvertes et les grands physiciens - Albert Einstein

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LES GRANDES DECOUVERTES ET LES GRANDS PHYSICIENS

L’Antiquité

Les grands géomètres au sens étymologique du terme

A. THALÈS DE MILET (625 – 547 av. J.C.)

Philosophe, astronome, mathématicien grec, originaire de Milet, Ionie, aujourd’hui en Turquie, fondateur de la philosophie grecque et considéré comme l’un des Sept Sages.
Philosophe de la nature, Thalès fut le premier à tenter de donner une explication rationnelle, et non mythologique,
de l'univers.

Il devint célèbre grâce à la prédiction de l’éclipse de Soleil du 28 Mai 585 av. J.C., (Cette prédiction eut une conséquence non négligeable.
A cette date, les Mèdes du Roi Cyaxare et les Lydiens du Roi Aliathe étaient en guerre et devaient se livrer une bataille décisive.
Quand ils virent brusquement le jour se transformer en nuit, comme l’avait prédit Thalès, ils connurent une telle panique qu’ils préférèrent cesser les combats et signer un accord de paix.), ainsi qu'à un théorème de la théorie du triangle auquel il donna son nom et qu’il appliqua à la mesure de la hauteur des Pyramides et à la mesure des distances en mer.
Il est aussi connu pour ses travaux sur l'électricité statique.
Il avait en effet constaté qu’un morceau d’ambre jaune (sève d’un résineux devenue solide) frotté sur de la laine ou de la fourrure attirait à lui des objets comme plumes, brins de paille ou petits morceaux de bois. Le mot « électricité » vient du grec êlektron qui signifie ambre.
Il aurait également été le premier à remarquer que certains minerais de la région de Magnésie ont la propriété d'attirer le fer.
Il posa la première vraie question sur la nature du monde vers 585 av. J.C. :
« De quoi le monde est-il fait ? » 

Cette interrogation constitue ce que l'on a coutume d'appeler le

« Miracle grec »

C'est une question d'ordre astronomique voire astrophysique qui fait de lui premier physicien.
Il cherche à comprendre l’organisation de l’univers.

Thalès était persuadé que l’Eau était la base de toutes choses puisque capable de se transformer en «Air» par évaporation ou en « Terre » lorsque le Nil dépose son limon au cours de ses inondations annuelles. Cette conception lui était venue suite à la constatation qu’il avait faite que toute créature vivante (végétal, animal ou humain) était invariablement « humide ».
Les plantes, les aliments … sont humides alors que les pierres inertes ne le sont pas et que les cadavres se dessèchent …

Cette idée peut aujourd’hui nous sembler bien " rudimentaire ", mais à l’époque de Thalès, où tous les phénomènes baignaient dans une mythologie effroyablement complexe, tenter d’expliquer TOUT par un nombre réduit d’hypothèses, était foncièrement révolutionnaire.

Et puis, il ne faut pas non plus oublier que Thalès avait fait son éducation de base en Egypte et en Mésopotamie, deux pays on ne peut plus arides et dans lesquels les fleuves (Nil, Tigre, Euphrate) étaient l’objet de véritables cultes… puisque source de vie.
Pour lui, la Terre est supposée plate, de la forme d'un disque, entièrement ceinturée par le fleuve Océan et recouverte d'un ciel en coupole hémi-sphérique.
L' hémi-sphéricité est suggérée par le mouvement des astres qui décrivent de grands arcs de cercles au cours de la journée et de la nuit. Le retour journalier de mouvements similaires pose question.
Certains pensent que les astres, après avoir disparu de l'horizon, reviennent à leur point de départ en empruntant le fleuve Océan. D'autres avancent que ce sont chaque jour de nouveaux astres qui se déplacent dans le ciel, certaines parties de la Terre ayant le pouvoir de les allumer ou de les éteindre.

Quel support pour la Terre ?

Sur quoi s'appuie la Terre pour ne pas tomber vers un autre lieu du ciel ?
L'interrogation est déroutante.

Après l'avoir imaginé soutenue par un pilier imaginaire, Thalès fait reposer la Terre sur de l'eau.
Cette flottaison " instable " lui permettait d’expliquer les tremblements de terre.
« De quoi le monde est-il fait ? »

Cette question va être le détonateur qui va engendrer d’énormes progrès. Même si la réponse n’est pas très intéressante,

« Le plus important était de se poser la question ! »

Il serait mort de déshydratation alors qu’il assistait, passionné, à un concours de gymnastique. En fait, il fut plus certainement victime de l’effet de foule. Quand le public se dispersa à la fin de la compétition, on le retrouva étendu sur les gradins, comme s’il était en train de dormir. Sur son tombeau fut inscrit cette épitaphe :
«  Ce tombeau est certes étroit, mais considère qu’il atteint les dimensions du ciel, la gloire de Thalès, l’homme très sensé. »










Thalès et le secret de la pyramide de Khéops

Vers 2500 av. J.C. le roi d’Egypte Khéops fit construire à Guizeh, son modeste tombeau : la célèbre Grande pyramide qui est considérée comme l’une des sept merveilles du monde.
Thalès en voyage en Egypte fut étonné par les dimensions de ce monument qui dépassaient tout ce qu’il avait pu imaginer.
La hauteur de la pyramide semblait impossible à mesurer.
Pourtant il y parvint avec l’aide du Soleil et beaucoup
d’imagination ...
Il avait remarqué que l’ombre d’un objet est proportionnelle à la taille de cet objet. Le rapport qu’il entretenait avec son ombre devait être le même que celui que la pyramide entretenait avec la sienne.
Il en déduisit ceci :

« A l’instant où mon ombre sera égale à ma taille, l’ombre de la pyramide sera égale à sa hauteur. »

Il traça dans le sable un cercle de rayon égal à sa propre taille, se plaça au centre, se redressa afin d’être bien droit et fixa le bout de son ombre. Lorsque celle-ci effleura la circonférence la
longueur de l’ombre fut égale à sa taille.
A ce moment il planta un pieu à l’endroit atteint par l’extrémité de l’ombre de la pyramide.












Thalès ne peut mesurer directement (en nombre de pas par exemple) que la partie de l’ombre de la pyramide s’étendant en dehors de la base, ainsi que la largeur de la pyramide.

La pyramide a une largeur de 254 pas, son ombre a une longueur de 34 pas.
Il obtint alors la hauteur de la pyramide en pas : 161 pas
Soit en mètres : 144,9 m
En comparant ce résultat à la valeur actuelle de la hauteur de la pyramide : 147 mètres, on trouve une légère différence d’environ deux mètres. D’où peut-elle provenir ?
En réalité à l’origine la pyramide de Khéops était « coiffée » d’un pyramidion en or qui brillait au Soleil et indiquait la présence du tombeau à plusieurs kilomètres de distance.

La gloire de Thalès : La prédiction des éclipses : le Saros

Comme nous l’avons vu ce qui rendit vraiment Thalès célèbre ce fut la prédiction de l’éclipse de Soleil du 28 Mai 585 av J.-C.
D’autant plus que si les éclipses de Lune sont visibles depuis une énorme portion de la Terre, il n’en est pas de même des éclipses de Soleil qui ne peuvent s’observer que sur des territoires précis et réduits.

Si l'orbite terrestre, ou écliptique, était dans le même plan que l'orbite lunaire, deux éclipses totales surviendraient au cours de chaque mois lunaire : une éclipse de Lune se produirait au moment de chaque pleine lune, et une éclipse de Soleil apparaîtrait au moment de chaque nouvelle lune. Les deux orbites sont toutefois inclinées .
Par conséquent, les éclipses surviennent seulement lorsque la Lune ou le Soleil sont aux lieux d'intersection des deux orbites. Périodiquement, le Soleil et la Lune retrouvent une même position par rapport à l'un des lieux d’intersection.
Ainsi, les éclipses se produisent à intervalles réguliers appelés saros qui signifie répétition.



Un saros correspond à environ 6 585,3 jours, c'est-à-dire 18 années, de 9 à 11 jours (selon le nombre d'années bissextiles) et 8 heures.
Ce sont les astronomes chaldéens (Babylone) qui en étudiant les mouvements du Soleil et de la Lune ont découvert le cycle que les astronomes modernes désignent sous le nom de saros et qui correspond à une période de 223 lunaisons ou mois lunaires.

Les mois étaient alternativement de 29 et 30 jours avec des corrections pour réduire le décalage progressif entre les années et les saisons.
Chaque éclipse est identique à la précédente, mais est déplacée en longitude d’environ 120° vers l’ouest d’une éclipse à la suivante puisque la Terre a tourné d’un tiers de tour supplémentaire.

Ce cycle intervient encore aujourd’hui dans le calcul des éclipses. Pendant un saros, environ 70 éclipses ont lieu, dont 29 éclipses de Lune et 41 éclipses de Soleil.
Parmi ces dernières, en général 10 sont totales et 31 partielles.
Au cours d'une année, il se produit de 2 à 7 éclipses.

Cependant, un long intervalle de temps sépare deux observations successives d'éclipses totales de Soleil à partir d'un même lieu.
Ainsi, depuis le début du siècle, on n'a pu observer que trois éclipses totales de Soleil en France, l'une le 17 avril 1912, l'autre le 15 février 1961, la dernière le 11 août 1999 (l’ombre de la Lune a balayé la France d’ouest en est en moins de 20 min à partir de 10 h 20, temps universel).

Puisqu’une éclipse totale de Soleil a eut lieu en le 11 Août 1999 et puisque la durée d'un saros est de 18 ans 9 ou 11 jours suivant le nombre d'années bissextiles contenues dans ce Saros.
A quelle date a eut lieu la précédente éclipse totale de Soleil ?
Réponse : le 31 Juillet 1981

A quelle date devrait avoir lieu la prochaine éclipse totale de Soleil ?
Réponse : le 22 Août 2017

A quelle date devrait avoir lieu la prochaine éclipse en France ?
Le 5 novembre 2059. Ce sera une éclipse annulaire.

A quelle date devrait avoir lieu la prochaine éclipse totale en France ?
Le 3 septembre 2081.

Visiblement Thalès ne possédaient pas les connaissances nécessaires pour effectuer une telle prédiction et beaucoup sont convaincus qu’il utilisa pour ce faire les données astronomiques rassemblées par les Babyloniens. Mais le mystère n’est pas résolu pour autant car les recherches récentes on montré que si les astronomes de Babylone étaient capables de prévoir une éclipse de Soleil avec exactitude, ils ne pouvaient le faire que pour leur secteur. Leurs connaissances ne leur permettaient pas de faire des prédictions pour des lieux situés à des latitudes et longitudes différentes.

Eclipses de Soleil et de Lune

Une éclipse lorsque la lumière d'un corps céleste est momentanément masquée par un autre corps. Les éclipses de Lune se produisent deux ou trois fois par an, lorsque la Lune traverse l'ombre projetée par la Terre dans la direction opposée à celle du Soleil. Les éclipses de Soleil se produisent une ou deux fois par an, lorsque la Lune passe entre le Soleil et la Terre, projetant sur la Terre une ombre large de moins de 200 km.


Une éclipse de Soleil n'est visible que si l'ombre projetée par la Lune passe par le lieu d'observation sur la Terre. Une éclipse de Lune est visible de n'importe quel endroit de la Terre où la Lune est visible.

B. ERATOSTHENE DE CYRENE :
(273 - 192 av. J.C.)

Astronome, géographe, mathématicien et philosophe grec originaire de Cyrène, aujourd'hui Shahhat en Libye. Il s'établit à Alexandrie où
il devint responsable de la célèbre Bibliothèque.

En géographie, il fut une autorité reconnue de toute l'Antiquité.
Il avait eu l'idée de diviser le globe au moyen d'un axe Est-Ouest parallèle à l'équateur et qui passait par Rhodes et d'un axe Nord-Sud perpendiculaire au premier et passant par Alexandrie.
Ainsi tous les lieux connus se situaient par rapport à un parallèle et un méridien de référence.

Il mesura aussi l’obliquité de l’écliptique (angle d’inclinaison de l’axe de la Terre) avec une précision remarquable puisqu’il aurait trouvé 11/83 de 180°, soit 23° 51' 15".
Ce qui représente une erreur de seulement 7 minutes d’arc.
Il constitua un catalogue (aujourd’hui perdu) de 675 étoiles.
Mais surtout, il fut le premier à proposer une méthode de mesure de la circonférence terrestre encore en usage aujourd'hui.
Ses calculs étaient fondés sur l’observation qu’à midi, au moment du solstice d’été, le Soleil à Syène (aujourd’hui Assouan) se trouve à la verticale car il ne donne aucune ombre (Syène se situe presque directement sur le tropique du Cancer).
A Alexandrie, se servant de l’ombre projetée par un obélisque,
il mesura à la même date et au même moment l’angle que faisaient avec la verticale les rayons du Soleil.
Connaissant la distance entre Syène et Alexandrie, il fut ainsi capable par des calculs trigonométriques de déterminer la circonférence de la Terre (près de 40 000 km) avec une précision de l'ordre de 5%.

Devenu aveugle, il se laissa mourir de faim à Alexandrie.

Avec Eratosthène une transition importante s'opère.
Les astronomes désormais se préoccupent davantage des dimensions des corps célestes plutôt que de leur agencement.
Calculs d'Eratosthène :

- L’obliquité de l’écliptique par rapport à l’équateur : 23° 51' 20''
- La circonférence de la Terre : 42 000 km

En profitant des éclipses de Lune, Eratosthène tenta aussi de mesurer la distance Terre/Lune et trouva 780 000 stades… ainsi que la distance Terre/Soleil pour laquelle il proposa 804 000 000 de stades.
Valeurs fausses bien sûr, mais permettant néanmoins de concevoir un Univers bien plus grand que tout ce que l’on imaginait alors.

Pour la majorité des contemporains d’Eratosthène, la Terre était un grand disque plat surmonté d’un « ciel » plus ou moins complexe sur lequel se déplaçaient :
- Le Soleil. - La Lune. - Les Etoiles fixes. - Les Planètes (astres errants) : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne.


















Mesure de la Circonférence de la Terre

Eratosthène avait entendu des voyageurs raconter, qu’à Syène (aujourd’hui Assouan) le 21 Juin à midi, le Soleil se trouvait exactement à la verticale de la ville.
A tel point que ses rayons parvenaient même à toucher le fond d’un puits étroit et profond de cette ville.
Or, Eratosthène observa que chez lui, à Alexandrie, au Nord de Syène, le Soleil faisait toujours une ombre. D’où l’idée que, s’il pouvait mesurer la longueur de l’ombre à Alexandrie à l’heure où il ne s’en produisait pas à Assouan, il serait en mesure de calculer la circonférence terrestre.
Le 21 Juin, il mesura l’ombre d’un obélisque haut de 20 m et calcula ainsi l’angle que font les rayons du Soleil avec la verticale.

Des calculs trigonométriques permettent de calculer la valeur de cet angle. Il fut évalué par Eratosthène à 7 ° 12’

Rayons quasi-paralléles provenant
du Soleil lointain



Obélisque







(

Puits
Ombre
(








Toujours en parlant avec des voyageurs, Eratosthène apprit qu’il fallait cinquante jours à un chameau pour faire le voyage de
Syène à Alexandrie. Sachant qu’un chameau parcourt la distance de 100 « stades » par jour en moyenne ( le « stade » était l’unité de longueur utilisée à l’époque d’Eratosthène )
Il calcula en « stades » la distance entre Syène et Alexandrie.
Soit environ 5000 stades. A partir de ce résultat il pu calculer en « stades » la circonférence de la Terre.
Seulement les arpenteurs de l’époque mesuraient les distance en comptant leurs pas !
Ainsi un « stade » représentait 600 pas.
Le problème est qu’il a été très difficile aux archéologues et aux historiens de trouver la valeur d’un pas qui variait en
fonction des régions.
Si l’on suppose qu’un pas mesure 28 cm, ce qui est assez proche de la réalité, on obtient pour la valeur de la circonférence
de la Terre : 250 000 stades soit 42 000 km.
La valeur exacte étant proche de 40000 km, l’écart d’Eratosthène est de l’ordre de 5%. Ce qui est extraordinaire pour l’époque !!!

Remarque :

Que la mesure de l’angle soit meilleure que celle des distances n’a rien d’étonnant.
De plus il est très difficile d’apprécier la valeur que pouvait représenter un pas à cette époque.
Néanmoins la précision à laquelle il parvient dans son calcul ne se retrouvera plus avant les temps modernes.









C. EMPEDOCLE D’AGRIGENTE :
(490 - 430 av. J.C.)

Philosophe grec originaire d'Agrigente, en Grande Grèce (aujourd'hui en Sicile).
Médecin, prophète et chef, après son père, du parti démocratique de sa ville natale, Empédocle aurait même remporté une victoire aux Jeux Olympiques.
Il serait mort en Grèce à l'âge de soixante ans ; mais une légende que l’on doit à Heraclide du Pont prétend qu'après avoir « ressuscité » une femme d’Agrigente, il aurait compris que sa popularité avait atteint son point culminant et qu’il ne lui restait plus qu’à disparaître comme un Dieu. Il se serait alors jeté dans le cratère de l'Etna. Le volcan aurait même rejeté sa sandale de bronze …

De ses deux grands poèmes philosophiques (les Purifications et Sur l'Univers), il ne subsiste qu'une centaine de fragments, où il affirmait que toute chose se compose des quatre principaux éléments :
la Terre, l'Eau, l'Air et le Feu.
Empédocle fut en effet le fondateur de la théorie des quatre éléments conservée jusqu'à l'époque de la chimie moderne.

La Terre est le principe et le support de l’état solide et de la sécheresse.
L’Eau est le principe et le support de l’état liquide et du froid.
L’Air, celui de l’état volatil et gazeux.
Le Feu, plus subtil, répond à la notion de fluide éthéré (= impalpable ), il est le support symbolique de la lumière et de la chaleur.

Pour Empédocle :

"Les quatre éléments la Terre, l'Eau, l'Air et le Feu se mélangent et se divisent sans cesse mais de telle sorte que la matière reste toujours constante "

Il est important de remarquer que si leurs mélanges et leurs combinaisons produisent tous les corps naturels, les éléments, dans ce système, ne sont pas susceptibles d’être transformés : ils subsistent par eux-mêmes et ne se peuvent changer les uns en les autres.

Ces quatre éléments fondamentaux (Terre, Eau, Air et Feu) sont mis en mouvement et combinés par deux principes opposés : l'«Amour», principe de rassemblement et d'harmonie, et la «Haine», principe de dispersion et de discorde.
L'«Amour», Eros en grec, est le principe de toute synthèse et réunion.
C'est l'énergie d'intégration.
Tandis que la « Haine », Polémos en grec, est une division des phénomènes de la nature.
C'est l'énergie de désintégration.
L'idée d'Empédocle est que dans le monde matériel la dissociation prend le pas sur la concentration.
Il y a là les prémisses de la théorie moderne d'un Univers en perpétuelle expansion !


Sa vision de l'Univers est basée sur sa théorie Nuit
des quatre éléments.
Le feu mêlé d’air se concentre pour former
l’hémisphère du jour (feu = lumière),
tandis que la vapeur montée des eaux emplit Jour
l’autre moitié du ciel pour former l'hémisphère
de la nuit. L’univers s’allonge et prend la forme Feu
d’un œuf.
Retenus dans le mélange, mais toujours portés
à se retrouver, les éléments s'animent.

Le feu entraîne la rotation des deux hémisphères du jour et de la nuit.
La Terre sphérique repose immobile au centre, opposant une résistance active aux mouvements giratoires de la voûte des astres fixes et des sphères intermédiaires.
Le Soleil n’a pas de corps propre.




On reconnaît aussi à Empédocle le mérite d’avoir prouvé l’existence de l’Air en tant que « quelque chose » de matériel n’ayant rien à voir avec le vide.

Dans un fragment de son traité qui nous est parvenu, il explique que
« si une petite fille (créature on ne peut plus naïve et ignorante) prend un récipient de cuivre et en bouche l’ouverture avec sa main, le retourne et l’enfonce dans l’eau… l’eau n’y pénètre pas car l’air contenu dans le récipient l’en empêche en la repoussant ».
Il y a là une bien belle preuve expérimentale, peut être même la première de l’histoire des Sciences.
Il découvrit aussi la force « centrifuge » en constatant que si l’on faisait tourner un seau plein au bout d’une corde, l’eau adhérait au fond et ne tombait pas.

Il prétendait que la Lumière était une émission d’effluves qui se transmettaient instantanément. Selon lui, la lumière de la Lune était
« empruntée au Soleil ». Cela l’amena à s’intéresser aux éclipses.
Il affirmait aussi que le son était une vibration de l’air.

Supposons maintenant que vous vouliez refroidir une canette de
Coca-Cola et que vous disposiez d’un « pain » de glace.
Placeriez-vous ce « pain » sur la canette ou bien sous la canette ?



Coca glace

Coca
glace









D. DEMOCRITE :
(460 - 370 av. J.C)

Leucippe (460 av. J.C. - 370 av J.C.), philosophe
grec né probablement à Abdère. On dispose de peu
d'éléments fiables sur sa vie et aucun de ses écrits
n'est parvenu jusqu'à nous. Leucippe passe néanmoins
pour l'initiateur de la théorie atomiste, développée
successivement par Démocrite, Épicure et Lucrèce,
ses disciples. Selon les premiers philosophes atomistes, la matière est constituée de particules identiques et indivisibles appelées atomes.

Démocrite

Philosophe grec, originaire d'Abdère, Thrace, aujourd'hui en Turquie, Cicéron rapporta que, « poussé par le désir de s’instruire », il fit de nombreux voyages, et parvint à formuler une explication rationnelle de la nature qui fut reprise par Épicure et ses successeurs.
Il passe pour avoir écrit cinquante-deux ouvrages, traitant de l’éthique, de la physique, des mathématiques, de la musique et des techniques.
Il est difficile d’évaluer son œuvre, car seuls quelques fragments nous sont parvenus, cités le plus souvent par des auteurs qui ne partageaient pas sa philosophie.
Il est le principal fondateur du matérialisme (doctrine qui affirme que rien n'existe en dehors de la matière et que l'esprit est lui-même entièrement matériel) et de l'atomisme.

Faute de témoignages fiables sur la vie de Démocrite, la littérature antique fournit de nombreuses anecdotes qui traduisent, au moins en partie, la manière dont il était perçu en Grèce et à Rome.
Certains affirmaient qu’il avait délaissé son patrimoine pour se consacrer à la pensée, d’autres, notamment Plutarque, racontaient qu’il s’était ôté la vue pour n’être plus distrait par les objets extérieurs, notamment par les femmes qu’il aurait, au dire de Tertullien, voulu aimer toutes. La plupart s’accordent à en faire un modèle de bonne humeur. Juvénal, dans ses Satires, en a fait l’épigramme : « Un rire perpétuel secouait Démocrite. »
Démocrite concevait la création des mondes comme la conséquence naturelle de l’incessant tournoiement des atomes dans l’espace.
Les atomes se déplacent au hasard dans le vide, se heurtent mutuellement, puis se rassemblent, formant des figures, qui se distinguent par leur taille, leur poids et leur rythme.
Ces figures peuvent elles-mêmes entrer dans la composition d’objets plus complexes. Les différences qualitatives perçues par les sens entre les choses tout comme l’apparition, le déclin et la disparition de celles-ci ne résultent pas de qualités inhérentes aux atomes mais de leur disposition quantitative.


Démocrite admettait deux principes de formation de l’Univers. Le plein, qu’il nomma, atomos, c’est-à-dire qui signifie qui ne peut être coupé : a privatif et temo = couper. « indivisible », « insécable ».
L’expression avoir (ou non) des atomes crochus provient de la théorie de Démocrite qui estimait que les atomes constituant la matière devaient posséder des crochets pour s’attacher les uns aux autres.

Le vide dans lequel se déplacent les particules de matière pure, minuscules, invisibles, indestructibles et infinies en nombre.
La diversité de tout ce qui est découle de la multiplicité des formes qui peuvent naître de la combinaison des atomes.
Selon lui, toute la nature est constituée à partir d'une infinité de particules éternelles indestructibles et indivisibles, entraînées par un mouvement éternel dans l'espace vide infini.
Incolores, inodores, sans saveur, et se différenciant par leurs formes et leurs grandeurs, les atomes sont soumis aux seules lois du choc dans le vide ; seuls le hasard et la nécessité président donc à leurs rencontres et à leurs enchevêtrements grâce auxquels se forment, dans l'infinité de l'espace et dans l'éternité du temps, des corps composés ou même des mondes comme celui où nous vivons.
En effet, Démocrite avait osé affirmer que notre univers n'était que l'un des univers possibles, tant cette multiplicité de combinaisons était féconde.
Dans l’Antiquité, on connaissait aussi les propriétés de la pierre dite d’Héraclée, de Lydie ou de Magnésie (d’où le terme de magnétisme), qui constitue les aimants et que l’on appelle la magnétite. Démocrite donna également un traité de l’aimant dont

« les atomes pénètrent au milieu de ceux
moins sensibles du fer pour les agiter ».

Enfin et surtout, il énonce clairement le Grand Principe Philosophique qu'on retrouve à la base de toute cosmologie matérialiste :

« le mouvement est inséparable de la matière ».

La théorie atomiste préfigure la pensée moderne, non parce qu’elle utilise le terme « atome », mais parce qu’elle s’efforce de construire la complexité du réel à partir de principes réels.
Cause et effet doivent être définis sur le même plan. Par cette détermination d’une causalité homogène, Démocrite et Leucippe ont jeté les fondements de la recherche objective et de l’esprit scientifique.
L'agrégation et la désagrégation des atomes que Démocrite explique par une "Nécessité" correspondent à ce qu’on appelle aujourd'hui : le Déterminisme Universel.
Peu importe la direction ( horizontale ) dans laquelle vous vous trouvez, l’aiguille d’une boussole indiquera toujours la même direction.


 Nord





Sud

La Terre se comporte comme un gigantesque aimant. Cet aimant oriente tous les aimants se trouvant sur la Terre vers son sommet appelé pôle nord. Le mot boussole vient de l’italien boussola qui signifie petite boite car les premières boussoles étaient placées dans de petites boites pour permettre leur transport.






















E. ARISTOTE DE STAGIRE :
 (384 - 322 av. J.C.)

Philosophe grec, originaire de Stagire,
surnommé le stagirite, fondateur de
La Logique et inventeur du raisonnement hypothético-déductif, il est l'auteur d'un
grand nombre de traités de logique,
de politique, de biologie, de physique et de métaphysique.
A l’âge de dix-sept ans Aristote se rend à Athènes pour suivre l’enseignement de Platon à l’Académie. Il y restera vingt ans et sera l’un de ses disciples les plus brillants. Vingt ans, pendant lesquels il acquiert une culture encyclopédique, touchant tous les aspects du savoir de son temps. A la mort de Platon, il quitte Athènes et voyage jusqu'à ce que Philippe de Macédoine le nomme précepteur de son fils, le futur Alexandre le Grand dont il demeurera l'ami. En 335 que, de retour à Athènes, il fonde le Lycée, ainsi nommé en l'honneur d'Apollon Lyceius, dieu des Bergers, et parce qu'il est situé dans une plaine où se trouve un temple dédié à cette divinité.
On le surnomma Péripatos à cause du péristyle où se promenaient maîtres et disciples, qui recevront le nom de péripatéticiens. Il y enseigne une douzaine d'années. Contraint de fuir Athènes à la mort d'Alexandre en 323 sous l'accusation d'impiété, il meurt noyé à Chalcis à l'âge de 62 ans en cherchant à déterminer la vitesse d'un courant marin.
Aristote définit l'Homme comme « le vivant qui possède la parole ». C'est pourquoi La logique d'Aristote est la doctrine du logos (mot qui signifie à la fois la parole, le discours et la raison). Elle est exposée dans les divers traités réunis sous le nom d'Organon (l'instrument philosophique par excellence). Dans les traités qui composent l’Organon, il entreprend également l’étude de la proposition et du raisonnement, soit de la combinaison de plusieurs propositions. C'est ce que l'on appelle un raisonnement hypothético-déductif ou un syllogisme, c'est à dire un raisonnement qui contient trois propositions (la majeure, la mineure et la conclusion), et tel que la conclusion est déduite de la majeure par l'intermédiaire de la mineure.
Voici un exemple que l’on doit à Guillaume dOckham
« Tous les hommes sont mortels » (proposition majeure du syllogisme) et « Or, Socrate est un homme » (proposition mineure) s'ensuit nécessairement la conclusion : « Donc Socrate est mortel. »
A la différence de Platon, qui privilégie les mathématiques, Aristote s’intéresse à la science et pour lui la connaissance se fonde sur l’expérience sensible :
«Il n’y a rien dans l’intellect, écrit-il, qui ne fut d’abord dans les sens.»
Au Lycée il commence par enseigner l'art de raisonner, de déduire par des raisonnements, les conséquences de postulats de départ appelés : « Principes ».
Ainsi formé à la Logique, aux Mathématiques l'étudiant se trouve enfin en état de donner un contenu, un sens à ces raisonnements. C'est l‘objet des huit livres de la « Physique » ( étude de la nature phûsis = nature en grec ) dont les quatre premiers sont consacrés aux principes et les quatre suivants aux mouvements.
Selon Aristote, chaque corps ou élément possède un mouvement naturel, qui consiste à tendre vers son « lieu naturel » où il demeure immobile. Les corps se partagent en deux catégories, les lourds et les légers ; et les mouvements, en mouvements naturels et mouvements violents.
Les corps lourds tombent en ligne droite vers le centre de la Terre, lieu naturel de leur repos ; les corps légers vont en sens inverse.
Les premiers tombant plus vite que les seconds !
Les mouvements violents sont ceux conférés à un corps par une projection. Cette impulsion est transmise à l'air, qui, tout en freinant le mouvement, en assure l'entretien.
Pour Aristote

« Tout ce qui est mû est mû par quelque chose.
Le corps en mouvement s'arrête quand la force
qui le pousse ne peut plus agir de façon à le pousser. »

Même un mouvement uniforme a besoin, selon lui d'une force pour se poursuivre.
Il faudra attendre des siècles et tout le génie de Galilée pour démontrer le contraire.

En astronomie, Aristote considère l’univers comme sphérique et fini, la Terre étant placée en son centre est elle aussi sphérique :
« La sphéricité de la Terre nous est prouvée par le témoignage de nos sens : car si tel n'était pas le cas, les éclipses de la Lune ne prendraient pas les formes qu'elles ont. En effet, alors que, dans les phases mensuelles de la Lune, les segments sont de toutes espèces - droits, gibbeux ou en forme de croissant -,dans les éclipses la, la démarcation est toujours arrondie. Cette ligne courbe, si l'éclipse est due à l'interposition de la Terre, signifie donc la sphéricité de celle-ci. »
Mais pour lui, même si la Terre est ronde, elle n'en demeure pas moins immobile :
« Ce qui prouve la fixité de notre planète, c'est le fait que des objets lourds lancés verticalement vers le haut retombent à leur point de départ, même si la force les projetait infiniment loin. »

L’immobilité de la Terre

D'après Aristote :

« Un corps lourd, lancé verticalement retombe à son point de départ,
 même si la force les projetait infiniment loin... »

Cela prouve l’immobilité de la Terre, corps lourd
car si elle se déplaçait le dit projectile
devrait retomber derrière le lanceur, lanceur
puisque pendant la durée de « son vol » Terre
la Terre aurait tourné. 

Cette démonstration vous paraît-elle valable ?




Ce problème est à rapprocher d’un problème célèbre qui s’intitule :
Comment voyager à peu de frais ?
Si l’on tient compte de la rotation de la Terre un moyen simple de voyager à peu de frais serait de s’élever dans les airs (avec une montgolfière par exemple ) et de s’y maintenir un certain temps.
Temps nécessaire à la Terre pour effectuer une partie de sa rotation d’Ouest en Est.
On pourrait ainsi se poser en un lieu se trouvant très loin à l’Ouest du point de départ.

Où est donc le problème ?

Cette idée n’est que pure fantaisie. En s’élevant dans l’air on ne se détache pas du globe terrestre (comme le font les astronautes) ; on reste lié à sa couche gazeuse, suspendu dans son atmosphère qui participe, elle aussi, à la rotation de la Terre sur son axe.
L’air tourne avec la Terre et entraîne dans son mouvement tout ce qui s’y trouve : les nuages, les insectes, les oiseaux, les cailloux, les avions ...
Voilà pourquoi la démonstration d’Aristote n’est pas valable.
Il sera néanmoins intéressant de rapprocher ce problème de celui de la déviation vers l'Est.







En effet, d’une tour ou dans un puits, une pierre est déviée dans sa chute dans le sens de rotation de la Terre, donc vers l’Est à cause de la force de Coriolis. Ceci est valable bien sur pour l’hémisphère nord. A titre d’exemple, un objet lâché du haut de la tour Eiffel (324 m) subirait une déviation vers l’Est de 8,6 cm s’il n’était soumis lors de sa chute aux frottements de l’air.

Sa conception de l'Univers emprunte à Empédocle sa théorie des quatre éléments et à Eudoxe son système de sphères. La Terre et l'Eau ont le centre de l'Univers comme lieu naturel, et tendent à y retourner : ils tombent. En revanche l'Air et le Feu ont le ciel pour lieu naturel : ils montent verticalement et ne sont arrêtés que par les sphères sur lesquelles tournent les astres errants et les étoiles.
En réfléchissant sur la nature physique des sphères d’Eudoxe et sur la raison de leur mouvement Aristote introduisit des mécaniques à rouages reliant les sphères les unes aux autres. Quant aux sphères elles-mêmes, elles étaient constituées «d’un gaz inconnu dont la propriété essentielle est de tourner d’un mouvement uniforme».
Ce cinquième élément où Quintessence que les savants du XVIIème siècle appelleront Ether est le constituant des objets célestes. Invisible, inodore, impalpable et incapable de tout changement autre qu'un changement de lieu son mouvement naturel consiste en une rotation constante et éternelle autour du centre de l'Univers : la Terre.


Vision d'Aristote : Ether
Feu
Les quatre éléments : la Terre, l'Eau, l'Air et le Feu Air
se répartissent hiérarchiquement Eau
(du plus léger au plus lourd) autour de la Terre sphérique
et immobile au centre de l'Univers.
Le mouvement des astres est circulaire et uniforme.







Le cinquième élément

D'après Aristote :

« Si un corps parcourt une même distance dans deux milieux différents, le rapport des temps de parcours est égal au rapport des résistances des milieux traversés, la résistance du milieu est d’autant plus faible que le milieu est dilué. »





B
 A C

n1 n2


En appelant t1 le temps mis pour parcourir la distance AB dans le milieu 1 de résistance n1,
En appelant t2 le temps mis pour parcourir la distance BC dans le milieu 2 de résistance n2, on peut exprimer sous forme algébrique la relation d’Aristote sachant que AB = BC = d.
Aristote en déduisait que dans le vide le temps de parcours devrait être nul, ce qui rend impossible l’existence du vide.
D’où provient son erreur ?

Son erreur provient du fait qu’il pensait que « la résistance du milieu est d’autant plus faible que le milieu est dilué. »
Ceci est vrai, mais malgré cela « la résistance du vide » n’est pas nulle pour autant.
Elle est minimum et sa valeur est égale à 1.
A titre d’exemple « la résistance de l’air » est de 1,0003 , celle de l’eau est de 1,333 ...







Niveau Seconde à Terminale :

v1 = AB / t1 = d / t1
v2 = BC / t2 = d / t2

Or v = c / n
t1 = d / v1
t2 = d / v2

t1 / t2 = d / v1 ( v2 / d = v2 / v1 = c / n2 ( n1 / c = n1 / n2

D’où :
t1 / t2 = n1 / n2



D'après Aristote :

« Si nous supposons un instant que le vide existe, il faut admettre qu’une chose placée dans ce vide ne pourrait s’y mouvoir, puisqu’il n’y aurait en l’absence de lieu aucune raison pour que son mouvement se produise dans une direction plutôt que dans une autre. »

Quelles sont les conséquences de l’existence du vide pour Aristote ?
Quel problème astronomique cela peut-il engendrer ?

L’existence du vide implique une impossibilité de mouvement.
Ce qui rend difficile l’explication du mouvement des astres dans l’espace c’est à dire le vide.
C’est pourquoi Aristote fut contraint d’ajouter un élément au quatre précédemment introduits par Empédocle : la Terre, l’Eau, l’Air et le Feu.
Cet élément fut baptisé « la quintessence » : quinte = cinquième ; essence = élément

Ce « cinquième élément » surnommé ensuite éther ne tardera pas à faire reparler de lui.





Le mouvement

D'après Aristote :

« Tout ce qui est mû est mû par quelque chose.
Le corps en mouvement s’arrête quand la force
qui le pousse ne peut plus agir de façon à le pousser. »

En vous basant sur la simple observation de phénomènes comme le jet d’une pierre, le vol d’un oiseau ... pensez-vous qu’Aristote ait raison ?

Non. Une pierre lancée continue sa trajectoire même lorsque la force exercée par la main sur la pierre n’est plus en contact avec celle-ci.
De même qu’un oiseau continue de planer même lorsqu’il ne bat plus des ailes.

D’où provient son erreur ?

Son erreur provient du fait qu’il attribuait un rôle moteur à l’air.
D’après lui la poussée de l’air entretenait le mouvement.
Nous savons aujourd’hui que c’est exactement le contraire et qu’un corps en mouvement dans l’air est ralenti à cause des frottements de l’air sur ce corps.
Cette idée de rôle moteur de l’air le contraint encore une fois à conclure que tout mouvement dans le vide serait impossible et donc que le vide ne peut exister.














Le lieu naturel

D'après Aristote :

« La Terre tombe dans l’eau comme dans l’air.
L’eau tombe dans l’air. Le Feu, lui monte dans l’air. »

On peut alors en suivant sa logique classer les quatre éléments par ordre de « légèreté » croissante.

Terre, Eau, Air, Feu

Que dire d’un morceau de bois par rapport à l’eau, par rapport à l’air ?

Un morceau de bois flotte sur l’eau mais tombe dans l’air.

D'après Aristote :

« Toutes choses ont de la pesanteur, excepté le Feu et toutes ont de la légèreté excepté la Terre.»

Selon les quantités respectives de « pesanteur » et de « légèreté » que contient un corps, celui-ci aura tendance, soit à tomber - son lieu naturel est alors vers le bas - , soit à monter - son lieu naturel est alors vers le haut. Si un corps est mis en présence d’un autre élément contenant, par exemple, plus de pesanteur que lui et moins de légèreté que lui, il aura tendance à monter. C’est le cas du bois dans l’eau.

Cette conception de « lieu naturel » donne à penser que les corps ont une tendance à retourner toujours vers leur lieu naturel où ils sont au repos ... absolu.

Peut-on alors considérer qu’il existe un lieu où l’on puisse être au repos absolu ?

L’idée de repos absolu ne doit pas être dissocier de la cosmologie d’Aristote : à savoir que la Terre est immobile au centre de l’Univers. Si c’était le cas on pourrait imaginer qu’un corps ayant rejoint son lieu naturel se trouve en ce lieu au repos absolu. Mais comme nous le verrons bientôt avec Héraclide du Pont, la Terre tourne sur elle-même et tourne autour du Soleil. L’idée de repos absolu ne peut plus alors être envisagée. Pour Aristote le temps et l’espace sont eux aussi absolus et il faudra un certain Albert Einstein (1905) pour démontrer le contraire.

De ce raisonnement découle une des lois principales de la mécanique d’Aristote :

« un corps tombe d’autant plus vite qu’il a de pesanteur ; à identité de formes, la vitesse est proportionnelle à la quantité de pesanteur. »

Un corps tombe-t-il plus vites qu’il est plus lourd ?

Non. Des corps ayant même volume mais des masses différentes tombent à la même vitesse.
Cette démonstration sera effectuée par Galiléo Galiléï quelques XVIII siècles plus tard !

Conclusion : A travers ces différents exercices on est amené à conclure qu’Aristote a fait beaucoup d’erreur. Le vide existe, le repos absolu n’existe pas et la Terre tourne...
Afin de répondre j’utiliserais une citation d’Oscar Wilde :

« Expérience : nom dont les hommes baptisent leurs erreurs. »

L’expérience ou plus précisément l’expérimentation. Voilà ce qui manquait aux physiciens de cette époque, qui avec peu ou pas de matériel à leur disposition essayaient d’expliquer la nature du monde.
De plus il me semble qu’il est peut-être plus difficile de mettre en défaut une théorie, plutôt que d’essayer de la valider.

Aristote a ouvert la voix de la physique et s’il n’a pas toujours donné les bonnes réponses il a posé les bonnes questions ...


F. HERACLIDE DU PONT :
(388 - 315 av. J.C.)


Philosophe et astronome grec originaire d'Héraclée dans le royaume du Pont,
il fut l'un des plus brillants disciple de Platon qui lui confia même la direction
de l'Académie pendant l'un de ses derniers voyages.

Ce successeur d’Aristote eut le premier l’idée de faire tourner la Terre sur elle-même pour expliquer le mouvement apparent des étoiles.
C’était une hypothèse entièrement nouvelle, comparable en importance à celle de la sphéricité de la Terre mais qui fut immédiatement repoussée par la science orthodoxe.

Il semble que l’on doive également à Héraclide une autre idée, géniale autant que révolutionnaire, celle de faire tourner Vénus et Mars autour du Soleil, et non plus autour de la Terre, pour en expliquer les variations d’éclat.

Ainsi, petit à petit, notre globe perd son caractère immuable et privilégié, au centre de tout. Pour cela, Héraclide peut être considéré comme l’astronome le plus important de cette école d’Athènes.

Vision d'Héraclide :

- La Terre tourne sur elle-même en un jour
- Vénus et Mars tournent autour du Soleil





Vénus Terre

Soleil
Mars Lune

G. ARISTARQUE DE SAMOS :
(310 - 230 av. J.C.)

Astronome grec originaire de Samos comme Pythagore.
Il est le premier grand astronome de l'école d'Alexandrie. C'est aussi le précurseur de Copernic, de dix-sept siècles en avance sur ses contemporains quand il affirme que la Terre, loin d'être fixe, non seulement tourne sur elle-même comme l'a proposé Héraclide, mais aussi décrit une orbite circulaire autour du Soleil, qui devient le centre de tous les mouvements. Cela explique l'alternance des saisons et simplifie considérablement le système des sphères d'Eudoxe. Malheureusement, la géniale intuition d'Aristarque ne devait pas avoir un grand retentissement, et c'est une autre théorie, celle des épicycles (petit cercle décrit par un astre dont le centre décrit un autre cercle), qui devait faire la gloire de l'école d'Alexandrie pendant de nombreux siècles.
L'école d'Alexandrie, plus que celles qui la précédèrent, est remarquable par la qualité de ses observations. Plus astronomes que philosophes, ses illustres membres s’attachèrent plutôt à l’explication précise des faits observés, c'est-à-dire à trouver un système simple permettant de rendre compte et de prévoir le mouvement des astres, sans se poser le problème de la réalité physique du système proposé.
Dans le seul ouvrage qui nous soit parvenu, Des dimensions et des distances du Soleil et de la Lune, il décrit une méthode de calcul des distances relatives du Soleil et de la Lune
à partir de la Terre. En mesurant les dimensions du cône d’ombre de la Terre lors d’une éclipse de Lune il pu démontrer que le diamètre de la Lune était égal au tiers du diamètre terrestre (valeur exacte du rapport : 0,27) et que sa distance à la Terre était de soixante rayons terrestres.

Vision d'Aristarque :

- la Terre tourne sur elle-même en un jour
- la Terre décrit une orbite circulaire autour du Soleil
- le Soleil devient le centre de tous les mouvements


Passage du géocentrisme (géos : Terre) à l'héliocentrisme (hélios :Soleil) !




Terre

Soleil

Lune



L’Alidade

L’alidade est un instrument inventé par les grecs pour mesurer la hauteur d’un astre.
C’est une variante du théodolite que l’on retrouve un peu partout dans le monde à cette époque. Les grecs le nomment dioptra et les arabes kamal. Ces instruments d’observations permettent entre autre de déterminer la vitesse de déplacement d’un astre dans le ciel.
Ainsi, on peut évaluer que la Lune se déplace d’une distance égale à son diamètre en environ une heure.

Cercle de totalité

Une éclipse totale de Soleil n’est visible au sol qu’à un instant donné et qu’à un endroit donné appelé : cercle de totalité.


 Cercle de totalité





Lune


Terre







B’
 B
 O

A
A’



En s’aidant des figures et en utilisant le théorème de Thalès, on peut calculer le diamètre AB du cercle de totalité en fonction du diamètre de la Terre.
En posant OA ( DTerre et OA’ ( d (= distance Terre-Lune)

D’après Thalès :

OA / OA’ = OB / OB’ = AB / A’B’


En utilisant seulement les extrêmes on a :

OA / OA’ = AB / A’B’

D’où :
AB = A’B’ . OA / OA’
Or
OA ( DTerre
A’B’ = DLune (=diamètre de la Lune)
OA’ ( d (=distance Terre-Lune) = 100 DLune (d’après l’exercice n°1)

On a donc
AB = DLune / 100DLune . DTerre = DTerre / 100

Soit finalement

AB = DTerre / 100


Pour pouvoir apprécier la dimension de ce cercle Aristarque devra attendre d’avoir connaissance des travaux d’Eratosthène.


On aboutit au résultat suivant : lors d’une éclipse totale, le cercle de totalité possède un diamètre environ égal au centième du diamètre de la Terre soit approximativement 128 m. Lors de l’éclipse totale de Soleil le 11 Août 1999 le cercle de totalité mesurait 126 km.
Si l’on utilise le rayon terrestre soit 6400 km on voit que AB ( 128 km.

Calcul de la distance Terre-Lune - Diamètre de la Lune

En utilisant de nouveau l’observation d’une éclipse de Soleil, on peut en première approximation, calculer la distance Terre-Lune.


B’
B

O
A
A’



En observant une éclipse de Lune puis de Soleil Aristarque avait remarqué que :

- les éclipses de Lune duraient environ deux heures.
- les éclipses de Soleil pouvaient ne durer que quelques minutes.
- la Lune se déplaçait d’une distance égale à son diamètre en environ une heure soit 1 DLune / heure.

Remarque :

Jusqu’à présent nous avions considéré le mois lunaire, c’est à dire le temps qui s’écoule entre deux pleines lunes. Alors qu’ici il faut utiliser le temps que met la Lune pour faire le tour de la Terre soit environ 27 jours 1/3 pour démontrer cette dernière observation.




Si l’on ne s’intéresse qu’aux deux dernières observations d’Aristarque soit que :
- les éclipses de Soleil pouvaient ne durer que quelques minutes.
- la Lune se déplaçait d’une distance égale à son diamètre en environ une heure soit 1 DLune / heure ; et si l’on suppose que l’éclipse totale de Soleil ne dure, dans sa phase de totalité que deux minutes (l’éclipse de Soleil du 11 Août 1999 dura 2’15 ’’), il est alors possible en n’utilisant que ces seules données de calculer le diamètre AB du cercle de totalité en fonction du diamètre de la Lune.
On peut donc supposer que pour qu’une zone à la surface de la Terre reste dans l’ombre pendant deux minutes il faut qu’elle ait la même dimension que la distance que parcourt la Lune pendant le même temps.
En une minute la Lune s’est déplacée d’une distance égale à DLune / 60, en deux minutes d’une distance égale à 2 . DLune / 60 , c’est à dire DLune / 30
On en déduit que :

AB = DLune / 30

En utilisant la figure et le théorème de Thalès on peut également exprimer la distance Terre-Lune en fonction du diamètre de la Terre.
Un calcul simple fournit :


d = 30 . DTerre = 60 . RTerre


Soit que la distance Terre-Lune est environ égale à 60 fois le rayon de la Terre.

En utilisant la figure et le théorème de Thalès exprimer la distance Terre-Lune en
fonction du diamètre de la Terre.

D’après Thalès :

OA / OA’ = OB / OB’ = AB / A’B’


En utilisant seulement les extrêmes on a :

OA / OA’ = AB / A’B’


Or
OA = DTerre
OA’ = d (=distance Terre-Lune)
AB = DLune / 30 (d’après 2°) )
A’B’ = DLune



D’où :
DTerre / d = (Dlune/30) / DLune

DTerre / d = 1 / 30

Soit finalement :

d = 30 . DTerre = 60 . RTerre



Ici encore Aristarque devra attendre les résultats d’Eratosthène pour achever son calcul.

On peut maintenant exprimer le rapport entre le diamètre de la Lune et celui de la Terre.

AB = DTerre / 100
AB = DLune / 30

=> DLune / 30 = DTerre / 100 => DLune = 3.DTerre / 10

D’où :

DLune = 0,3 . DTerre ( valeur exacte 0,27 . DTerre )

Aristarque obtint que la valeur du diamètre de la Lune est environ égale au tiers du diamètre de la Terre. La valeur exacte est en réalité de 0,27.


H. PHILON DE BYZANCE (230 av. J.C.)

Ingénieur originaire de Byzance, aujourd'hui Istanbul en Turquie, considéré comme le fondateur de la thermométrie. Vers 250 avant notre ère, il inventa un appareil permettant de mettre en évidence la différence qualitative entre le chaud et le froid : le thermoscope.
Philon décrit cet appareil dans un ouvrage intitulé ((((((((((
(Pneumatiques ) :

" Que l'on fasse un ballon de plomb, vide à l'intérieur et d'une capacité médiocre ; qu'il ne soit pas trop mince pour ne pas se rompre facilement, ni pesant, mais qu'il soit bien sec pour que ce que nous désirons se produise mieux. Qu'on y adapte un canal recourbé descendant presque jusqu'au fond ; qu'on place l'autre extrémité de ce tube dans un autre vase plein d'eau, en le faisant descendre presque jusqu'au fond, comme dans le premier, afin que l'eau puisse facilement s'écouler. Je dis donc que si vous exposez le ballon au Soleil, quand le ballon sera échauffé, une partie de l'air enfermé dans le canal sortira à l'extérieur, et cela sera visible parce que l'air tombe du canal dans l'eau, l'agite et produit de nombreuses bulles l'une après l'autre.
Si maintenant, on replace le ballon à l'ombre ou dans un lieu quelconque à l'abri des rayons du Soleil, l'eau montera par le tube jusqu'à ce qu'elle descende dans le ballon.
Si ensuite vous le posez de nouveau au Soleil, l'eau retournera dans ce vase et ainsi de suite, aussi souvent que vous voudrez renouveler l'expérience.
Les mêmes faits se reproduiront si vous échauffez le ballon avec du feu, ou si, après l'avoir trempé dans l'eau chaude, vous le refroidissez."

En construisant "une fontaine dont l'eau tombe goutte à goutte au Soleil" il démontra que le niveau de l'eau s'élevait sous l'effet de la chaleur et que l'air est un corps comme un autre, c'est à dire susceptible de contraction et de dilatation.
Quoique assez rudimentaire, son thermoscope est le premier appareil qui fût jamais conçu pour mettre en évidence la chaleur des corps et les variations de températures.
D'autre part, en maîtrisant les techniques de son époque, vases communicants, siphons, récipients à niveaux constants, Philon inventa des dispositifs complexes tels que orgues hydrauliques, automates ou encore son lavabo automatique comportant un robinet en forme de bec d’oiseau avec une main artificielle présentant une pierre ponce :
la main s’effaçait une fois la pierre prise, l’eau coulait pour l’humecter, le débit augmentait ; puis l’eau cessait de couler, la main réapparaissait, offrant une nouvelle pierre.

Avec son thermoscope et ses automates, Philon ouvrit une nouvelle voie à la Physique.
Une voie qui devra attendre quelques XX siècles avant de connaître un développement et un essor formidable : la Thermodynamique.

Le thermoscope de Philon
Le thermoscope est un appareil qui permet d’indiquer des variations ou des différences de température sans la mesurer.

 bouchon paille

gobelet
canette



Tour de magie : Comment sortir sec de l’eau ? 

Il s’agit d’un tour de magie issu directement d’une expérience expliquée et décrite pour la première fois par Philon de Byzance.


pièce




assiette


Manipulation :

- Placer la pièce au centre de l’assiette
- Versez de l’eau dessus jusqu’à ce qu’elle recouvre la pièce
- Proposez à un de vos amis de récupérer la pièce sans se mouiller les doigts

Observations :

Comment faire ?



 allumettes

 pièce




Cette tâche qui paraît impossible à réaliser, est pourtant très simple à remplir avec un verre et un morceau de papier brûlant. Allumez votre papier, mettez-le dans le verre pendant qu’il brûle encore et placez vite le verre renversé dans l’assiette, près de la pièce de monnaie.
Le papier s’éteindra, le verre se remplira d’une fumée blanche et toute l’eau de l’assiette sera bientôt rassembler à l’intérieur. Comme la monnaie reste en place, il n’y a plus qu’à attendre un moment pour qu’elle sèche et la saisir sans se mouiller les doigts.

Quelle est la force qui a poussé l’eau à l’intérieur du verre et la retient à une certaine hauteur ?
A l’intérieur du verre l’air s’est dilaté parce qu’il a été réchauffé par le papier brûlant.
Quand le papier s’est éteint l’air s’est contracté en se refroidissant et l’eau a été aspiré à l’intérieur.
On peut souvent entendre et même lire une explication erronée de cette expérience.
Certains disent que c’est « l’oxygène qui brûle », et c’est pourquoi la quantité de gaz sous le verre diminue. Or, c’est une erreur grossière.
La cause essentielle est le seul échauffement de l’air, et non pas l’absorption par le papier brûlant d’une certaine quantité d’oxygène.
Il en est ainsi d’abord parce qu’on peut se passer du papier brûlant en rinçant le verre à l’eau bouillante. Puis si on remplace le papier par un bout de coton imbibé d’alcool, qui brûle plus longtemps et réchauffe mieux l’air, l’eau montera jusqu’au milieu du verre ou presque ; cependant on sait aujourd’hui que l’oxygène ne constitue qu’un cinquième du volume de l’air.
Il faut enfin tenir compte du fait qu’il se produit du gaz carbonique et des vapeurs d’eau qui remplacent l’oxygène « brûlé » ; le premier, il est vrai, se dissout dans l’eau, mais la vapeur demeure en occupant une partie de la place qui revenait à l’oxygène.





















I. HERON D ' ALEXANDRIE (125 av. J.C.)

Ingénieur, physicien et mathématicien grec, originaire d'Alexandrie considéré comme le plus grand expérimentateur de l'antiquité et comme le fondateur de la mécanique.
En mathématique, il inventa une méthode permettant d'approcher la racine carrée d'un nombre (méthode qui sera reprise quelques siècles plus tard par un certain Newton).
Dans ses ouvrages intitulés Métriques, il donna des méthodes de mesure des angles, des aires et des volumes.

En physique il écrivit de nombreux ouvrages, notamment en optique : Dioptra, dans lequel il étudia les phénomènes de réflexion de la lumière, tant sur les miroirs convexes ou concaves que sur les miroirs plans.
Dans ses Pneumatiques, il s’oppose au cosmos d’Aristote et à sa conception de la forme.
Pour lui, l’espace n’est pas limité par la forme des objets et le vide absolu n'existe pas.
Sinon comment le feu qui échauffe pénétrerait-il la pierre, comment l’eau et le vin pourraient-ils se mélanger ? N’est-ce pas la preuve de l’existence dans les corps d’une quantité infinie de petits vides ?
D'autre part, il donna l'explication exacte des ventouses et des récipients à écoulement constants, inventa le siphon et fabriqua plusieurs appareils permettant de vérifier ses théories. L'un des plus célèbre et des plus amusant est la fontaine qui porte son nom :
la fontaine de Héron est un petit appareil avec lequel on obtient un jet d'eau par compression de l'air et de l'eau.
Héron s'intéressa également aux effets de la chaleur et conçu un appareil permettant de mettre en évidence les variations de température.

Son thermoscope est basé sur le même principe de
fonctionnement que celui de Philon de Byzance.
Il s'agit d'une boîte parallélépipédique pleine d’eau,
munie d’une ouverture la faisant communiquer avec
l'atmosphère, surmontée par un ballon partiellement
rempli d'eau ; un tube vertical plongeant dans la boîte
débouche au-dessus du niveau de l’eau.
Une branche d’un autre tube, en forme d’U renversé,
traverse le ballon par un joint étanche et descend jusqu’à
la partie inférieure de celui-ci ; l’autre branche de ce tube
surmonte un entonnoir placé sur l’ouverture de la boîte.
Quand l’appareil est exposé au soleil, l’air contenu à la partie supérieure du ballon refoule dans le tube en U de l’eau qui alimente l’entonnoir et tombe dans la boîte. Lorsque l’ensemble est placé à l’ombre, l’eau de la boîte remonte dans le ballon sous l’effet de la pression atmosphérique.
L’appareil de Héron diffère essentiellement de celui de Philon par la constance de la quantité d’air emprisonné dans le ballon, mais cette particularité échappa à son inventeur. Interprétant à sa manière le fonctionnement de l’appareil, Héron attribuait en effet la diminution du volume de l’air refroidi aux fuites qui se seraient produites à travers les pores de la paroi du ballon. Cependant cet appareil lui permit de montrer que l'air est un corps de haute élasticité susceptible de pression et de dépression.

Ingénieur, Héron utilisa également les propriétés d'élasticité de l'air pour fabriquer des automates. Malheureusement ses machines très perfectionnées ne furent pas utilisées à des fins techniques, c'est à dire pour "aider les hommes à vaincre la nature dans leur propre intérêt" selon la formule d'Aristote, mais à des fins de mystifications. En effet les ingénieurs qui appliquèrent les inventions de Héron se bornèrent à équiper les temples de dispositifs permettant de faire croire aux miracles.

Parallèlement une des inventions les plus étonnante de Héron est certainement l'éolipyle qui, pour la première fois, mettait en jeu la force expansive de la vapeur d'eau et le principe de la réaction.
Il s'agissait d'un œuf de faïence placé entre
deux pivots latéraux et pourvu de deux tuyères coudées.
On mettait à chauffer de l'eau dans cet œuf et la vapeur,
en s'échappant par les tuyères, le faisait tourner sur ses pivots.
Cet appareil, ancêtre de la machine à vapeur, qui ne sera
redécouverte que XVIII siècles plus tard par le français
Denis Papin, posa un problème sociologique intéressant.
Pourquoi une découverte aussi importante que celle de
l'utilisation de la vapeur permettant d'actionner une
machine n'a-t-elle pas été développé davantage ?
La réponse est à la fois simple et affligeante :
la main d'œuvre à l'époque, c'est à dire les esclaves, était très bon marché et la fabrication de cette "machine à vapeur" aurait représenté un coût supérieur.
Cette invention extraordinaire ne sera construite que pour la classe dirigeante et deviendra ce que l'on appellera plus tard un jouet de salon.
Les Pneumatiques  de Héron, dont le texte grec, conservé dans quelques bibliothèques, n’intéressera personne pendant près de quinze siècles et ne trouvera des lecteurs en Italie qu'à la fin du XVIème siècle, après la publication d’une traduction latine à Urbino.

En Mécanique il résout par des engrenages le problème d'Archimède consistant à
soulever 1000 kg à l'aide de 5 kg.
Il construisit le parallélogramme des vitesses, inventa le principe du funiculaire, étudia les mystères du plan incliné et ceux de la friction.
Surtout XVII siècles avant un certain Galilée, il énonça la loi de l'inertie et trouva que la force est proportionnelle à la masse du mobile et à la vitesse dont il est animé (F = m a). On lui doit aussi des tables de mesures utilisables dans le montage des voûtes, le forage des tunnels et des puits.











La fontaine de Héron
Ce dispositif utilise le principe du siphon également inventé par Héron pour faire jaillir une fontaine sous le seul effet de la pression atmosphérique.









Chimie
Physique
Biologie
Mathématiques



Observations :

Que se passe-t-il ?
Quand l’eau se vide du premier pot dans le troisième, la pression de l’air diminue dans le premier, ce qui aspire l’eau du deuxième pot faisant ainsi jaillir une fontaine dans le premier.












Réflexion sur la réflexion

Quelle doit être la taille d’un miroir pour que l’on puisse s’y voir de plein pieds ?
Ne suffit-il pas simplement de reculer pour se voir en entier dans un miroir ?

 Objet Miroir Image
 d


Soit H la taille de l’enfant.
Soit h la hauteur de ses yeux au dessus du sol.
Soit g la taille du miroir (glace).
Soit d la distance séparant l’enfant du miroir.

L’égalité entre l’angle d’incidence « i » et l’angle de réflexion « r » implique :
Il faut jouter les distances en partant du haut

( H – h ) / 2 + g + h / 2 = H
D’où
g = H / 2

Ceci montre que le miroir doit avoir au moins la moitié de la taille de l’enfant, et ce indépendamment de la distance d.
Il faut donc placer son bord supérieur à mi-hauteur entre la hauteur de l’enfant et la hauteur de ses yeux .
L’image derrière le miroir aura toujours la hauteur de l’enfant quel que soit la distance à laquelle il se place.
Pour se convaincre de ce problème, il suffit d’essayer de se voir de plein pieds avec un miroir de visage. Quel que soit la distance la distance à laquelle vous placerez ce miroir vous ne verrez qu’une partie de votre corps.
La seule solution possible, qui est d’ailleurs utilisée par certain magasin de vêtement est le miroir légèrement concave qui affine la silhouette et permet de se voir en entier.







Solution :

 B
M



O' H O




N





K A

On utilise les triangles semblables.

(ABO') et (MNO')

 EMBED Equation.3  puisque i = r => OO' = 2 O'H


 EMBED Equation.3 


La taille du miroir doit être au moins égale à la moitié de la taille du personnage pour que celui-ci puisse se voir de plein pieds.
Il est important de remarquer que ce résultat est indépendant de la distance qui sépare le personnage du miroir.

(AOO') et (NKA)

 EMBED Equation.3  puisque i = r => KA = OH et OO' = 2 KA

 EMBED Equation.3 

On doit placer le miroir de sorte que le bord inférieur de celui-ci se trouve à mi-hauteur de la distance entre les pieds et les yeux de l'observateur.

LES GRANDES DECOUVERTES ET LES GRANDS PHYSICIENS

Les Modernes
Savez-vous tout ce que l’on peut faire avec un pendule ?

La transition entre l’Antiquité et la Renaissance passe par une période riche en Philosophes et hommes de sciences que l’on a pendant trop longtemps négligée en la qualifiant peut-être injustement d’obscurantisme. Si de grandes découvertes n’ont pas marqué cette période que l’on nomme Moyen Age, la science et ceux qui l’ont servie, Nicolas de Cues, Simon Stevin, Thomas d’Aquin, Léonard de Vinci … ont certainement contribué à faire éclore la science de la Renaissance. Il faudrait plus d’une conférence pour étudier toute la portée de cette période, c’est la raison pour laquelle j’ai préféré « glisser » sur quinze siècle d’histoire avec néanmoins le secret espoir d’en parler un jour …
Le premier personnage que nous allons rencontrer est probablement le plus emblématique de tous. Tout le monde connaît ou croit connaître Galilée auquel on associe généralement deux images :
La première est celle de la rotation de la Terre dont il a été question lors d’une précédente conférence Pour en finir avec la légende de la Terre qui tourne …
La seconde image est celle d’un savant à genoux, odieusement contraint de renier publiquement ses travaux.
Le triomphe provisoire de l’obscurantisme sur les lumières de la raison. De ces deux images, je voudrais avant de revenir un peu sur la première bannir d’embler la seconde. Galilée fut certes, victime mais moins qu’on le dit. Si Galilée fut contraint d’abjurer publiquement ses théories, il connut un sort meilleur que l’un de ses compatriotes.
En effet, c’est oublier un peu vite le destin tragique de Giordano Bruno mort sur le bûcher le 17 février 1600 pour avoir soutenu les thèses de Nicolas Copernic et affirmé qu’il croyait en une intelligence supérieure qui gouvernait l’Univers. C’est oublier aussi tous ceux qui l’ont précédé et qui comme lui accusé d’impiété pour avoir oser parler des « choses du ciel » ont été condamné à mort ; à boire la ciguë, comme Socrate …
L’histoire de ce procès fait écran et ce n’est pas ce Galilée là que je souhaite aujourd’hui vous présenter.

Galilée :
Isochronisme du pendule**
Relativité (quand voyage-t-on plus vite ?)
Cyrano de Bergerac (Comment voyager à peu de frais ?)
Thermoscope
Fonte de la glace
Pièces en chute libre (une en carton l’autre en métal)
Les mauvais effets de la résonance : le pont de Tacoma

A. Galiléo Galiléi (1564-1642)

Mathématicien, physicien et astronome italien à l'origine de la révolution scientifique du XVIIème siècle et l'un des fondateurs de la physique moderne.
Ses théories ainsi que celles de l'astronome allemand Johannes Kepler servirent de fondement aux travaux du physicien britannique sir Isaac Newton sur la loi de l'attraction universelle.

Sa principale contribution à l'astronomie fut l'utilisation de la lunette, la découverte des taches solaires, des montagnes et des vallées lunaires, des quatre plus grands satellites de Jupiter et des phases de Vénus. En physique, il découvrit la loi de l’isochronisme du pendule, celle de la chute des corps et les mouvements paraboliques des projectiles. Dans l'histoire de la culture, Galilée est le symbole de la bataille livrée contre les autorités pour la liberté de la recherche.

Galileo Galilei est né à Pise le 15 février 1564, dans une famille modeste issue d’une ancienne noblesse florentine dont les ressources avaient subi de sérieux revers. Ses parents lui léguèrent une vigoureuse constitution, que souligne l’aspect « carré » de son corps tel que l’ont saisi ses portraitistes et ses proches biographes.
Il fit ses premières études auprès de son père, qui était un musicologue averti, et manifesta de bonne heure, outre son goût pour la musique et le dessin, une habileté manuelle remarquable dans la construction d’instruments. Sa famille s’étant établie à Florence en 1574, il fit ses classes au monastère de Santa Maria de Vallombrosa où il faillit rester comme novice. Son père le reprit en 1579, à cause des soins que nécessitait une grave ophtalmie, et le dirigea vers la profession médicale. Entré avec cette intention à l’université de Pise en 1581, il supporta fort mal l’enseignement médiocre, à base de discussions livresques, qui y était proposé et se tourna résolument vers les mathématiques, sous l’influence d’un maître sans grand savoir, mais bon pédagogue, professeur à l’Académie du dessin : Ostilio Ricci.
Les voies qu’il avait suivies n’avaient rien de régulier.
Il quitta Pise en 1585 sans aucun diplôme, mais riche d’une culture répondant à l’idéal humaniste.
Il s’était nourri des dialogues de Platon et avait médité sur l’isochronisme des oscillations du pendule.
Selon son premier biographe, Vincenzo Viviani, Galilée formule en 1583 la loi d’isochronisme du pendule, après avoir observé le balancement d’un lustre dans la cathédrale de Pise : la durée d’une oscillation ne dépend que de la longueur du pendule et non pas de l’amplitude du mouvement.
Cette anecdote apparemment futile, maintes fois citées et dont la version fluctue en fonction des divers auteurs est d’une portée incroyable. Le pendule. Durant toute sa vie Galilée chercha en vain à démontrer la rotation de la Terre en pointant une lunette vers le Ciel et c’est seulement deux siècles plus tard qu’un physicien en utilisant son pendule y parvint …

Expérience du pendule :

Le pendule / le pouls / l’angle / la formule

Photo du lustre du baptistère de Pise

 EMBED Equation.3 
A propos des « expériences de Galilée », une remarque s’impose.
De nombreux auteurs rapportent de multiples versions des différentes expériences qu’aurait réalisé Galilée, néanmoins les Etudes galiléennes d’Alexandre Koyré, tendent à démystifier cette légende et à resituer plutôt au rang de la parabole ces anecdotes dont Galilée lui-même fait part dans ses ouvrages. Les expériences galiléennes correspondent à ce qu’appellera plus tard Albert Einstein des « gedankenexperiment » : expériences de la pensée.
Cependant, si elles n’ont peut-être pas été réalisé par Galilée, ces expériences permettent de mettre en évidence des résultats théoriques.

À Florence, où il était revenu, Galilée poursuivit des recherches sur le centre de gravité de certains solides, ainsi que sur la balance hydrostatique d’Archimède, et se fit connaître par des exercices littéraires et des conférences publiques, notamment sur Dante, le Tasse et l’Arioste. La poésie burlesque qu’il écrivit contre le port de la toge révèle dès cette époque le caractère militant de son aversion pour les structures conservatrices qui nuisent à l’indépendance de l’esprit.
C’est à l’absence de structures universitaires précises dans l’enseignement des mathématiques qu’il du de pouvoir poser sa candidature de professeur dans diverses universités et d’obtenir en définitive une chaire à Pise, en 1589, sur la recommandation du mathématicien et mécanicien Guidobaldo del Monte.
Son dernier séjour dans sa ville natale ne dura que trois ans, car les conflits avec le milieu fermé de l’Université ne tardèrent pas à l’obliger à partir ; c’est alors qu’il commença à faire œuvre originale, rédigeant un premier traité de mécanique où, malgré la permanence de conceptions traditionnelles, sont introduites des idées nouvelles et fondamentales pour la science future. Notamment l’absence de nécessité d’imaginer un repos intermédiaire entre deux mouvements d’un même mobile qui se succèdent dans des sens contraires ou différents. La légende a beaucoup brodé (Etudes Galiléennes : A. Koyré) par la suite et les données sûres concernant ces premiers travaux scientifiques à Pise sont insuffisantes.
Si Galilée n’a pas fait du haut de la célèbre tour penchée les expériences qu’on lui a prêtées, il est certain qu’il s’est intéressé spécialement, à cette époque, au problème de la chute des corps et qu’il a cherché à lui appliquer la méthode expérimentale.
Expériences de la tour de Pise :
Pièces de monnaie et feuille de papier
Photo de la tour de Pise
½ m V2 = m g H (Ec = Ep)
 EMBED Equation.3  formule d’Evangelista Torricelli

Les cas des boulets de Galilée

Aristote dit qu'une « boule de fer de cent livres, tombant de cent coudées, touche terre avant qu'une boule d'une livre ait parcouru une seule coudée », et je vous dis, moi, qu'elles arrivent en même temps; vous constatez, en faisant l’expérience, que la plus grande précède la plus petite de deux doigts, c'est-à-dire que quand celle-là frappe le sol, celle-ci s'en trouve encore à deux doigts ; or, derrière ces deux doigts vous voudriez cacher les quatre-vingt-dix-neuf coudées d’Aristote, et, parlant seulement de ma petite erreur, passer sous silence l'énormité de l'autre.

Galilée : Discours et démonstrations mathématiques concernant deux sciences nouvelles

Reprenons l’expérience de Galilée.
Au préalable, rappelons qu’une livre vaut 339.542 g et qu’une coudée vaut 57.3 cm.
Considérons deux boules de fer ((Fer ( 7897 kg.m(().
La première ayant une masse d’une livre à un rayon d’environ 2 cm, la seconde ayant une masse de cent livres à un rayon d’environ 10 cm.

BouleBB’Rayonr = 0.02173 mr’ = 0.10087mMasse m = 1 livre
= 0.339542 kg m’ = 100 livres
= 33.9542 kg
Le rapport des masses m’ / m est de l’ordre de 100, celui des rayons de l’ordre de 5, ce qui place l’expérience dans le cadre de celle qu’aurait effectué Galilée.
Par le calcul et par une représentation numérique,
on constate en effet que la vitesse de la boule de rayon r = 0,02 m (en
rouge) est légèrement inférieure celle de la boule de rayon r’ = 0,1 m (en
bleu). Ce qui confirme l’hypothèse aristotélicienne selon laquelle un corps
lourd tombe plus vite qu’un corps léger.

L’asymptote horizontale (en vert) représente le sol.
On constate que la différence entre ces deux vitesses est extrêmement
faible et ne devient apparente qu’à partir du temps t = 2 s qui correspond au dernier tiers de la chute, c’est à dire le moment où il devient de plus en plus difficile de distinguer les distances entre les boules.

Durée de la chute de chaque boule :

La première boule de cent livres chute pendant un temps égal à
t1 = 3.42601 s, la seconde boule d’une livre chute pendant un temps égal à t2 = 3.45569 s
On constate naturellement une durée légèrement plus grande pour la boule plus légère puisqu’elle tombe moins vite.
Néanmoins, la différence entre ces temps de chute : 0.0296759 s paraît inaccessible à la mesure pour un homme du XVIIème siècle qui évaluait le temps en prenant son pouls !

La clé du problème n’est pas là et c’est un autre argument dont il nous faut user pour comprendre. Cet argument est entièrement contenu dans l’extrait des Discours.

Où se trouve la boule la plus légère lorsque la plus lourde atteint le sol ?

Galilée affirme que celle-ci s'en trouve encore à deux doigts.

Le calcul nous donne la position de la boule légère au temps t1 = 3.42601 s, c’est-à-dire, à l’instant où la boule la plus lourde a atteint le sol.
En remplaçant t1 dans l’équation (8) on obtient : 56.3408 m.
Au bout de 3.42 secondes environ, c'est-à-dire, du temps nécessaire à la boule la plus lourde pour atteindre le sol, la boule la plus légère se trouve encore à plus de 1 mètre du sol (0.9592 m). Et non pas deux doigts comme Galilée l’avait prédit.

Le cas des boules d’Allègre

Ce cas d’école, si j’ose dire devient très intéressant. Il ajoute au problème un paramètre de plus : la texture des boules. N’importe quel bon joueur de tennis vous fera immédiatement remarquer que les effets imprimer à une balle sont d’autant plus importants que son revêtement est en bon état.
Le grand chroniqueur et ancien capitaine de l’équipe de France de tennis Jean-Paul Loth expliquait cela durant un match de finale de Roland Garros. Intuitivement le feutre recouvrant une balle de tennis devrait freiner celle-ci durant sa chute, néanmoins, en suivant le même raisonnement que précédemment on va pouvoir montrer que si les arguments opposés à Monsieur Allègre sont assez moyenâgeux, la métaphore de la boule de pétanque et de la balle de tennis relève de la mauvaise vulgarisation.

Considérons une boule de pétanque de masse 700 grammes et d’un diamètre de 7.5 centimètres et une balle de tennis ayant à peu près le même diamètre que la boule de pétanque, mais une masse égale à 58 grammes. Laissons tomber ces objets du sommet de la tour de Pise, haute de 51 mètres.
La simple comparaison des vitesses de chute montre déjà un écart important.

On constate que vitesse de la boule de pétanque (en bleu) est supérieure à celle de la balle de tennis et ce dès la première seconde de chute.

La comparaison des positions des deux objets met également en évidence un écart important.

Mais le coup de grâce est donné à cette métaphore par l’argument de la position de la balle de tennis une fois que la boule de pétanque a touché le sol. Lorsque la boule de pétanque touche le sol, la balle de tennis se trouve encore à un peu plus de 10 mètres du sol.
De plus, ce calcul doit être en dessous de la réalité, car, on a supposé que le coefficient de pénétration dans l’air d’une boule de pétanque lisse et d’une balle de tennis habituellement rugueuse étaient les mêmes.
Ce qui est certainement faux.
En fait, il semble assez raisonnable de considérer que la balle de tennis aurait au moins dix mètres de retard sur la boule de pétanque mais certainement plus.

Conclusion

Galilée ne s’est pas trompé. Il a simplement voulu montrer que si la masse influe sur la chute des graves son influence n’est pas aussi importante que l’affirmait Aristote. De plus, dans ce problème certaine variables ont un effet très important : la masse, comme on vient de le voir mais aussi et surtout, comme on s’en doutait, le rayon et par là même le volume, c’est-à-dire la forme de l’objet qui tombe. En effet, si le rapport des rayons est dans un rapport de deux, l’écart temporal et surtout spatial entre les deux boules est imperceptible. Si ce rapport devient élevé, c’est-à-dire, si l’une des deux boules est très grande par rapport à l’autre, alors l’influence des frottements produit une différence sensible en espace et en temps.


Si on prend des boules dont le rapport des rayons est de 2 et celui des masses est de 8, le retard spatial de la plus légère sur la plus lourde est inférieur à 1 mètre. Retard difficile à apprécier …

La nécessité de subvenir aux besoins des siens, après la mort de son père en 1591, ajouta aux difficultés du jeune maître contesté et mal payé. C’est avec joie qu’il obtint du Sénat de Venise, en 1592, sa nomination de professeur de mathématiques à l’université de Padoue.

C’est à cette époque que Benedetto Castelli lui attribue l’invention du compas et du thermoscope :

Photo du thermoscope et du compas

Imaginé pour la première fois par Galilée en 1593, le thermomètre est un objet très simple qui se base uniquement sur une propriété de la matière, sa modification de volume en fonction de la température, que l'on appelle dilatation. Le thermomètre a spirale de verre représenté sur la photo précédente est proche des systèmes qui furent mis au point par Galilée et ses étudiants au début du XVIIème siècle.
Ce thermomètre contient de l'alcool et le long tube de verre est gradué afin de pouvoir comparer des températures. En fonction de la température, l'alcool se contracte (et donc le niveau baisse) où se dilate (le niveau augmente). Il fut notamment utilisé lors d'expériences de l'Académie du Ciment, fondée en 1650 par Viviani un des disciples de Galilée.
Les thermomètres à alcool actuels (niveau de couleur bleu ou rouge) fonctionnent exactement selon ce même principe. La seul différence est que l'on sait actuellement fabriquer des tubes très fins ce qui n'était pas le cas du temps de l'Académie du Ciment, ce qui permet d'éviter de s'encombrer de gros réservoirs et de long tubes comme c'était le cas sur le thermomètre représenté sur la photographie.
Il faudra attendre plusieurs années avant que ne soient développées les échelles de températures connues actuellement et mises au point par Celsius vers 1730 (échelle centigrade), Thomson au XIXème siècle (échelle absolue) ou Farenheit.

Appareil à apporter
Fonte de la glace

C’est peu après que Galilée va commencer à s’intéresser à l’astronomie.
Il n’a pas inventé la lunette (à ne pas confondre avec le télescope qui sera inventé plus tard par Isaac Newton), mais il a considérablement amélioré cet instrument par voie empirique, et croyant, malgré l’absence de théorie de l’appareil, à la réalité de ce que l’on voit à travers, il n’a pas hésité à le tourner vers les cieux.
Ce qu’il a vu demeure encore aujourd’hui un modèle d’observation critique et méritait de bouleverser les conceptions de son temps.
Il a fait confiance aux suggestions de l’observation pour conjuguer l’analyse et les contrôles expérimentaux rudimentaires.

Informé, en juin 1609, par le Français Jacques Baudouère, des propriétés d’un instrument d’optique récemment apparu aux Pays-Bas, Galilée s’appliqua aussitôt à le construire à partir des données sommaires qui lui étaient communiquées : association de deux lentilles, l’une convergente, l’autre divergente.

Venise ( Murano …
Photo des lunettes de Galilée

Il ne tarda pas à obtenir un résultat supérieur à celui des artisans hollandais, avec un grossissement linéaire de 30.
Dès le 21 août, il fit de sa longue-vue une présentation spectaculaire à quelques patriciens de Venise, bien qu’il ignorât le fonctionnement exact de l’instrument et les aberrations diverses qui l’affectent avec l’augmentation du grossissement.
À l’automne, tandis que Kepler venait de publier les deux premières de ses célèbres lois cinématiques du mouvement des planètes, (Ainsi, d'après la première loi de Kepler, les planètes gravitent autour du Soleil en suivant des trajectoires elliptiques, ce dernier occupant l'un des deux foyers de l'ellipse.

D'après la seconde loi de Kepler, les aires décrites par le rayon vecteur joignant la planète au Soleil sont égales pour des intervalles de temps égaux. Expérience numérique LOIS DE KEPLER) il entreprit d’utiliser l’appareil pour explorer le ciel.
C’est avec une rapidité surprenante qu’il réunit en quelques mois la matière d’un petit ouvrage appelé à un immense retentissement.

Publié le 12 mars 1610, le Sidereus Nuncius (Le Messager céleste) apporte, en une centaine de pages, de quoi révolutionner l’astronomie commune.
Pour situer cette affirmation et dégager de la structure du livre la leçon qu’elle comporte par rapport à l’auteur, quelques détails s’imposent.
Après la présentation de la lunette, promue au rang d’instrument astronomique, de longs développements sont accordés au résultat de l’observation de la Lune, et le lecteur moderne peut s’étonner non seulement de cette longueur, mais aussi de la prudence qui préside aux conclusions proposées. Celles-ci concernent essentiellement, par l’interprétation des variations des ombres, l’existence d’un relief important à la surface de la Lune (relief qui apparente l’astre à la Terre) et, par les variations de luminosité de la face obscure de la Lune (

La Lune cache une partie importante de sa surface aux observateurs terrestres. Ceci est du au fait que le mouvement de rotation qui l'anime s'effectue dans le même sens, et le même temps que son mouvement de révolution autour de la Terre (cette synchronisation des périodes de rotation et de révolution n'est pas le fruit du hasard, mais résulte en fait de l'action des forces de marées depuis la naissance du système Terre-Lune). Ces deux mouvements se combinent avec un léger balancement périodique des pôles lunaires (phénomène dit de « libration »), de sortes qu'un peu plus de 40% de la surface totale de la Lune est invisible depuis la Terre.
Il a fallu attendre les années soixante pour que la partie manquante soit enfin connue, grâce notamment aux sondes soviétiques Luna et américaines Lunar Orbiter. Les clichés transmis ont révélé des paysages très tourmentés, où les mers sont pratiquement inexistantes. Seule la mer de Moscou est de taille respectable, avec un diamètre de 420 kilomètres. Les cratères sont extrêmement abondants et de toutes dimensions : de quelques mètres à plusieurs centaines de kilomètres. Les plus imposants d'entre eux sont HERTZSPRUNG (590 km de diamètre), APOLLO (540 km), KOROLEV (440 km) et MENDELEEV (310 km).
Neuf personnalités encore en vie en 1997 ont donné leur nom à des cratères situés sur cette face cachée. Il s'agit d'astronautes américains (Anders, Borman et Lovell) et de cosmonautes soviétiques (Feoktiskov, Leonov, Nikolaev, Shatalov, Tereshkova et Titov).

l’existence d’une réflexion par la Terre de la lumière solaire.
Si Galilée se borne à assurer ainsi, avec beaucoup de soin et de précautions, les ressemblances entre la Terre et la Lune et les relations réciproques des échanges lumineux qui les rapprochent l’une de l’autre dans une même situation d’ensemble, lointaine, par rapport au Soleil, c’est que la pièce maîtresse des conceptions reçues, à savoir l’association paradoxale pour la Terre du privilège d’être le centre du Monde et de la propriété d’être le royaume de la corruption et de la mort, constituait, sur la voie d’une solution raisonnable, un obstacle majeur.
L’affirmation de l’homogénéité des astres, y compris la Terre, avait eu sa part dans la condamnation au bûcher de Giordano Bruno, en 1600.
De la Lune, le Sidereus Nuncius passe à ce que la lunette a révélé le plus immédiatement, à savoir que la Voie lactée et les nébuleuses sont des amas d’étoiles et que, d’une manière générale, le peuplement des cieux décourage le dénombrement que l’héritage antique avait cru fixer. Quant aux observations comparées des grandeurs apparentes, elles imposent pour les espaces célestes une profondeur vertigineuse.
Mais il y a mieux encore.
L’ouvrage se termine sur le rapport d’une découverte sensationnelle. Le 7 janvier 1610, une heure après minuit, Galilée a vu près de Jupiter trois étoiles nouvelles, et, après deux mois d’observations précises, il peut livrer une démonstration incontestable : dans son mouvement à travers les cieux, la grande planète entraîne avec elle quatre satellites qui ne cessent de tourner autour d’elle. Dès lors, la difficulté que la Lune présentait à ceux qui, en suivant Copernic, avaient transféré au Soleil le privilège exclusif d’être centre de mouvement, est résolue. Que la Lune tourne autour de la Terre n’empêche pas qu’elle soit entraînée par elle dans sa translation annuelle et l’exemple de Jupiter révèle que, sans préjudice pour le rôle du Soleil dans le système planétaire, chaque planète peut être elle-même centre de mouvement relatif.
Tel est le Message auquel Pascal, cinquante ans plus tard, apportera dans ses Pensées la puissance de sa plume incomparable, en joignant seulement à l’émerveillement l’effroi du « silence éternel des espaces infinis », c’est-à-dire en ajoutant la note que le recul du temps a permise à une sensibilité mystique et philosophique particulière. Galilée, quels que soient ses sentiments intimes au cours de cet hiver mémorable, ne prend pas le loisir de méditer ; il se hâte de publier, sans polir ni arranger, ce qui devient ainsi un document positif impérissable.
Et cette hâte même, comme sa rapidité à mettre en œuvre l’instrument nouveau, révèle combien Galilée était l’homme d’un moment décisif.

Que Galilée ait parfaitement compris l’importance considérable de sa découverte des satellites de Jupiter, rien ne le montre davantage que le nom d’« astres médicéens » qu’il leur impose juste à temps pour figurer sur le frontispice du Sidereus Nuncius.
L’auteur et sa découverte avaient certainement besoin de protecteurs, mais, en choisissant de flatter le nouveau grand-duc de Toscane, Cosme II de Médicis, Galilée caressait de vastes desseins.
Il avait la nostalgie de sa province natale et, comme il le dit lui-même dans la lettre qu’il adressa au prince de Florence, ses cartons étaient pleins de « merveilleux plans et projets ».
Des projets techniques, des projets de publication sur le système du monde et sur une « science entièrement nouvelle » du mouvement.
Malgré les efforts faits à Venise pour le retenir, malgré les avis de quelques amis soucieux de sa liberté intellectuelle, Galilée suivit la voie ouverte par sa propre diplomatie et s’installa à Florence, en septembre 1610, avec le titre de premier mathématicien et philosophe du grand-duc.
Son activité ne fut d’abord entravée que par la maladie qui le cloua périodiquement au lit durant plusieurs années, et il poursuivit les recherches qui l’avaient amené, à Padoue, au printemps de 1610, à observer les taches du Soleil. Il découvrit en décembre les phases de la planète Vénus, et au printemps de 1611 reçut à Rome l’accueil flatteur de l’Accademia dei Lincei et du Collège romain, la puissante institution jésuite. Mais le Discours sur les corps flottants qu’il publia en 1612 après d’âpres discussions avec les professeurs aristotéliciens de Pise manifesta l’étendue des difficultés dans lesquelles il était engagé en fait par rapport à la science traditionnelle. Ce fut le conflit.
En vain Galilée réussit-il à faire nommer à Pise, dans la chaire de mathématiques, son disciple le père Benedetto Castelli.
Celui-ci reçut du recteur l’ordre de s’abstenir de toute allusion à la théorie copernicienne et de la grande-duchesse douairière de Toscane, Christine de Lorraine, des avertissements inspirés par le souci de l’orthodoxie. Galilée fut obligé d’intervenir.
Il le fit dans une lettre à son disciple où il aborda de manière directe les rapports de la science et de la religion, affirmant que, dans le domaine des phénomènes physiques, l’Écriture sainte n’a pas de juridiction.
La diffusion de cette lettre provoqua l’extension de la polémique.
Des prédicateurs stigmatisèrent en chaire les idées nouvelles.
Au début de 1615, un autre religieux du parti copernicien, le père Foscarini, crut bien faire en publiant une brochure pour montrer qu’en fait les passages de l’Écriture qui servaient d’arguments contre la théorie héliocentrique pouvaient être interprétés dans son cadre.
Mais l’initiative suivait une plainte contre Galilée déposée au Saint-Office. Le cardinal Bellarmin, personnage important de la Curie romaine, favorable à Galilée, essaya d’enrayer le développement de l’affaire en écrivant au père Foscarini une lettre quasi publique où, tout en reconnaissant l’intérêt pratique, pour le calcul astronomique, du système de Copernic, il déclarait formellement imprudent de l’ériger en vérité physique. Poussé par quelques amis, dont Mgr Dini, Galilée diffusa à son tour une lettre à la grande-duchesse Christine où il développait magistralement que

« l’intention du Saint-Esprit est de nous enseigner comment on doit aller au ciel, et non comment va le ciel ».
C’était là parler juste et respecter profondément la spécificité de la Révélation. Mais c’était aussi accepter le déplacement du débat, que la polémique avait obscurci. Au cardinal Bellarmin, dont toute l’attitude semble inspirée par le désir de maintenir la paix en retardant une discussion délicate, il eût mieux valu concéder l’inexistence d’une preuve absolue de la réalité du mouvement de la Terre et de l’immobilité du Soleil, et réclamer le droit à professer les contradictions entraînées par le maintien du système géocentrique ptoléméen et de la physique aristotélicienne en face des faits récemment rassemblés dans divers domaines.
Tout en exprimant, sur le terrain où il s’était laissé entraîner, une position religieuse bien supérieure à celle de ses adversaires, Galilée n’a pas adopté au point de vue scientifique la position rigoureuse qui eût été inattaquable.
À la fin de 1615, il se rendit à Rome pour essayer de conjurer une décision fâcheuse, il y parla ouvertement en faveur des arguments convergents que permettaient ses observations, mais, malgré son talent, il n’obtint pas la conviction ferme d’un nombre suffisant de personnes influentes. Le 3 mars 1616, l’œuvre de Copernic fut mise à l’Index. Son prestige et ses relations avaient évité que Galilée fût mentionné dans les attendus du décret, mais le cardinal jésuite Robert Bellarmin avertit Galilée qu'il ne devait plus soutenir ni défendre l'idée de la mobilité de la Terre. Le cardinal Bellarmin lui avait déjà conseillé de ne traiter ce sujet que de manière hypothétique et dans des buts scientifiques, sans affirmer la véracité des concepts coperniciens et sans essayer de les concilier avec la Bible.

De retour à Florence, il tint compte de l’événement et aborda d’autres sujets de recherche, notamment le problème de la détermination des longitudes en mer (John Harrison fil conducteur), en utilisant ses prédictions sur la position des satellites de Jupiter, reprit ses études précédentes sur la chute des corps ainsi que la méthode de calcul de la vitesse de la lumière
Pour cela, Galilée imagine une expérience analogue à celle qui permettra plus tard à Mersenne de mesurer la vitesse du son grâce à l'écho :
tenter d'évaluer le temps mis pour faire un aller-retour entre les sommets de deux collines voisines.
Galilée se place, une nuit, sur l'un de ces sommets, muni d'une lanterne à volet, dont la lumière peut-être découverte brusquement.
Sur l'autre colline, un assistant dispose d'une lanterne identique, qu'il doit découvrir dès qu'il apercevra la lumière de Galilée.
En évaluant le temps mis par la lumière pour faire l'aller-retour - plus le temps de réaction de l'assistant …
Envisagée à l'origine entre deux endroits distants de 15 km, l'expérience fut finalement réalisée sur 200 m. En vain évidemment.
Des membres de l'Académia del Cimento essayèrent sur 2 km sans davantage de résultat. Galilée pu seulement conclure, et cette conclusion modeste est un modèle de sérieux scientifique :

"… je n'ai pas pu décider si l'apparition de la lumière opposée est instantanée ; si elle ne l'est pas, elle est du moins extrêmement rapide, quasi-immédiate".

En 1618, tandis que, l’une après l’autre, ses deux filles entraient en religion, l’apparition de trois comètes, vint réveiller les controverses entre astronomes. Galilée, qui n’avait pas cessé ses observations, avait évidemment son mot à dire. Mais il ne prépara son intervention que sur les encouragements du cardinal Barberini, qui devint pape sous le nom d’Urbain VIII, en 1623. Comment Galilée aurait-il pu ne pas nourrir l’espoir de faire abroger le décret de 1616 !
L’ouvrage de circonstance qui lui avait été suggéré, et auquel il donna le titre adéquat de Il Saggiatore (L’Essayeur), est un chef-d’œuvre de l’art polémique. Au-delà de la controverse suscitée par le jésuite Horatio Grassi à propos des comètes, il invite le lecteur à la réflexion sur la méthode de la science.
Et c’est là que se trouve le passage prophétique concernant l’écriture mathématique du livre de l’univers. Le nouveau pape accueillit avec faveur le résultat de l’effort qu’il avait lui-même suscité et qui lui était d’ailleurs dédié.
L’année suivante, en 1624, Galilée se rendit à Rome pour exposer à Urbain VIII l’intérêt qu’il y aurait à publier un ouvrage où les thèses relatives au système du monde seraient présentées contradictoirement. Le projet ne déplut pas. Il fut seulement précisé à l’auteur qu’il devait être objectif, c’est-à-dire n’avantager aucune des théories en présence.
C’est ainsi que le drame, dont les motifs, déjà noués en 1615, n’avaient pas changé, se traduisit dans les faits. Au fur et à mesure de la réalisation de son dessein, Galilée eut à mener des négociations difficiles, mais le quiproquo provenant de ce qu’il ne comprenait pas l’objectivité de la même manière que les autorités romaines se poursuivit jusqu’à la publication, en février 1632, de son célèbre Dialogue sur les deux grands systèmes du monde (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano).
Écrit en langue vulgaire, et dans un style alerte, souvent ironique et mordant, qui fait rendre à son genre littéraire tous ses effets, l’ouvrage prenait parti, et, bien que certaines de ses assertions, notamment l’interprétation du phénomène des marées comme preuve positive du mouvement de la Terre, soient erronées, il avait dans l’ensemble une vigueur démonstrative considérable. Urbain VIII pouvait s’y reconnaître sous les traits de Simplicio, l’aristotélicien trop soucieux de défendre la tradition, et Galilée perdit les puissants appuis dont il avait bénéficié jusque-là.
Nous n’entrerons pas ici dans plus de détails à propos du fameux procès, dont certains aspects sont peu honorables pour les juges du Saint-Office. Il importe davantage d’en fixer nettement la leçon.
Si Galilée se trouvait livré à des adversaires sans scrupules, incapables de saisir le problème délicat qui formait le fond réel du débat, il avait tout fait pour qu’il en fût ainsi.
Sans doute avait-il agi en raison de sa conviction profonde qu’en matière de recherche physique il n’y a pas équivalence entre les hypothèses, mais il n’avait pas compris qu’entre la convergence des arguments en faveur d’une hypothèse et l’affirmation d’une réalité physique, il y a un pas que l’on peut hésiter à franchir.
Sans doute, les hésitations à franchir ce pas, telles qu’elle apparaissaient chez un Bellarmin, étaient loin d’avoir les fondements épistémologiques qu’on peut leur donner aujourd’hui et se teintaient de politique théologique ; mais, sur la question préalable de la comparaison des hypothèses, les arguments décisifs en faveur de la translation de la Terre et de sa rotation sur elle-même par rapport au Soleil n’ont été acquis qu’au début du XIXème siècle (James Bradley + Léon Foucault).
S’il y a lieu, en définitive, de s’étonner, en cette affaire où l’autorité de l’Église s’est tout de même compromise hors de sa juridiction stricte, c’est de ce que le scandale, encore qu’il fût différent suivant le point de vue de chaque antagoniste, n’ait pas empêché le débat de porter ses fruits. Pour la science, comme pour la mentalité religieuse. Nul doute que, dans ce fait remarquable, les dernières années de Galilée n’aient joué un très grand rôle.
Condamné le 22 juin 1633, Galilée ne connaîtra jusqu’à sa mort que des résidences surveillées, mais, d’une part, il fera l’admiration d’un nombre toujours croissant d’esprits à travers l’Europe, par la dignité et la noblesse de son attitude, d’autre part, la surveillance n’ira jamais jusqu’à interdire son travail. C’est la recrudescence de ses maux physiques, accompagnée à la fin de 1637 de la perte complète de la vue, qui fut pour lui le principal obstacle.
Grâce au gallicanisme, le décret du Saint-Office ne fut pas enregistré en France où, sous le couvert des franchises des parlements, les ouvrages de Galilée passèrent assez librement.
Ils y trouvèrent de puissants protecteurs, tel le célèbre religieux minime Mersenne, qui surent avec précaution assurer la diffusion de leur message scientifique.
Lorsqu’en 1638, Galilée couronne son œuvre en publiant à Leyde par Louis Elsevier ses Discours et démonstrations mathématiques concernant deux nouvelles sciences touchant la mécanique et les mouvements locaux (Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze attenenti alla mecanica & i movimenti locali),
c’est par Paris que passe son manuscrit, en y laissant une influence profonde.
Dans cet ouvrage, somme de toute sa vie scientifique, se trouve en particulier la correction de l’erreur concernant le comment de la loi des espaces dans la chute des corps, que Galilée avait d’abord cru découvrir dans une augmentation de la vitesse en proportion directe de la hauteur de chute. S’y trouve aussi l’embryon du célèbre principe de l’inertie illustré par la parabole du bateau.

A ce propos une nouvelle remarque s’impose.
Depuis plusieurs années, la Physique tend à s’angliciser.
En effet, certaines lois de la Physique ont vu le mérite de leur découverte soudainement attribué à Isaac Newton.
C’est en particulier le cas du Principe de l’inertie qui s’est transformé en Première loi de Newton.
A qui revient donc la paternité de cette découverte ?
Voici ce qu’écrit Galilée dans ses Discorsi

« Il doit être également noté que, quel que soit le degré du corps mobile, celui-là est naturellement imprimé de manière indélébile
dans celui-ci, si toutes causes externes d’accélération ou de retard sont absentes, ce qui se produit seulement sur un plan horizontal…
De ceci, il s’ensuit que le mouvement horizontal est aussi éternel, puisque s’il est effectivement uniforme, il n’est ni affaibli, ni diminué, encore moins supprimé. »

La capacité d’abstraction de Galilée l’a donc effectivement entraîné à concevoir une surface infinie plane sur laquelle un mobile animé d’une certaine vitesse conserverait celle-ci éternellement.
L’adverbe seulement nous rapproche fortement de l’énoncé du principe d’inertie tel que nous le connaissons aujourd’hui.
La notion de force est néanmoins absente de cet énoncé et sera introduite plus tard par Isaac Newton comme nous le verrons tout à l’heure.

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.

 EMBED Equation.3 
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.

Expérience
Le Puy de Dôme culmine à 1465 mètres d’altitude. A son sommet, la hauteur de la colonne de mercure d’un tube barométrique est inférieure d’environ 84 millimètres à celle que l’on mesure à Clermont (qui ne s’appelle pas encore Clermont-Ferrand), au bas de la montagne. C’est la raison pour laquelle dans l’exercice présenté précédemment ne peut permettre d’obtenir la hauteur d’un immeuble avec un baromètre. En effet, la variation de niveau serait imperceptible.

Fort de ces résultats, Pascal rédige, entre 1651 et 1653, un Traité de la pesanteur de la masse de l’air.
Mais ce traité n’est que le corollaire d’un ouvrage rédigé à la même époque, le Traité de l’équilibre des liqueurs. Celui-ci rassemble en une doctrine cohérente des acquisitions récentes et une réflexion philosophique. Pascal ne s’arrête guère au fait que la preuve du vide ruine la physique scolastique ; en revanche, le jésuite Étienne Noël ayant contesté ses expériences, il saisit l’occasion pour construire une théorie d’ensemble de la méthode expérimentale. Le Traité de l’équilibre des liqueurs et La Pesanteur de la masse de l’air s’achèvent aussi par une ample Conclusion sur les voies du progrès de l’esprit humain dans la recherche de la vérité.
On y trouve aussi la formulation du « paradoxe de l’hydrostatique », déjà soupçonné par Benedetti en 1585 et nettement reconnu par Stevin en 1596, de même que par Galilée en 1612 : la force qui s’exerce sur le fond d’un vase ne dépend que du poids de la colonne de liquide qui le surmonte à la verticale. Pour un liquide donné, et pour une même hauteur de la surface du liquide au-dessus du fond, ce poids reste le même quelle que soit la forme du vase. Mais Pascal a le mérite de compléter cette théorie en formulant le premier le principe de la presse hydraulique, rattaché à une loi générale de l’hydrostatique qu’il applique aux deux pistons : l’égalité des produits de chaque poids par son déplacement.

Expérience : Photo du crève-tonneau

Il est également à l'origine du « principe de Pascal » qui établit que, dans un fluide incompressible en équilibre, les pressions se transmettent intégralement.
Son nom fut donné à l’unité légale de pression.

Il conçut en 1654 un triangle, appelé depuis « triangle de Pascal » utile à de nombreux calculs arithmétiques. Il travailla ensuite sur les probabilités à partir de deux problèmes de jeu et tenta de
« géométriser le hasard ».
Il travailla sur l'infini mathématique et mit au point la méthode d'induction en mathématique. Il est également à l'origine des méthodes combinatoires. Avec les Éléments de géométrie (1657), il inaugura la géométrie non-euclidienne. En 1658, il développa les méthodes infinitésimales et soumit un problème de cycloïde à un concours international de géomètres.
C'est à partir de la représentation de mouvements de roue que Pascal, dans le dessein de « réduire en mouvement réglé toutes les opérations de l'arithmétique », inventa en 1642 la « machine d'arithmétique » (appelée aussi par un de ses correspondants la « roue pascale »), capable d'additionner et de soustraire, et conçue pour la comptabilité, les calculs d'architectes, le calcul abstrait.
Il en montra un exemplaire en 1644 à Henri II de Bourbon, père du Grand Condé, la dédia en 1645 au chancelier Séguier et la fit adresser en 1659 au savant Christiaan Huygens.
Afin de la faire connaître et de lutter contre les faussaires, il publia un avis nécessaire à ceux qui auront curiosité de voir la machine d'arithmétique, et de s'en servir utilitaire et publicitaire.
Le sieur Roberval, professeur ordinaire de mathématiques au Collège royal de France, fut chargé d'en faire la démonstration à qui souhaiterait la découvrir. Cinquante prototypes furent construits.
Elle fut fabriquée dans de nombreux modèles, en bois, en cuivre, en ébène et en ivoire. Elle fut vendue 100 livres, prix très élevé. Construite sur six niveaux (selon les ordres d'unité), elle fonctionnait avec des roues à dix dents et faisait apparaître les résultats à travers de petites fenêtres. Quatre exemplaires sont actuellement conservés au Conservatoire national des arts et métiers à Paris.
Sa machine n'était toutefois pas la première.
Kepler avait en effet commandé un modèle analogue au mathématicien, astronome et linguiste allemand Wilhelm Schickard (1592-1635) en 1623, conçu pour calculer les éphémérides.
Il aurait toutefois disparu dans un incendie et Pascal n'en a pas eu connaissance.

L’œuvre scientifique de Pascal n’a pas l’étendue de celle de Galilée ou de Descartes. Ainsi, l’astronomie et l’optique n’y ont pas place. Et, même dans les deux seuls mais importants domaines dont il s’est occupé, la mécanique et la mathématique, Pascal n’a traité qu’un nombre limité de sujets, surtout en mécanique. Mais ces derniers étaient de grande portée et Pascal les a en grande part renouvelés non seulement par les résultats dont il les a enrichis, mais aussi par l’esprit dans lequel il les a envisagés.
Il ne faut pas cependant majorer l’originalité de Pascal. Une histoire des sciences encore assez commune lui attribue des découvertes qui, en fait, lui sont en grande part antérieures, ce qu’il a d’ailleurs toujours très honnêtement reconnu. Toutefois, les apports originaux qu’on lui doit sont assez nombreux et d’une suffisante qualité pour qu’on puisse le ranger parmi les plus grandes figures du passé de la science, d’autant que, là où il n’a pas fait preuve d’une véritable originalité, il a, par sa rigueur, sa clarté, son sens de l’essentiel, donné aux problèmes qu’il abordait une présentation qui en a beaucoup mieux fait comprendre l’intérêt et la portée. Pascal était d’ailleurs bien informé des travaux déjà réalisés dans les domaines dont il s’occupait et il a grandement bénéficié de ses contacts directs ou épistolaires, en particulier par l’intermédiaire de Mersenne, avec les principaux savants de son temps, notamment Descartes, Fermat, Roberval et Gassendi.





D. Robert Hooke (1635-1702)

Astronome et mathématicien anglais, connu pour sa loi de proportionnalité entre les déformations élastiques d'un corps et les efforts auxquels il est soumis, dite loi de Hooke.
Il imagina et perfectionna un grand nombre d'instruments et de dispositifs.

Il fut l’un des esprits les plus féconds du XVIIème siècle.
Élève à Oxford, Robert Hooke attire, par sa remarquable dextérité et son esprit inventif, l’attention de Robert Boyle qui l’engage comme assistant dans son laboratoire (1655) et avec lequel il construit sa machine pneumatique. Cette machine permit à Boyle d’effectuer des expériences sur le rôle de l’air : il constata, en effet, qu’un combustible aussi actif que le soufre ne s’enflamme pas s’il est placé dans une enceinte vide ; de même, dans ces conditions, un animal ne peut vivre bien longtemps. Hooke essayera par la suite d’interpréter ces résultats.
À partir de 1665, il est professeur de géométrie à Gresham College.
Membre (1663) puis secrétaire (1678) de la Royal Society de Londres, il y présente de nombreuses communications sur les sujets les plus divers, tels que les taches du Soleil et celles de la Lune, les propriétés des cristaux et la composition de la lumière (il pressentit l’hypothèse, reprise par Fresnel, suivant laquelle la lumière est formée de vibrations transversales).
En mars 1666, il est le premier à proposer l’utilisation du pendule simple pour mesurer l’intensité de la pesanteur : g = 9.81 m.s(2.
C’est la première estimation historique de g.

Expérience
En exprimant la formule précédente  EMBED Equation.3  en fonction de g
 EMBED Equation.3 
En considérant par exemple un pendule constitué d’un fil d’un mètre de longueur et prenant 4(2 ( 40, on peut facilement évaluer g.

Sa controverse avec Newton a entraîné celui-ci à préciser ses idées sur la nature de la lumière et sur son hypothétique support, l’éther.
Il invente un régulateur pour le balancier des montres (1658),
un système de télégraphie optique (1684), plusieurs moyens de voler dans les airs, le baromètre à roue, l’hélioscope (A Description of Helioscopes and Some Others Instruments, 1676), le thermomètre à alcool, le joint universel.
Il perfectionne le télescope et propose de choisir, pour le degré zéro du thermomètre, le point de fusion de la glace.
En 1676, il formule la loi qui porte son nom sur l’élasticité des corps solides.
Il a reproché à Newton d’avoir puisé dans ses travaux, sans les citer, pour énoncer la loi de la gravitation universelle qu’il avait entrevue.
Le 23 Mai 1666, Robert Hooke présentait deux expériences devant les membres de la "Royal Society".
Ces deux expériences de mécanique visant à "démontrer" la notion d'orbite vont jouer un rôle majeur dans le développement des idées conduisant Newton, onze ans plus tard, à proposer sa théorie des orbites Képlériennes. Ces expériences seront présentées ont été présentées par M. Pierre Coullet, Professeur à l’INLN lors d’un séminaire à l’ENS.
Durant l'hiver 1679-1680, Robert Hooke débute une correspondance avec Newton.
De cette correspondance naîtra en 1684 De Motu corporum gyrum, manuscrit que l'on peut considérer comme le germe des Principia.
Newton n'y fera aucune mention de sa "collaboration" avec R. Hooke. En réponse, dans un manuscrit datant de 1685, Robert Hooke propose une méthode de calcul des orbites qu'il applique avec succès au calcul du mouvement d'un pendule conique. L'algorithme de calcul de Hooke est un algorithme symplectique d'intégration des équations du mouvement.
Chimiste, il s’intéresse aux premières théories de la combustion.
Il désigna sous le nom de « nitre aérien » le principe de la combustion et de la respiration. De ce fait, il doit être considéré, avec John Mayow, comme l’un des précurseurs de Lavoisier.
Pour expliquer le rôle de l’air, il pense que celui-ci contient une substance semblable à celle que l’on trouve dans le salpêtre ; c’est cette partie de l’air qui nourrit à la fois le feu et la vie.
La biologie lui doit de nombreuses observations (ailes d’insectes, puces, poux) faites à l’aide d’un microscope de sa fabrication ; dans son ouvrage Micrographia, ou Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses (1665), il emploie, le premier, le mot « cellules » pour désigner les sortes d’alvéoles qu’il discerne en regardant les coupes de liège au microscope. Marcello Malpighi et d’autres retrouvent des figures semblables dans des coupes de certains parenchymes végétaux. Mais il n’y avait à cette époque ni généralisation possible ni emploi pour les structures ainsi entrevues. En outre, il a étudié la transfusion sanguine, les greffes de peau, etc. Enfin, il fut l’un des créateurs de l’anatomie comparée des végétaux fossiles et vivants, grâce à ses études microscopiques sur les foraminifères et sur l’anatomie des bois fossiles, et un précurseur incontestable de la théorie transformiste :

« Il peut y avoir eu diverses variétés issues d’une même espèce »,

écrivit-il ; ou encore :

« Nous savons que la variation du climat, du sol et de la nourriture produit souvent un changement chez ceux des corps qui ont à les supporter. »

Architecte, et ami de sir Christopher Wren, il propose un plan de reconstruction de Londres après le grand incendie de 1666 ; il est l’auteur du monument qui commémore cette catastrophe, ainsi que des plans du Royal College of Physicians. En outre, conscient de l’utilité des grandes collections, il proposa la création d’un musée national britannique qui deviendra le British Museum.
Après Attempt to Prove the Motion of the Earth (1674), où il adopte définitivement la loi de l’inertie et reprend l’idée de l’attraction mutuelle des planètes et du Soleil, mais sans réussir à préciser la loi d’attraction, il publie Lampas or Descriptions of Some Mechanical Improvements of Lamps and Waterpoises, together with Some Others Physical and Mechanical Discoveries (1677).



E. Isaac Newton (1642-1727)

Comment briser un œuf ?
Gravitation (problème de la Terre coupée en deux Perelmann p148 :
1 h 24’27’’)
Le problème de l’ascenseur (peut-on boire un verre …)
L’ascenseur en chute libre et la carafe d’eau
L’aplatissement de la Terre aux pôles (6378,163 km et 6356,777 km)

L’œuvre de Newton constitue sans conteste le plus grand moment de la science moderne telle qu’elle s’est constituée après la Renaissance ; elle couronne les travaux exceptionnellement riches d’une pléiade de mathématiciens et de physiciens de génie. On pourrait généraliser la remarque qu’il fit lui-même à propos des recherches en optique de Descartes, Hooke et Boyle, dont il s’inspira :

« Si j’ai vu plus loin, c’est parce que j’étais assis sur les épaules de géants. »

A ce propos signalons l’excellent ouvrage de Stephen Hawking.

Cette œuvre inaugura, par ses synthèses magistrales, une nouvelle ère de la pensée scientifique qui dura plus de deux siècles, et dont la science contemporaine est encore largement l’héritière, même après les nombreux bouleversements survenus en mathématique et en physique. Les autres sciences s’en inspirèrent également pour formuler les normes de scientificité dont elles avaient besoin pour s’établir, et la philosophie s’appuya sur elle dans son projet de fonder une nouvelle intelligibilité rationnelle postcartésienne.
Newton fut mathématicien et astronome aussi bien que physicien et mécanicien, expérimentateur aussi bien que théoricien. Il renouvela l’analyse et la géométrie en inventant le calcul différentiel et intégral, dont il partage la paternité avec Leibniz.

Son analyse expérimentale et théorique des propriétés physiques de la lumière et des couleurs ouvrit un nouveau domaine, l’optique physique, riche de perspectives sur la constitution de la matière.
Il unifia les lois de Kepler en astronomie et celles de la mécanique terrestre de Galilée en fondant la mécanique rationnelle par une définition précise de ses concepts fondamentaux (espace, temps, masse, force, accélération), par l’énoncé des lois générales du mouvement et la formulation mathématique des lois particulières, locales et instantanées (c’est-à-dire causales), pour des forces données, et en établissant sa théorie de la gravitation universelle.
Newton concevait sa physique comme partie prenante d’une « philosophie naturelle », imprégnée de l’idée d’un Dieu créateur immanent, qui n’est peut-être pas exactement le « Grand Horloger » qu’y verra Voltaire, car il est avant tout « le Seigneur ».
Et son « serviteur », marqué par les idées néoplatoniciennes, fut par ailleurs préoccupé d’exégèse biblique, de théologie et d’alchimie, qui participaient à ses yeux de la recherche de la vérité au même titre que ses travaux en mathématique et en physique.

Né le 25 décembre 1642, quelques mois après le décès de son père, dans une famille de petits propriétaires terriens, Isaac fut un enfant de santé fragile. Sa mère, Hannah, le confia, lors de son remariage avec un pasteur anglican – Isaac avait alors trois ans –, à sa grand-mère et à son oncle, auprès desquels il passa ses années de jeunesse dans la maison familiale, dans le hameau de Woolsthorpe, près de Grantham (Lincolnshire). Son caractère se ressentit de cette situation, et il éprouva du ressentiment à l’égard de sa mère et de son beau-père. Plus tard, il ne connut pas de femme et ne se maria jamais. De cette période, on ne retient pas de traits particuliers de la personnalité du jeune Isaac, sinon une prédilection pour les constructions mécaniques et une grande habileté manuelle.

Sa mère revint à la maison familiale en 1653, à la mort du révérend, et voulut faire de son fils un fermier. Mais il n’en avait aucune vocation, et plusieurs personnes de son entourage l’encouragèrent à se préparer pour entreprendre des études universitaires, ce qu’il fit à l’école du comté. Quelques années plus tard, en 1661, Newton entra au Trinity College de Cambridge, où il fit ses études supérieures, devenant bachelor of arts en juin 1665.
Il apprit la rhétorique scolastique et la logique aristotélicienne, reçut les leçons d’Isaac Barrow, s’imprégna des idées de l’école des néoplatoniciens de Cambridge, à laquelle appartenait Barrow et dont Henry More était le chef de file.

L’épidémie de peste ayant occasionné la fermeture de l’université, il mit à profit son séjour de dix-huit mois dans le Lincolnshire pour se livrer à la réflexion et à la recherche, posant les jalons de son œuvre scientifique.
En octobre 1667, Newton fut élu fellow du Trinity College, obtint le master of arts en 1668 et fut nommé « professeur lucasien » en 1669, à l’âge de vingt-six ans, succédant à son maître Barrow.
En 1672, il devint membre de la Royal Society. Il entretint au long de sa vie une correspondance avec des savants et philosophes importants de Grande-Bretagne et du continent.
Associé étranger de l’Académie des sciences de Paris en 1699, président de la Royal Society de 1703 à sa mort, il fut ennobli par la reine en 1705. La fin de sa vie fut marquée par de vives controverses, dont celles avec Leibniz : l’une sur des questions de philosophie et de théologie, par Samuel Clarke interposé, l’autre sur la priorité quant à l’invention du calcul infinitésimal ou différentiel. Il fut intransigeant et impitoyable dans cette dispute, n’hésitant pas à rédiger lui-même, tout en le prétendant œuvre impartiale de la Royal Society, le Commercium epistolicum, et à modifier quelques passages des Principia sur la deuxième édition pour renforcer sa revendication de priorité.

Les années « merveilleuses »

Newton s’est souvenu de l’année 1666 comme de la période la plus créative de sa vie, son annus mirabilis. C’est, en réalité, au cours des deux années 1665 et 1666, dans sa retraite forcée à la campagne entrecoupée de rares et brefs séjours au Trinity College, que lui vinrent les idées si fécondes, encore en partie intuitives, qu’il devait mûrir progressivement et développer par la suite dans son œuvre, en mathématique, en optique, en astronomie théorique : ses carnets de notes conservent des traces précises de tout ce travail lentement élaboré, objet de constants remaniements, dont il ne publia les résultats que tardivement et avec parcimonie.
Il découvrit le développement en série du binôme, puis développa la méthode des séries infinies pour la quadrature de fonctions.
L’étude des séries infinies et la construction de figures par le mouvement de points ou de lignes le conduisirent à formuler la règle de différentiation d’une fonction d’une variable sujette à un accroissement infinitésimal, inventant ainsi le calcul des fluxions, qui est la version newtonienne du calcul différentiel.
Il l’appliqua aussitôt à l’étude des tangentes et des courbures ainsi qu’aux problèmes inverses de quadratures et de rectification des courbes (c’est-à-dire à l’intégration).
Travaillant, dans la suite de Kepler et de Descartes, à la recherche des dioptres parfaits par la taille et le polissage de lentilles non sphériques, il se rendit compte de la persistance d’une aberration chromatique importante, même lorsque l’aberration sphérique était diminuée.
Il effectua alors ses observations sur la lumière du Soleil à l’aide de prismes, par lesquelles il conclut au caractère composite de la lumière blanche, et à l’inégale réfrangibilité des rayons de couleurs différentes. Il conçut ensuite l’idée du télescope à réflexion pour éviter les limitations de la lunette dues à la dispersion chromatique.
Il eut, selon son propre récit, l’idée de la gravitation universelle en voyant tomber une pomme et en pensant que, de même, la Lune tombe sur la Terre mais en est empêchée en même temps par son mouvement propre (d’inertie). Rapprochant la troisième loi de Kepler et la loi de la force centrifuge, il formula la loi de l’inverse carré des distances pour la force centripète qui agit sur les planètes ; mais la valeur du rayon terrestre alors disponible ne lui permit pas de démontrer la validité de sa théorie par l’accord entre la chute libre d’un objet sur Terre et le mouvement de la Lune. On ignore si ce fut là l’unique raison du délai de vingt ans qui sépare la conception de son idée fondamentale et sa publication dans les Principia.
Sans doute lui fallait-il aussi l’étayer sur de plus amples développements mathématiques et physiques requis par l’étude précise des lois du mouvement.
Toute l’œuvre scientifique de Newton se présente comme l’explicitation et la continuation directe de ces idées, qui allaient renouveler les mathématiques et créer la mécanique rationnelle, l’optique physique et l’astronomie mathématique.

Expérience : Décomposition de la lumière blanche

L’optique

Newton avait conclu de ses recherches sur la lumière de 1666 que les couleurs « ne sont pas des qualifications de la lumière provoquées par la réflexion ou la réfraction sur les corps naturels », comme on le croyait jusqu’alors, mais « des propriétés originelles et spécifiques », différentes pour les différents rayons. Il poursuivit ces recherches, qu’il communiqua, de 1672 à 1676, à la Royal Society, et enseigna à Cambridge (Lectiones opticae), de 1670 à 1672, et dont il publia plus tard une synthèse dans son Optique.
Il proposa une explication de la distribution des couleurs de l’arc-en-ciel et des positions respectives des différents arcs par rapport à l’arc primaire, complétant ainsi la théorie qu’en avait donné Descartes en suivant le trajet de la lumière dans une goutte de pluie en suspension.
Il étudia en détail les phénomènes d’interférence et en particulier les propriétés des anneaux irisés (baptisés après lui « de Newton ») produits par le passage de la lumière à travers une mince couche d’air située entre deux lamelles de verre, dont Hooke avait donné une première approche qualitative.
La nécessité d’une explication théorique le préoccupait pour les phénomènes optiques tout autant que pour les lois du mouvement des corps. Comme les Principia, l’Optique commence par des définitions et des axiomes. Mais les essais d’explication y sont plus qualitatifs, tout en révélant une intuition physique aiguë. Newton proposa une analogie entre les sept notes fondamentales de la gamme musicale et les couleurs primaires (pour cette raison, il en recense sept : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet, ajoutant l’orange et l’indigo), et incorpora à sa théorie la périodicité de la lumière, remarquée à partir de ses observations sur les anneaux formés par des lames minces, associant chaque couleur à une longueur d’onde.
S’il concevait des ondes associées à la lumière, tout en préférant voir en celle-ci des corpuscules de différentes vitesses, il ne se prononça pas sur la raison profonde de ce lien. Il hésita, quant à la nature de la lumière, entre une conception purement corpusculaire et une théorie vibratoire de l’éther, puis abandonna cette dernière pour une théorie des « accès de facile réflexion et transmission ».
Il posa dans l’Optique un certain nombre de questions (« Queries »), qui apparaissent comme un programme pour des recherches futures, et qui sont souvent d’une profondeur troublante.

La gravitation universelle et les « Principia »

Comme on l’a vu précédemment, les astronomes de l’Antiquité ont tenté d’expliquer le mouvement des planètes à partir de mouvements circulaires et uniformes. L’idée de trajectoire elliptique commencçait à émerger.
Ainsi Newton conçut l’idée d’une gravitation universelle et la loi de l’inverse carré des distances pour sa force dès ses « années merveilleuses », quand il s’intéressait déjà aux mouvements curvilignes et au problème de la Lune, il ne donna cependant tout leur développement à ses conceptions que dans la période décisive qui va de 1679 à 1684, sous la stimulation de Hooke, de Flamsteed, de Halley.
Il entreprit en 1684 la rédaction de son De motu corporum in gyrum, première ébauche préparant les Principia, lesquels furent achevés dès 1686.

La théorie newtonienne de l’attraction universelle est préparée par les travaux de Ismaël Boulliau, de Giovanni Alfonso Borelli, de Christiaan Huygens et de Robert Hooke : le premier imagine une loi d’attraction en 1/r2, mais c’est pour l’abandonner bientôt au profit d’explications « réelles » finalistes. Borelli suppose que le mouvement des planètes résulte d’une combinaison des effets produits par une force attractive et par une force centrifuge. Cette intervention encore qualitative d’une force centrifuge va être précisée par Huygens.
Les expériences de chute des corps réalisées par Hooke du haut de la tour de Westminster essaient de vérifier la variation de la force attractive terrestre (pesanteur) en fonction de la distance au centre de la Terre. Leur précision est évidemment insuffisante, mais elles vont orienter Newton dans une voie fructueuse.
Dans sa première approche, il avait déjà corrigé la conservation cartésienne du mouvement en prenant en compte la direction, repris la formulation du principe d’inertie, conçu en termes de forces la composition des mouvements – celui d’inertie et ceux qui l’altèrent –, formulé la loi de la force centrifuge indépendamment de Huygens et en termes de force centripète (c’est-à-dire de cause du mouvement, et non pas seulement d’effet).

Hooke avait proposé une explication du système du monde par l’attraction universelle : le problème était de l’assurer dans les phénomènes (à cet égard, une mesure exacte du méridien terrestre avait été faite par Jean Picard en 1671, qui justifiait Newton dans sa première approche), et d’en déterminer exactement la loi.

Pour y parvenir, Newton du repenser la dynamique, s’intéressant aux corps solides et fluides, aux collisions élastiques et inélastiques, clarifiant la différence entre la masse et le poids et considérant la manière par laquelle l’action, supposée continue, d’une force sur un point matériel cause un changement de sa quantité de mouvement.
Il prit pour cette action la limite d’une série de forces ou impulsions considérées pour des intervalles de plus en plus courts, jusqu’à l’infini.
Il pu ainsi démontrer l’équivalence des lois de Kepler avec une force centripète d’attraction des planètes par le Soleil, dont il formula la loi (la gravitation universelle) :

tous les corps matériels s’attirent mutuellement avec une force inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare et proportionnelle à leurs masses respectives.

Les Principia, Principes mathématiques de la philosophie naturelle, donnent la présentation achevée de sa théorie du mouvement des corps et de son système du monde.

L’essentiel de la synthèse que constitue la notion de gravitation universelle reste à faire. Cette idée, exposée dans les Principia (1687), a son origine dans la comparaison des forces de pesanteur en différents points de la Terre.

L’épisode de la chute de la pomme, épisode conté par Voltaire, semble relever de la légende et, de toute façon, n’aurait pu être exploité que par une critique déjà avertie.
Pour éprouver les variations de pesanteur sur un corps situé à une distance plus lointaine de la Terre, Newton a l’idée de choisir la Lune. Il suppose que celle-ci « tombe » sur la Terre suivant la loi de Galilée, mais que, en raison de sa vitesse initiale, elle décrit une trajectoire curviligne.

En premier lieu, il faut se souvenir que tout objet sur la Terre tombe chute libre avec une accélération égale à g.
D’autre part, les astronomes de l’Antiquité avaient pu vérifier que la Lune se déplace d’une distance égale à son diamètre en une heure.
Autrement dit que sa vitesse est d’un diamètre / heure.
Puisque apparemment son mouvement est curviligne on peut en déduire son accélération, c’est-à-dire, « l’accélération de chute libre » de la Lune autour de la Terre. Pour cela il suffit d’élever sa vitesse au carré et de la diviser par la distance qui la sépare du centre de la Terre.
Mais pour ce faire, Newton dispose là encore des travaux des astronomes de l’Antiquité, à savoir, le fait que la Lune se trouve à environ soixante rayon terrestre de nous. Il lui faut donc connaître le rayon terrestre avec une assez bonne précision pour effecuter ces calculs. Or cette mesure est réalisée par un français Jean Picard en 1671. Il obtient alors la valeur de l’accélération de la Lune soit : 0.027
La pomme quand à elle tombe avec une accélération bien connue : g soit 9.81.
La première idée forte qui se dégage de ce calcul est que plus on est loin plus l’accélération est faible. Ainsi il paraît évident que la force de pesanteur décroît avec l’augmentation de distance à la Terre.
Mais restait à Newton le soin de découvrir voire de démontrer la forme de cette décroissance qui était supposée, comme nous l’avons vu, être en 1/r2
La deuxième idée qui est la clé de l’énigme apparaît en faisant le rapport de ces deux accélérations on trouve environ alors : 3600
Or précisément, la Lune est éloignée de la Terre d’une distance égale à soixante rayons terrestre. 60 et 3600. Bien sur !
60 * 60 = 3600. La loi de décroissance est bien en 1/r2




Son expression mathématique s’écrit :

 EMBED Equation.3 

où F représente la force de gravitation, MTerre et MLune les masses respectives de la Terre et de la Lune, dTerre-Lune la distance entre la Terre et la Lune et G, la constante gravitationnelle.
La valeur de cette constante a été mesurée pour la première fois par le physicien Henry Cavendish, en 1798, avec une balance de torsion.


Cavendish, Henry (1731-1810), physicien et chimiste britannique, fondateur de l’électrostatique

Né en France, Cavendish fait ses études à Peterhouse (université de Cambridge). Ses premières expériences portent sur les chaleurs spécifiques des substances. En 1766, il identifie l’hydrogène et détermine sa densité. Il devient surtout célèbre pour sa découverte de la composition de l’eau. Il affirme que l’eau est constituée d’« air déphlogistiqué » (oxygène) associé à du « phlogistique » (hydrogène). Il découvre que la densité moyenne de la Terre est 5,45 fois celle de l’eau (ce rapport est précisément égal à 5,5268). En 1771, il introduit les notions de potentiel et de charge électriques. Ainsi, avec Charles Coulomb, il apparaît comme le fondateur de l’électrostatique.

En découvrant la composition élémentaire de l’eau, et en précisant celle de l’air, Cavendish a rompu de façon décisive le cercle dans lequel sensation et représentation étaient enfermées depuis l’Antiquité. C’est dans son œuvre que les éléments « naturels » perdent leur privilège de fondement principiel au profit des éléments chimiques ; au-delà des apparences, ceux-ci acquièrent leur statut de positivité scientifique. Développée avec une instrumentation très peu sophistiquée, l’œuvre de Cavendish atteste la fécondité d’une rigueur intellectuelle obstinée.



Henry Cavendish, né à Nice, mort à Clapham, quartier de Londres, compte parmi les figures les plus pittoresques de l’histoire des sciences. « Le plus riche de tous les savants, et peut-être le plus savant des riches », disait de lui Biot ; issu d’un haut lignage aristocratique, il ne fut cependant fabuleusement riche que sur le tard, par une suite heureuse d’héritages. Mais il ne mena jamais qu’un train de vie parcimonieux.
Sa misogynie était fameuse, et sa vie sociale se limitait aux réunions et dîners de la Royal Society ; dans sa maison même, il ne communiquait que par signes avec la domesticité. Ces traits singuliers corroborent, sans les éclaircir, certains caractères de sa carrière scientifique : son œuvre inédite témoigne d’un prodigieux travail qu’il a gardé secret, vraisemblablement par excès de scrupule, et aussi en raison d’une difficulté morbide à communiquer.

La densité du globe terrestre ou la pesée du globe

Mais, aux yeux des physiciens, la plus fameuse contribution de Cavendish touche à sa détermination expérimentale de la densité du globe terrestre, qu’il publie en 1798 (Experiences to Determine the Density of the Earth, in Philosophical Transactions). La question avait déjà été envisagée par Newton qui conjectura une valeur comprise entre 5 et 6. La détermination de cette valeur appartient à la théorie de la gravitation, qui fait intervenir les irrégularités de la figure de notre globe. Celles-ci se sont d’abord manifestées par les variations de la longueur du pendule battant la seconde, en fonction de la latitude terrestre. Au cours de la célèbre expédition géodésique organisée par l’Académie des sciences dans les terres australes, Bouguer étudie, en 1738, sur les flancs du Chimborazo, les variations du pendule en fonction de l’altitude. Comme ses déterminations ne répondaient pas à la loi newtonienne du carré de l’inverse de la distance, il attribua judicieusement les écarts à l’attraction propre de la masse montagneuse ; il tenta alors, mais sans succès, de mesurer la déviation du fil à plomb au voisinage de la montagne, en se référant à des repères astronomiques. Le problème est repris à partir de 1772 en Grande-Bretagne par un Committee of attraction de la Royal Society. Des mesures plus précises de déviation sont faites sur diverses stations d’une montagne assez régulièrement conique de l’Écosse, le Schiehallion. Cavendish, qui avait activement collaboré aux travaux de ce comité, traitera la question d’une tout autre manière, en développant une idée de son ami J. Michell. Il s’agit dans cette méthode d’observer les interactions d’un système mobile de deux couples de sphères de plomb dont les diamètres étaient respectivement de 2 et de 12 pouces. L’équilibre est défini par l’égalité du moment de rotation de l’équipage mobile et du moment de torsion du fil suspenseur. Pour faire correctement entrer en ligne de compte l’infime attraction entre les éléments de ce système, Cavendish a dû ménager d’immenses soins expérimentaux propres à éliminer toutes sortes de perturbations parasites. La valeur qu’il déduisit de cette expérience pour la densité terrestre, 5,45, est très proche de 5,52, aujourd’hui acceptée par la majorité des physiciens.

La meilleure valeur actuelle pour cette constante est égale à
6,67.10-11 N.m2.kg-2.
Ainsi, si on considère deux corps sphériques de 1 kg, séparés d'1 m (distance mesurée entre les deux centres), la force de gravitation s'exerçant entre ces deux corps est de 6,67.10-11 N.
Cette force est très faible : elle est égale au poids, mesuré à la surface terrestre, d'un objet ayant une masse d'environ (1/150).10-9 kg.

On a vu précédemment que la valeur de l’intensité de pesanteur pouvait être obtenue en utilisant les oscillations d’un pendule.
La théorie de la gravitation nous fournit une autre possibilité.



En effet, l’égalité du poids et de la force d’attraction universelle permet d’exprimer g en fonction trois autres grandeurs :

 EMBED Equation.3 

Il est assez remarquable de constater que même dans le lieux d’enseignements cette formule que je qualifierai d’historique est mal interprétée. Elle ne permet pas comme certain le croient d’évaluer g.
Ceci est impossible à l’époque de Newton et pour une raison simple.
Personne n’a pu calculer la valeur de G et même si tel était le cas personne ne connaît la valeur de la masse de la Terre.

C’est pour cette raison, historique que l’on dit parfois que Henry Cavendish, en déterminant la valeur de G, a pesé la Terre.

En effet, connaissant, G, g et RTerre il est très facile de calculer la masse de la Terre.

 EMBED Equation.3 

Historique, le rayon terrestre a été calculé pour la première fois au IIIème siècle avant J.C. par Eratosthène de Cyrène, puis recalculé en 1671 par Jean Picard, g a été calculé en 1666 par Robert Hooke,
G enfin a été évaluée par Henry Cavendish en 1798. Il a donc fallu vingt-cinq siècles de physique et de physiciens pour obtenir une mesure indirecte de la masse de la Terre.

La gravité est une propriété inhérente aux masses. Elle se traduit par le phénomène de la chute des corps. Tout corps matériel est donc un « grave » dans la mesure où il est soumis à la pesanteur et dans la mesure où il crée, éventuellement, un état de pesanteur.
Pendant longtemps, la notion de mouvement des corps célestes est restée totalement disjointe de celle de gravité. C’est au XVIe siècle seulement qu’on a soupçonné puis précisé la parenté entre la gravité et l’interaction qui s’exerce entre les astres. Newton devait bientôt transformer le mouvement des astres en « gravitation » et les forces d’attraction en propriétés caractéristiques d’une « gravitation universelle ».
Au sens large, la gravitation s’identifie à l’action, c’est-à-dire, comme on l’a pensé longtemps, à la propension naturelle qui détermine le mouvement des corps célestes. Dans une acception plus précise qui se fait jour au XVIIe siècle, la gravitation se présente comme une cause, une force dont l’expression permet de connaître les caractères particuliers de chaque trajectoire.

En dépit de son caractère quantitatif et des possibilités immédiates qu’elle offrait, la loi newtonienne d’attraction universelle fut d’abord accueillie avec une grande méfiance. Pour une opinion imbue des idées cartésiennes, la notion de « force attractive » semblait un retour aux conceptions passées de qualités occultes.
Bien entendu, il n’en est rien : d’une part, la notion de force attractive définit une quantité parfaitement déterminée et toujours calculable ; d’autre part, les notions d’« action à distance », « incompréhensibles ou miraculeuses », selon l’expression de Leibniz, ne sont aucunement incluses nécessairement dans la loi newtonienne. Celle-ci définit une notion précise au moyen d’une expression mathématique donnée. Qu’elle puisse recouvrir des actions plus fines, Newton ne le conteste ni ne l’affirme : il renonce à se prononcer sur des constructions alors toutes gratuites qui lui semblent constituer des hypothèses incertaines sur la nature d’un phénomène « gravitation », dont il s’attache seulement à préciser la loi.

En dépit de sa généralité, la théorie de la gravitation conçue par Newton comporte de très légers désaccords avec l’expérience. D’autre part, sous leur forme primitive, les forces de gravitation ne sont pas immédiatement réductibles à une action de proche en proche et semblent donc étrangères aux conceptions de « champ » que suscite, au XIXe siècle, le développement de la théorie électromagnétique.
Après l’édification de la relativité restreinte, Einstein est amené à interpréter les forces d’inertie (forces centrifuges, etc.) comme la traduction locale d’une structure courbe de l’univers quadridimensionnel. Ainsi peut être formulé un principe de relativité générale. D’autre part, un principe d’équivalence implique une assimilation locale des forces d’inertie et des forces de gravitation. Ces dernières peuvent donc, elles aussi, être dues à la courbure d’un univers essentiellement non euclidien. La relativité générale se propose ainsi comme une théorie non euclidienne du champ de gravitation. La loi newtonienne d’attraction peut se déduire immédiatement du mouvement libre d’un corps dans l’espace non euclidien créé par les masses. Elle se réduit à des conditions de structure.
La relativité générale, comme théorie non euclidienne du champ de gravitation, implique des dérogations aux prédictions newtoniennes. Ces dérogations viennent interpréter exactement les désaccords expérimentaux qui subsistaient (avance des périhélies des planètes). À l’heure actuelle, la gravitation peut donc être conçue comme l’effet de la structure non euclidienne de l’espace-temps. Elle se retranscrit, en première approximation, selon le formalisme de Newton. Les anciennes « actions à distance » deviennent des propriétés inhérentes à la géométrie de l’Univers.

Expérience
Une autre idée forte de Newton est l’aplatissement de la Terre aux pôles. De nouveau, c’est Jean Picard qui va le vérifier avec un objet qui devient désormais mythique : le pendule …
En utilisant un pendule, Jean Picard pu vérifier que ses oscillations étaient différentes suivant que l’on se trouvait près de l’équateur ou près du pôle nord. La raison en est simple, la période du pendule est inversement proportionnelle à la racine carré de g.
Si lorsqu’on se rapproche du pôle le pendule bat plus lentement c’est que la valeur de g y est plus grande. Par conséquent puisque g est inversement proportionnel au rayon de la Terre c’est que celui-ci y est plus petit.
La différence est cependant très faible. Par exemple, pour un pendule de 1à mètres de longueur, la période est de 6,35 secondes à l’équateur (avec g = 9.7799) tandis qu’elle vaut 6,33 secondes aux pôles (avec g = 9.83)

Expériences
Modifier la longueur du pendule pour montrer la variation de T











Addendum

Le livre Ier contient la théorie d’une dynamique générale mathématisée, avec la définition des notions fondamentales de force, mais aussi d’espace et de temps, absolus et relatifs, et l’énoncé des trois lois fondamentales (ou « axiomes ») du mouvement, à savoir la loi d’inertie, la proportionnalité du changement de la quantité de mouvement à la force, et l’égalité de l’action et de la réaction.
Les mathématiques mises en œuvres consistent en une géométrie des limites de grandeurs infinitésimales, établie à partir de théorèmes sur les « premières et dernières raisons » des grandeurs relatives à la trajectoire des corps en mouvement, qui sont équivalentes au calcul des fluxions. Newton était par là en mesure de formuler les lois du mouvement d’un corps sollicité par des forces en un point et à un instant donnés, applicables aux corps terrestres aussi bien que célestes. La suite du livre Ier porte sur ces lois, d’abord pour des situations simplifiées (points matériels soumis à des forces définies de manière géométrique, par exemple centripètes), puis pour des situations progressivement plus complexes et conformes à des cas réels, où les forces sont exercées par des corps, de dimensions finies, en mouvement relatif autour de leur centre de gravité commun. Newton y démontre, en particulier, le théorème sur l’attraction mutuelle de sphères matérielles constituées de couches homogènes concentriques, égale à celle qu’auraient leurs masses concentrées en leurs centres respectifs.
Le livre II étudie le mouvement des corps solides et liquides dans les milieux résistants, pose les jalons de l’hydrodynamique, donne une théorie de la propagation des ondes et propose une manière de déterminer la vitesse du son dans un milieu élastique en fonction de la densité et de la pression. L’étude des milieux résistants l’amène, en conclusion, à réfuter la théorie cartésienne des tourbillons.
Le livre III, « Sur le système du monde », est une application directe du livre Ier : le mouvement des planètes et de leurs satellites, celui des comètes, le phénomène des marées ont une seule et même explication, qui est aussi celle de la pesanteur : la force centripète de gravitation universelle. Newton unifiait ainsi la mécanique céleste de Kepler et la mécanique terrestre de Galilée en une mécanique rationnelle dont les lois sont locales et non plus globales, instantanées et non plus moyennes. Par ailleurs, les attractions réelles n’étaient plus centrales. Il fallait en effet tenir compte de la variation de l’accélération avec la distance au centre de la Terre et avec la latitude ainsi que du mouvement relatif de la planète et du Soleil. Il effectua une première approche du problème de l’attraction de trois corps dans le cas Soleil-Terre-Lune, pour ce qui concerne la précession de la Terre (précession des équinoxes, due à l’inclinaison de l’axe de la Terre), la forme de la Terre (sphéroïde renflé à l’équateur, aplati aux pôles), la théorie des marées, les inégalités du mouvement de la Lune (et la raison pour laquelle elle présente toujours la même face à la Terre).

La philosophie naturelle

Newton concevait son travail scientifique comme faisant partie de ce qu’il appelait la « philosophie naturelle », qui n’est pas une simple reprise du thème galiléen du livre de la nature, mais s’insère dans le courant néoplatonicien de Cambridge. S’il s’inspire de Descartes, par une certaine conception de la raison et du rôle des mathématiques, c’est aussitôt pour s’en démarquer, et les Principia sont en grande partie une réfutation des Principes de philosophie.
Son platonisme transparaît dans sa conception des mathématiques exprimant la vérité et la réalité du monde qui transcende les apparences, telle qu’il l’exprime notamment dans les définitions des grandeurs « vraies et mathématiques », comme l’espace et le temps absolus, qui sont la condition de leur mathématisation.
Cependant, la doctrine explicite de Newton, telle qu’il l’a exposée dans ses « Règles du raisonnement en philosophie » du livre III des Principia, se présente comme une méthodologie positive dont les attendus ont été longtemps considérés comme universels pour la science. « Nous ne devons admettre plus de causes aux choses naturelles qu’autant qu’elles soient vraies et suffisantes pour expliquer leurs apparences. » « Aux mêmes effets on doit, autant que possible, assigner les mêmes causes. » L’induction est une généralisation à partir des phénomènes, et l’on ne doit pas multiplier les hypothèses. Son « hypotheses non fingo » ne signifie pas le rejet de toute hypothèse théorique, ce qui contredirait sa propre attitude scientifique, mais le refus de spéculations simplement logiques, étrangères à la considération des phénomènes.
Newton prône la méthode de l’analyse et de la synthèse, étant entendu que la première doit précéder, en science, la seconde – c’est-à-dire l’essai d’explication des phénomènes, ou encore le rassemblement des propriétés analysées dans une perspective qui réincorpore l’unité.
Sur la force d’attraction universelle qui agit instantanément à distance, il soutint, contre ceux – les cartésiens – qui l’accusaient de revenir aux qualités occultes, que l’important était qu’elle fournît le moyen de faire des prédictions mathématiques, mais il ne se prononçait pas sur la nature du mécanisme par lequel cette force agissait. Ce débat devait contribuer à susciter, au XVIIIe siècle, l’apparition de nouveaux principes d’intelligibilité et une refondation de la question de la rationalité scientifique.
La philosophie naturelle comporte la question du Dieu créateur, dont Newton voyait la preuve dans l’organisation du système du monde, et qu’il évoque dans la scholie générale qui figure à la fin du livre III des Principia. Son « Être intelligent et puissant, [qui] gouverne toutes choses non comme l’âme du monde, mais comme Seigneur de tout ce qui est », est absolument parfait, éternel et infini. Sa conception de l’espace comme sensorium Dei, à travers lequel se communique instantanément l’attraction universelle, est liée à l’idée de ce Dieu qui préside à la durée et à l’espace et qui les constitue, conforme à la doctrine de More. Nous ne pouvons nous faire aucune idée de la substance de cet Être, et nous ne le connaissons que par sa « Seigneurie » sur les choses et sur nous-mêmes, par sa Providence et ses causes finales.






La postérité de Newton

Les mathématiques de Newton et ses lois du mouvement furent très vite adoptées et développées, transcrites dans les notations du calcul différentiel et intégral de Leibniz, ce qui conféra à la « nouvelle analyse » une plus grande force dans ses applications en géométrie comme en mécanique. Ce fut l’œuvre, notamment, des frères Jacques et Jean Bernoulli, du marquis de l’Hôpital, de Pierre Varignon.
Mais l’inspiration des successeurs de Newton se tarit dans son propre pays dans la suite du XVIIIe siècle, jusqu’au renouveau en mathématique et en physique mathématique qui eut lieu vers 1820.
Quant à sa théorie de la gravitation universelle et à celle de son « Système du monde », elles ne furent pleinement acceptées et mises en œuvre qu’à partir de 1730, par Clairaut, Euler et d’Alembert, qui furent ses meilleurs continuateurs (problème des trois corps, unification de la mécanique des solides et des fluides, extension du calcul différentiel et intégral aux équations aux dérivées partielles). Les résultats de très grande précision auxquels ils parvinrent, notamment en astronomie, apparurent comme une confirmation éclatante du système newtonien, très vite soutenue et élargie par les travaux de Lagrange et de Laplace, qui développèrent la physique mathématique et la mécanique céleste dans la voie que Newton avait ouverte. Tout le XIXe siècle fut, à leur suite, marqué par les conceptions de la physique newtonienne que, seules, les théories de la relativité, restreinte et générale, puis la physique quantique devaient remettre en cause au début du XXe siècle.
Sur le plan philosophique, la postérité ne retiendra longtemps de Newton que la lecture qu’en donna le XVIIIe siècle, faisant de lui le porte-drapeau de la rationalité physico-mathématique, du contrôle de la théorie par l’expérience, de l’induction à partir des phénomènes, du rejet des hypothèses métaphysiques et des questions d’essence, ainsi que de la cosmologie créationniste du Dieu horloger, tandis que le XIXe siècle y verra l’un des précurseurs du positivisme. Tout en étant l’objet de discussions critiques (notamment de la part de Leibniz, de Berkeley, de Hume), ses conceptions sur l’espace, le temps et la causalité seront placées par Kant au centre de sa philosophie et sous-tendront tous les débats sur la philosophie de la connaissance de la fin du XIXe et de la première moitié du XXe siècle.












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