ÉTUDE SUR LES MOTEURS

Par m. a. GËRARDIN,

DOCTBUB kS SCIENCES.

Le problème de Faviâtion se compose essentiellement de deux parties : la construction d*un moteur et l'application de ce moteur k un appareil mécanique convenablement disposé pour s*élever, se soutenir et se diriger dans l'air.

Je me propose d'examiner dans cette Note dans quel sens on doit diriger ses expériences et ses efforts, pour arriver à la solution du problème des moteurs légers, puissants et économiques.

Je résumerai d'abord brièvement quelques vérités qui sont acquises à la science, et je ferai voir ensuite le profit et les conclusions nouvelles que l'on peut tirer de ces vérités.

Tous les travaux des savants contemporains conduisent à la conclusion suivante :

La chaleur, la lumière, l'électricité, le magnétisme, l'action chimique et le mouvement sont des propriétés physiques corrélatives.

Ces propriétés sont dans la dépendance mutuelle ou réciproque l'une de l'autre. Aucune d'ielles, dans un sens absolu, ne peut être dite la cause essentielle des autres.

Chacune d'elles peut produire toutes les autres ou se convertir directement en elles.

Ainsi je dis qu'étant donné le mouvement, par exemple, on peut le transformer en chaleur, en lumière, en électricité, en magnétisme et en action chimique.

De même, étant donnée l'action chimique, on peut la transformer en chaleur, en lumière, en électricité, en magnétisme et eni mouvement.

Et ainsi de suite pour les autres propriétés.

En un mot, la chaleur, la lumière, l'électricité, le magnétisme, l'action chimi<)ueet le mouvement sont les diverses manifestations des forces.

C'est ce que vont prouver les exemples suivants.

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La possibilité de la transformation du mouvement en chaleur est démontrée par un grand nombre de faits.

AÎDsi, quand on appuie un frein sur une roue, le frein s'échauffe par suite du frottement. Par un martelage prolongé on obtient la fusion du plomb. L'oulil qui coupe le fer dans le tour parallèle ou dans la machine à raboter peut s'échauflTer jusqu'au rouge. Des roues mal graissées prennent feu en frottant sur l'essieu.

M. Joule {Philosophical Transactions y p. 6i, i85o) et plusieurs autres physiciens ont cherché le rapport qui existe entre le travail moteur et la chaleur engendrée par ce travail.

Toutes les expériences ont démontré que 43o kilogrammes environ, tombant de I mëtre de hauteur, peuvent élever de i degré la température de i kilogramme d'eau. On en a conclu que i calorie a pour équivalent mécanique 43o kilogrammètres.

On trouve des exemples de transformation du mouvement en électricité, dans les machines électriques de Ramsden, de Nairne et de Van Marum. La roue ou le cylindre de verre s'électrisent positivement par le frottement. Les coussins s'électrisent négativement.

Observons que deux corps qui frottent l'un contre l'autre ne s'électrisent qu'autant qu'ils n'ont pas la même composition et la même structure. Si l'on frotte l'un contre l'autre deux corps parfaitement homogènes, comme deux disques de soufre fondu, il ne se produit pas d'électrité, maiç seulement de la chaleur.

On voit ainsi pourquoi les paliers des arbres de transmission ne doivent jamais être de même métal que l'arbre. Le frottement du fer sur le fer produirait de la chaleur, et, par conséquent, une grande perte de force motrice; le frottement du fer sur le bronze produit seulement de l'électricité, et la perte du travail moteur est beaucoup diminuée.

Si l'on perce un trou dans, une pièce de fer avec un foret d'acier, si on lime du fer avec une lime d'acier, on voit que la limaille détachée vient former des houppes à l'extrémité de l'outil. L'acier devient donc magnétique par son frottement contre le fer, et, par conséquent, le mouvement peut engendrer le magnétisme.

Je ne vois pas d'exemples de transformation immédiate du mouvement eu lumière. La production de la lumière est généralement précédée d'une production de chaleur ou d'électricité. Dans les nombreuses expériences qui ont été faites sur la résistance des blindages des vaisseaux cuirassés, on a vu souvent un boulet animé d'une grande vitesse s'échauffer assez, au moment où il frappe le blindage, pour être porté au rouge et devenir lumineux. De même aussi, dans la machine électrique, l'étincelle lumineuse suit la production de l'électricité engendrée par le mouvement.

Le mouvement favorise les actions chimiques. Quel est le chimiste qui n'a pas eu l'occasion d'observer les effets d'une vive agitation sur les corps qu'il veut combiner? Et si nous voulons prendre un exemple parmi les faits plus connus de tout

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le monde, qui n'a pas vu le beurre se séparer du lait par un battage continu dans la baratte?

La chaleur peut se transformer en mouvement. Sous Tinfluence de la chaleur, tous les corps se dilatent; leurs molécules s'écartent les unes des autres, comme si la chaleur faisait naître une force répulsive entre elles. Fresnel {Annotes de Chimie et de Physique^ i"* série, t. XXIX, p. 67 et 107 ) a vu que des corps mobiles chaufles dans un récipient vide se repoussent Fun Tautre k des distances sensibles. On a contesté ce fait. Il est pourtant certain, et nous pouvons le prouver par les anneaux colorés de Newton, qui changent de diamètre et de position lorsqu'on chaufTe les verres entre lesquels ils se montrent. Les changements qu'ils éprouvent indiquent que les deux verres se repoussent l'un l'autre.

La dilatation des liquides et des gaz a pour effet de diminuer leur densité. Si à l'action de la chaleur on joint l'action de la pesanteur, on obtient des phénomènes de mouvement extrêmement remarquables, parmi lesquels on peut citer le tirage des cheminées, la circulation de l'eau chaude dans les appareils de chauffage de Duvoir, les brises et les vents alizés, et le grand courant, appelé gujf-stream, qui traverse obliquement tout l'océan Atlantique de l'équateur au pôle.

La pile thermo-électrique de Melloni montre que la chaleur peut engendrer l'électricité. Elle est formée de barreaux alternatifs de bismuth et d'antimoine. Si les soudures de rang pair ne sont pas à la même température que les soudures de rang impair, un courant électrique traverse le système de tous ces barreaux.

Nous pouvons joindre a cet exemple celui de la tourmaline. Depuis un temps immémorial les habitants de l'ile de Ceylan avaient remarqué qu'une pierre verdâtre, transparente, ayant la forme d'un long prisme, acquérait en s'échaufTant la propriété d'attirer les cendres du foyer, et de la ils lui avaient donné le nom de toumamal (attire-cendres), d'où vient le nom de tourmaline.

La chaleur peut produire de la lumière. Vers 600 degrés tous les corps deviennent lumineux, et les travaux si estimés de MM. Desains et de la Provostaye ont fait voir la parfaite analogie qui existe entre les phénomènes calorifiques et leâ phénomènes lumineux.

La chaleur détermine les actions chimiques. Sine igné nihil operamur^ disaient les anciens chimistes. Ce vieil adage est encore notre règle. Presque toutes les réactions chimiques se produisent sous l'influence de la chaleur, et les travaux récents de M. Deville sur la dissociation des corps composés ont donné une grande importance aux températures élevées.

L'électricité engendre le mouvement. Ce sont les phénomènes d'attraction et de répulsion qui ont fait découvrir l'électricité. Les convulsions de la grenouille récemment sacrifiée ont conduit Galvani à la découverte de l'électricité dynamique.

Il y a quelques années on a appliqué la pile sèche, découverte par Zamboni en 181 2, à faire tourner de petits manèges. Le mouvement de ces curieux appareils , pouvait durer plusieurs années.

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Les sources puissantes d'électricité peuvent produire les effets mécaniques les plus énergiques. Ainsi, M. RuhmkorfT, au moyen de ses bobines d*induction, a percé des cubes de verre de plusieurs centimètres d'épaisseur.

L'électricité peut devenir chaleur. Quand on fait passer une étincelle électrique au travers d'un fil fin, ce fil peut être fondu et volatilisé. Si on remplace le fil par une feuille d'or, cette feuille peut être volatilisée. C'est ainsi que Ton fhit l'expérience connue sous le nom de portrait de Franklin.

Les courants électriques produisent des effets semblables. Entre deux supports on place des fils métalliques de différentes grosseurs, et on les fait traverser successivement par un courant électrique énergique. Un gros fil s'échaufPe peu. Un fil moins gros s*échauffe assez pour enflammer la poudre*coton. Un fil plus fin est porté au rouge. Un fil très-fin est fondu et volatilisé.

L'électricité engendre la lumière. Les étincelles électriques, les éclairs sont des preuves évidentes de cette transformation. Au moyen d'une pile de 5o éléments, on peut obtenir la lumière électrique dont l'éclat est comparable k celui du soleil. En remplaçant la pile par des appareils d'induction, on donne à la lumière électrique une assez grande fixité pour pouvoir l'employer dans les phares. Une expérience dans ce sens se continue depuis plusieurs mois, avec un plein succès, au phare de la Hève.

Les tubes lumineux de Geissler sont un exemple remarquable de lumière électrique obtenue avec une dépense extrêmement minime.

Le magnétisme se produit par l'influence de l'électricité. On enroule un fil conducteur sur un barreau de fer doux. Ce fer doux s'aimanle dès que le fil est traversé par un courant électrique. Un pôle austral se produit à la gauche d'un observateur placé dans le sens du courant, les pieds dirigés vers le pôle positif, la tète vers le pôle négatif, la face tournée vers te fer. On construit ainsi des électro-aimants d'une certaine puissance. La télégraphie électrique en est une application industrielle.

Le rapport de la force magnétique produite au courant électrique qui Ta engendrée est encore inconnu. Les données du problème sont si multiples et si variables, qu'il est difficile d'arriver à un résultat définitif. Les dimensions relatives du fil et du fer, le degré de trempe et de dureté du fer, la proportion de sa longueur à son diamètre, Técartement des branches, le nombre de tours du fil, le pouvoir conducteur de ce fil, le mode d'enroulement, le degré de constance de la pile, etc., rendent très-difficile l'interprétation des expériences.

Les actions chimiques peuvent engendrer la chaleur et la lumière. On répète dans tous les cours les expériences si connues de la combustion de Thydrogène, du charbon, du soufre, du phosphore et du fer dans l'oxygène; du plomb, du fer, du cuivre dans le soufre; du phosphore, de l'arsenic, de l'antimoine, de l'hydrogène dans le chlore; du sodium dans le brome, etc.

Les actions chimiques produisent de l'électricité. Les effets de toutes les piles

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sont directement proportionnels a Ténergie des actions chimiques qui se produisent dans la pile. Ainsi, un seul élément de Daniell ne peut pas décomposer Teau, parce que dans la pile de Daniell le travail moteur est égal à i8, et que la décomposition de l'eau exige un travail égal à 34. Un seul élément de Bunsen décompose l'eau, parce que le travail moteur y est égal a 45, nombre supérieur a 34-

La galvanoplastie est une application industrielle de l'électricité transformée en action chimique.

Les exemples qui précèdent, et dont on pourrait multiplier prodigieusement le nombre, montrent suffisamment qu'étant donnée la force sous l'une quelconque des formes qu'elle peut revêtir, on peut toujours la transformer, c'est-k-dire qu'étant donnés le mouvement, la chaleur, l'électricité, le magnétisme, l'action chimique, la lumière, on peut reproduire du mouvement, de la chaleur, de la lumière, de l'électricité, du magnétisme et des actions chimiques.

Dans certains cas, on est obligé de faire intervenir deux ou plusieurs de ces causes pour produire une transformation.

Ainsi, dans les appareils d'induction, il faut l'action simultanée du mouvement et du magnétisme pour produire des courants électriques.

De même, l'action simultanée du magnétisme et de l'électricité peut produire du mouvement, comme on le voit dans les expériences de Faraday de la rotation d'un aimant sous l'influence d'un courant, et de la rotation d'un courant sous l'influence d'un aimant.

Et, réciproquement, étant donnée la force sous Tune quelconque de ses formes, on peut produire simultanément plusieurs transformations.

Une expérience curieuse de Grove montre la possibilité de les reproduire toutes. Une plaque daguerrienne préparée est enfermée dans une boite remplie d'eau et fermée par un écran mobile. Au-dessus de la plaque est un grillage de fils d'argent. La plaque est en contact avec l'une des extrémités du fil d'un galvanomètre, et le grillage avec l'extrémité d'un thermomètre métallique de Bréguet. Les extrémités restantes du fil du galvanomètre et de l'hélice thermométrique sont unies par uû fil conducteur. Les aiguilles du galvanomètre et du thermomètre sont amenées à zéro.

Aussitôt qu'on enlève l'écran et qu'un rayon de lumière trouve accès sur la plaque, les aiguilles se dévient.

Ainsi, en prenant la lumière pour force initiale, nous avons sur la plaque daguerrienne une action chimique, dans les fils d'argent de Vélectricitë circulant sous forme de courant, dans la bobine du galvanomètre du magnéUsmey dans l'hélice de la chaleur, dans les aiguilles du mouvement.

Tous ces faits conduisent à cette conclusion : il en est des forces comme de la matière; dans la nature, rien ne se crée, rien ne se perd; il n'y a que des transformations. La force ne peut pas être anéantie.

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Ainsi, balançons un instant notre main; le mouvement, qui a cessé en apparence, est repris par l'air; de Tair, il passe dans les murs de la chambre, etc.,..., et par des ondes, tour a tour directes ou répercutées, il va se fractionnant, mais sans être jamais détruit. Il est vrai que, jusqu'à un certain point, nous manquons de moyens pour découvrir le mouvement après ses subdivisions si ténues, qui défient nos moyens d'appréciation les plus délicats; mais nous pouvons étendre indéfiniment notre aptitude à le discerner lorsque nous le limitons convenablement dans sa direction, et que nous augmentons la délicatesse de nos méthodes d'analyse. Ainsi, quand nous remuons la main dans une masse d'air indéfinie, le mouvement communiqué à Tair n'est pas sensible pour une personne placée à quelques décimètres de distance; mais, si un piston de même surface que la main est poussé avec la même rapidité dans un tube, la bouffée d'air à l'orifice du tube sera sentie distinctement à quelques mètres de distance. Il n'y a pas, dans le second cas, une plus grande quantité de mouvement que dans le premier; mais, parce que la direction du mouvement est restreinte, les moyens dont nous nous servons pour le découvrir sont plus efficaces.

En la restreignant encore plus, comme dans le fusil à vent, nous acquérons le pouvoir de découvrir le mouvement et de mouvoir d'autres corps a une bien plus grande distance (Grove, Corrélation des forces physiques^ traduit par Séguin, i856). On peut demander ce qu'il advient de la force lorsque le mouvement est arrêté ou empêché. La force devient alors chaleur, électricité, lumière, etc.... Ainsi, dans une usine, la chaleur dégagée par le travail des outils, le frottement des arbres sur les paliers, doit représenter à très-peu près la chaleur que la vapeur a perdue en mettant en mouvement le piston de la machine à vapeur.

La chaleur et la lumière sont indispensables à la végétation. Il est probable que l'arbre, en brûlant dans nos foyers, nous restitue une quantité de chaleur et de lumière égale à celle qu'il a reçue pendant sa vie. Ces conclusions tirent un grand degré de probabilité des expériences de M. Deville sur la dissociation. Cet éminent chimiste a démontré, en effet, qu'un corps composé exige pour se dissocier autant de chaleur qu'il en dégage au moment de la combinaison de ses éléments. Ces faits présentent de grandes analogies avec les absorptions et les dégagements de chaleur latente qui accompagnent les changements d'état des corps.

S'il est une vérité incontestable en mécanique, c'est que la multiplication du travail est impossible.

C'est-à-dire que l'effet ne peut jamais être supérieur à la cause qui lui a donné naissance.

En d'autres termes, un poids de loo kilogrammes tombant de i mètre de hauteur dans un certain temps ne pourra jamais élever ici kilogrammes à la même hauteur dans le même temps.

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Si on augmente la résistance, on doit diminuer le chemin parcouru; si on diminue la résistance, on doit augmenter le chemin parcouru.

Ou, comme on le dit souvent, on perd en force ce que Ton gagne en vitesse.

Mais nous venons de voir que le mouvement, la chaleur, l'électricité, la lumière, le magnétisme et l'action chimique sont des propriétés physiques corrélatives.

Je peux donc leur appliquer la loi formulée pour le cas du mouvement seulement.

Et j'en conclus ce principe : Ce que l'on gagne en chaleur se perd en lumière et en électricité, ce que l'on gagne en lumière se perd en chaleur et en électricité, ce que l'on gagne en électricité se perd en chaleur et en lumière; car la somme des effets produits ne peut jamais être supérieure à la cause qui leur a donné naissance.

Quelques faits bien connus viennent prouver l'exactitude de cette hypothèse.

Ainsi, une flamme très-éclairante donne peu de chaleur. En y dirigeant le jet du chalumeau, la température s'élève beaucoup et l'éclat de la flamme disparait.

Dans la verrerie de Glichy, M. Maës a eu l'idée très-rationnelle de substituer la combustion des gaz inflammables a la combustion du bois ou du coke; les fours ont perdu beaucoup de leur éclat, leurs parois seules sont lumineuses, et la chaleur produite est telle, qu'on est obligé à la plus active surveillance pour éviter la fusion des creusets.

Quand les flls d'un électro-aimant viennent à s'échauffer, le magnétisme disparaît presque complètement. On pourrait objecter l'expérience connue d'un aimant qui se désaimante quand on le chauffe. Mais observons qu'un barreau aimanté ne se désaimante que vers la température rouge, et que les électro-aimants sont bien éloignés de cette température. Il y a eu» dans ce cas, production de chaleur au détriment de l'électricité.

Et, en effet, on peut observer facilement qu'une pile qui s'échauffe donne bien moins d'électricité que quand sa température reste basse.

Voici une expérience inédite très-curieuse qui vient démontrer l'exactitude de mon hypothèse. Les fils conducteurs d'une pile sont mis au contact; la boussole des tangentes donne l'intensité du courant. On réunit les deux fils par un fil fin; ce fil rougit; l'intensité du courant accusée par la boussole diminue. On enlève le fil fin, on rapproche les deux conducteurs. Le courant devrait retrouver de suite son intensité primitive, puisque la résistance n'existe plus; il n'en est rien : il faut attendre souvent plus de dix minutes avant que le courant ait retrouvé son intensité première. Il me semble que ce fait est dû k ce que la résistance du fil fin a transformé en chaleur une partie de l'électricité. Sous cette influence, la pile s'est échauffée, circonstance défavorable a la production de l'électricité; il faut attendre que la pile soit refroidie pour qu'elle reprenne son intensité.

Si l'hypothèse que je viens de formuler est vraie, l'insuccès des recherches ayant pour but de faire de nos foyers des sources d'électricité est facile à prévoir, L'ac-

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tion chimique de la combustion du charbon dans Toxygëne engendre de la chaleur et de la lumière au détriment de Télectricité. Toute- combustion vive produira le même effet.

En prenant pour point de départ de ces recherches ce principe, que Teffet ne peut être supérieur à la cause qui l'a engendré, et que la cause et les effets peu* vent se manifester sous différentes formes, on voit un grand nombre de faits s'éclairer d'un jour tout nouveau.

Ainsi, pourquoi Ampère et Arago n'ont-ils pas découvert les courants d'induction, après avoir démontré que les solénoides sont assimilables aux aimants? C'est qu'ils présumaient probablement que ces courants étaient constants et non pas instantanés, comme Faraday a eu la gloire de le découvrir un peu plus tard. Ils auraient pu voir que le magnétisme engendré par un courant d'une intensité déterminée, agissant pendant un temps infiniment court, ne peut reproduire un courant continu qu'autant que l'intensité de ce courant serait infiniment petite. Sans quoi, l'effet produit par l'aimant serait plus grand que la cause qui lui a donné naissance ; il y aurait multiplication du travail, et le mouvement perpétuel deviendrait possible.

Pour résoudre le problème de la construction des moteurs puissants et économiques, il faut examiner sous quelle forme il convient de chercher la force, et par quel moyen on peut le plus simplement la transformer en mouvement.

La forme la plus avantageuse serait certainement le mouvement. Rien de plus simple que de transformer le mouvement en un autre mouvement. Il suffit d'atténuer le plus possible les causes de perte de travail, c'est-k-dire les chocs, les frottements, l'ébranlement des supports, la résistance du milieu, pour que le rendement pratique s'approche beaucoup du rendement théorique. C'est ainsi que dans les récepteurs hydrauliques, quand l'eau y entre avec une vitesse très-petite et en sort avec une vitesse très-petite, le récepteur, soumis h l'action seule de la pesanteur, donne un rendement égal à 80 pour 100; c'est-k-dire que 100 kilogrammes d'eau, tombant de i mètre de hauteur sur le récepteur, peuvent élever dans le même temps 80 kilogrammes d'eau à 1 mètre de hauteur. . Dans les moulins à vent, dans les navires à voiles, on utilise de même le mouvement de l'air pour produire le mouvement des meules ou la progression du navire.

Mais ces procédés, essentiellement économiques, ne peuvent s'appliquer que dans un petit nombre de cas.

Peut-on employer, comme source de force, la chaleur, l'électricité, la lumière ou le magnétisme, tels que la nature nous les offre? Je ne le pense pas. D'abord nous ne pouvons pas en recueillir d'assez grandes quantités, et, en second lieu, leur transformation en mouvement présente de graves difficultés.