L'HORREUR DU VIDE ET LE POIDS DE L'AIR

 

Nous sommes à Florence vers 1630. Galilée, en résidence surveillée, se penche sur le fonctionnement des pompes et siphons. A cet égard, une fois n'est pas coutume, sa théorie est la même que celle du Saint Office. Les pompes aspirent de l'eau et les siphons amorcés continuent à couler car la nature a horreur du vide.

En effet, la théorie d'Aristote, soutenue par l'église catholique, prévoit que la nature est constituée de quatre éléments: la terre, l'eau, l'air et le feu. L'absence de ces éléments est donc impossible. Par exemple, une pompe ne peut aspirer l'eau que parce que la nature refuse qu'elle se vide.

Pourtant, les puisatiers de Florence sont unanimes: aucune pompe n'est capable d'aspirer de l'eau à plus de 18 coudées.Galilée se demande sérieusement pourquoi l'horreur du vide disparaît à plus de 18 brasses.

Autre chose. Son ami Baliani a essayé d'alimenter la ville de Gêne par un siphon passant au dessus d'une colline de plus de 70 pieds (circa 70 piedi geometrici, dit-il), mais ce siphon refuse de rester amorcé. Sans oser nier l'horreur du vide, Baliani pensait que le phénomène était dû au poids de l'air (ch'io ritrovai che l'aria ha peso sensibile).

Si Galilée avait été branché à Internet , il aurait su que dans les Pays Bas (qui lui avaient fourni sa fameuse lunette), un grand savant, Isaac  Beeckmann, avait déjà donné la solution dès 1618 en écrivant: L'eau élevée par succion n'est pas attirée par la force du vide mais est poussée dans l'espace vide par la force que l'air exerce sur l'eau."

Certains savants italiens s'en doutaient, mais comment expérimenter pour le prouver?

                                       INVENTER UNE LONGUE BOUTEILLE

L'air est léger, chacun en convient. Cependant ce même air exerce sur nous une force énorme. Même à notre époque, ce fait est largement inconnu ou mésestimé.

Un peu avant la mort de Galilée, deux expériences essentielles ont démontré l'existence de cette force. La première est de nos jours totalement inconnue et demande d'ailleurs beaucoup de place. La seconde dite de "Torricelli" est interdite dans les écoles car le mercure, indispensable, est assez ridiculement interdit car "mauvais pour l'environnement".

Pour se rendre compte de l'existence du poids de l'atmosphère, il suffit de faire une expérience très simple. Verser de l'eau dans un verre. Remplir compètement une bouteille et la renverser rapidement  dans le verre.

                                                                                    Bouteille

Contrairement au "bon sens", la bouteille ne se vide pas; elle reste mème totalement pleine. Il ne s'agit pas d'un tour de magie mais de l'expérience fondamentale qui démontre l'existence du poids de l'atmosphère ou si l'on préfère  de la pression atmosphérique. Aristote aurait dit que que la nature, dans son horreur du vide, empêchait l'eau de quitter la bouteille.

Ce qui se passe, c'est que l'air appuie de tout son poids sur la surface de l'eau dans le verre pour maintenir soulevée l'eau contenue dans la bouteille. En fait l'eau est littéralement plaquée contre le fond de la bouteille. Si l'on en doute, il suffit de refaire l'expérience avec une bouteille beaucoup plus longue, mais c'est fort difficile. Il suffit pourtant d'allonger démesurément le goulot. C'est  ce qu'un groupe de savants italiens réussit à faire à Rome vers 1641, il y a 370 ans.

                               A ROME: UNE DESCENTE DE GOUTTIÈRE.

Il se fait que 20 ans plus tard, un scientifique allemand, Gaspar Schott, publia  un volumineux volume Technica curiosa relatant toutes les expériences concernant le vide et le poids de l'air.  

Schott nous raconte que quatre savants se réunirent près du couvent des Minimes de Rome (au monte Pincio) pour mettre sur pied une expérience qui se voulait décisive. 

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Il s'agissait du père minime français Emmanuel Magniant, farouchement opposé à Aristote et à son horreur du vide, ainsi que du physicien italien peu connu Gasparro Berti.  

Les accompagnaient les célèbres pères jésuites Kircher et Zucchi,  partisans de l'horreur du vide pour des raisons théologiques.  

 

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 La figure ci dessous  montre fort bien, quoique avec un peu de fantaisie, qu'il s'agissait de fixer à la facade du couvent une conduite en plomb surmonté d'une sphère en verre, la jonction (en A) étant soigneusement calfatée.    

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Bien que la gravure soit explicite, un croquis est préférable pour expliquer le principe de l'expérience. 

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Le bas de la conduite, pourvue d'un robinet, trempait à son extrémité inférieur dans un tonneau rempli d'eau. 

La sphère en verre était percée d'un trou pouvait être fermé par un bouchon à vis (CD).

Ces messieurs ferment soigneusement le robinet dans le tonneau, enlèvent le bouchon à vis et emplissent complètement la conduite et la sphère, puis ferment hermétiquement le bouchon à vis.  

Ils ouvrent ensuite le robinet. Immédiatement  la sphère se vide de son eau et cette dernière disparaît dans la conduite. Le niveau de l'eau dans le tonneau augmente nettement. Ils entendent comme un bruit d'ébullition.  

Il y-a-t-il du vide?

Comme le haut de la conduite  et la sphère en verre ne contiennent plus d'eau et que de l'air n'a pu pénètrer, cet endroit est vide.   Les deux pères jésuites ne veulent pas le croire car cela est contraire à la doctrine de l'église.

Ils refont donc l'expérience en plaçant dans la sphère une sonnette pouvant être agitée de l'extérieur par un aimant. Un faible son est perceptible. Pour les jésuites, l'expérience n'est pas concluante.

Que vaut le poids de l'air?

Pour connaitre le niveau de l'eau dans la conduite, ces messieurs ferment le robinet, enlèvent le bouchon et font descendre un fil de sonde dans la conduite. Ils constatent que l'eau se trouve à 18 coudées de la surface de l'eau dans le tonneau (un peu plus de 10 mètres). Le poids de l'air est tel qu'il est capable de soulever une colonne de l'ordre de 10 mètres d'eau!   

 

                            A FLORENCE: UN TUBE DE VERRE PLEIN DE MERCURE

Quatre ans après cette expérience, Evarista Torricelli, un élève de Galilée, se rend compte qu'il faut refaire l'expérience avec un liquide plus lourd pour diminuer la hauteur. On lui suggère l'eau salée, mais il choisi carrément le mercure.  Ce dernier étant presque 14 fois plus lourd que l'eau, le niveau ne devrait atteindre que 76 cm. De plus, la conduite peut être remplacée par un tube en verre, ce qui permet d'apprécier le niveau d'un simple coup d'oeil.

L'histoire a conservé la lettre dans laquelle il annonce à son ami Michelangelo Ricci le succès de son expérience.

Capture d e cran 2014 11 01 a 22 43 05

En se référant au croquis se trouvant en haut en marge, on peut lire sous la plume de Torricelli:

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Nous avons fait de nombreux vases en verre comme ceux montrés en A et B, larges, avec des cols longs de deux coudées [due braccia] et emplis de mercure.

L’embouchure [la bocca] fut fermée par le doigt et ils furent ensuite renversés dans une cuvette dans laquelle se trouvait le mercure C.

Ensuite nous vîmes qu’un espace vide se formait et que rien ne se passait dans le vase où cet espace s’était formé. Le col resta toujours rempli en AB à la hauteur d’une coudée et 1/4 et un doigt de plus. [..all’altezza d’un braccio e ¼, et un dito di più.]    

Toricelli n'a jamais osé rendre son expérience publique pour ne pas entrer en conflit avec le Saint Office, l'aventure de son maître Galilée le poussant à la prudence.

Ricci , le destinataire de la lettre, lui écrit d'ailleurs : Je crois que vous êtes déjà assez dégoûté par l'opinion inconsidérée des théologiens et par leur habitude de mêler constamment et immédiatement les choses de Dieu aux raisonnements concernant la nature.

La première version imprimée de cette expérience ne fut faite qu'en1647 à Varsovie par un moine ennemi des jésuites.

Berti avec de l'eau et Torricelli avec du mercure ont fait coup double : ils ont démontré l'extraordinaire poids de l'air et l'existence du vide, niée en leur temps.

Pour voir cette expérience interdite, regarder la video : https://www.youtube.com/watch?v=i4oTwkS3EXM

Notons que dans son ouvrage Scott illustre fort bien l'expérience de Torricelli et le fait que le niveau du mercure ne change pas quelle que soit la dimension et l'inclinaison du tube. La quantité de mercure est évidemment exagérée.  

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                                                     Capture d e cran 2014 12 17 a 10 32 23 

 Epilogue 

De nos jours, au bulletin meteo de la TV, le poids de l'air nous est annoncé en unités barbares: millibars, hectopascals, que personne ne comprend. Pourquoi ne pas nous parler de mètres d'eau ou de millimètres de mercure?

Le pilote d'un avion ne connaît son altitude qu'en se fiant à son altimètre qui mesure le poids de l'air. Pourtant, il pense rarement au sieur Torricelli . Dommage...

 

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