PESANTEUR HYDROSTATIQUE ~ PNEUMATIQUE - HYDRODYNAMIQUE

SCIEHCES PHYSIQUES ET SCIEHCES HATURELLES — Le mot

pbyêique \ieni du grec fwïiç (nature). Au point de vue étymologique les mots sciences physiques et sciences naturelles ont donc la même signiiication. En effet, ces deux ordres de sciences s'occupent des phénomènes présentés par la nature, mais elles le font à des points de vue différents.

Les sciences physiques étudient les phénomènes généraux et aussi les phénomènes particuliers présentés par les divers corps, mais sans se préoccuper de la manière dont coux-ci sont associés dans la nature. L'étude de leur groupement naturel, et en particulier de la façon dont ils sont organisés dans les êtres vivants (plantes et animaux), ainsi que des phénomènes, qui dépendent essentiellement de cette organisation, est le propre des sciences naturelles. *

Ajoutons immédiatement qu'il est impossible de fixer une ligne de démarcation bien nette entre ces deux ordres de sciences. Toutes les connaissances, que l'homme a pu acquérir sur les phénomènes naturels, se lient entre elles d*une façon étroite, et c'est uniquement pour mettre de Tordre dans leur

étude que ces divisions ont été imaginées, ainsi que celles dont il nous reste à parler.

PHYSIQUE ET CHIMIE. — Les* sciences physiques se divisent en deux sciences principales : la Physique proprement dite et la Chimie, que nous définirons de la manière suivante.

La Physique est Télude des forces naturelles, des causes de ces forces, de leurs effets et, par conséquent, des phénomènes généraux présentés par tous les corps ou par toute une classe de corps.

La Chimie est Tétude des propriétés particulières à chaque corps homogène, de la composition de ces corps, de la manière dont ils se comportent en présence les uns des autres, des produits auxquels leurs réactions mutuelles donnent naissance.

Par exemple, la pesanteur, la chaleur, la lumière, phéno* mènes communs à tous les corps seront étudiés en Physique ; tandis que la Chimie étudiera en particulier le fer, le soufre, l'eau, etc., et nous fera connaître comment ces corps réagissent les uns sur les autres.

MtnODES DBS SCIENCES PHYSIQUES ST NATURELLES. — La première méthode employée par l'homme, pour arriver à la connaissance des phénomènes que nous présente la nature, fut Vob- RervaiioD, et c*est encore la seule méthode applicable dans certains cas, par exemple dans l'étude du ciel.

Dans une observation vraiment scientiflque, on doit porter son attention sur toutes les parties du phénomène qu'on étudie, pour tâcher de trouver entre elles quoique relation simple et surtout constante ; sans quoi l'observation est sans profit pour la science. Ainsi dans les observations astronomiques, on note aussi exactement que possible la position d'un astre dans le ciel à des époques déterminées. Ces obser\'ations faites déjà dans l'antiquité et continuées jusqu'à nos jours, où elles ont atteint un haut degré de perfection, grâce à l'emploi de puissantes luneUes et d'instruments de précision, nous ont fait connaître la marche des astres. Elles nous permettent de prédire à coup sûr la position qu*aura l'un deux à telle époque déterminée, quand aura lieu une éclipse de soleil ou de lune, et, comme

INTaiODUCTiON d

résullat plus directement utile, elles ont dpané le moyen au navigateur de retrouver sa route sur rjUnmensité des mers.

Mais il est une autre méthode d^investigation plus parfaite que la précédente et souvent applicable, c*est Vexpérieuee. Faire une expérience consiste à provoquer le phénomène que l'on veut étudier» au lieu d'attendre qu'il se présente à Tobservateur. On est maître alors des circonstances daqs lesquelles il se produit. Dans un phénomène qui a lieu naturellement» et sur lequel Thomme n'exerce aucune inHuence, les causes sont souvent multiples, et il n'est pas toijyours facile de démêler Veffet propre è ohi\cune d'elles. L'expérience permet d'isoler ces différentes causes, en n'en faisant agir qu'une ou un petit nombre à la fois, et, par là, d'arriver plus aisément à connaître leurs effets.

Un exemple fera mieux ressortir les avantages de l'expérience sur l'observation. Supposons que, voulant étudier la chute des corps» nqiis soyons forcés de rester spectateur passif du phénomène. Que nous apprendra l'observation la plus attentive 1 Tout au plus constaterons-nous que la plupart des corps tombent en ligne droite et dans une direction perpendiculaire è la surface des eaux tranquilles; et encore cette remarque souffhra-t-elle de nombreuses exceptions : si un fruit, se détachant d'un arbre, gagne )e soi en ligne droite, une feuille n'y arrive généralement qu'après une série de zigzags.

Au contraire, faisons une expérience, provoquons le phénomène, faisons tomber un corps. Nous pouvons d'abord nous mettre à l'abri du vent, qui a une influence évidente sur la direction de la chute des corps légers, et nous constatero^ks qu'un bien plus grand nombre de corps tombent en ligne droite. D'ailleurs il nous apparaît oUirement que deux causes agissent simultanément dans la chute d'un corps à travers Tair : i"* une sorte d'attraction exercée par la terre sur le corps, et qui produit la chute ; 8^ une résistance qu'oppose Tair à ce mouvemeqt, et dont l'influence se fait surtout sentir sur les corps légers et à large surface. Si nous voulons étudier l'effet de la première cf^use, que faudra-t-il faire? Éliminer la seconde. Nous sommes amenés ainsi à faire tomber des corps dans un long tube vertical dont l'air a été retiré à l'aide de la machine pneumatique.

Nous voyons alors que, non seulement tous ces corps tombent en ligne droite, suivant la direction du fil a plomb, mais encore, fait plus inattendu, que tous tombent également vite^ qu'ils soient lourds ou légei*s, que ce soit une balle de plomb ou le duvet qui se balance auvent. Ainsi Tattraction exercée' par la terre produit le même effet sur tous les corps. Voilà ce que la simple observation d'un phénomène sur lequel Thomme n'aurait pas fait agir son intelligente intervention ne lui aurait jamais appris.

Nous voyons aussi, par cet exemple, l'utilité des instruments dans les sciences expérimentales : un long tube en cristal et une machine pneumatique ont été nécessaires pour réaliser cette célèbre expérience do Newton.

Une fois que, par l'expérience ou par l'observation, on a pris connaissance d'un phénomène (ou d'une classe de phénomènes), on essaye d'indiquer les relations qui existent entre ses divers éléments par un énoncé simple, qui doit résumer l'ensemble des résultats obtenus, et qui est destiné à les remplacer : un pareil énoncé s'appelle une loi.

Une loi doit être une règle sans exception^ à laquelle doivent obéir tous les phénomènes visés par elle, sans quoi la loi est fausse, mauvaise ou trop restreinte, et doit être remplacée par une autre. La possibilité de résumer les résultats obtenus par une loi provient de ce que, si les effets de causes multiples sont parfois complexes, l'effet d'une cause unique est toujours simple. Comme exemple de lois, nous allons donner celles auxquelles a conduit l'observation du mouvement des planètes, et qui ont été énoncées par Kepler.

Les planètes décrivent autour du soleil des courbes planes^ qui sont des ellipses dont cet astre occupe Tun des foyers.

Les aires décrites par un rayon vecteur mené du centre du soleil au centre de la planète sont proportionnelles aux temps, ''Les carrés des temps de révolutions sont proportionnels aux cubes des grands axes des orbites.

Très souvent, surtout en Physique, une loi est une relation entre les valeurs numériques des grandeurs de diverses natures, qui entrent en jeu dans le phénomène ; son énoncé peut alors être remplacé par une formule algébrique. Cette formule

exprime la loi d'une façon plus brève et plus commode pour les applications. Ainsi, nous verrons dans Tétude de la pesanteur que c quand un corps tombe en chute libre^ sans vitesse initiale^ les vitesses acquises sont proportionnelles aux durées de chute. » Cette loi, qui est une relation entre deux grandeurs la vitesse ei le temps f peut se remplacer par la formule

V = gt

où V représente le nombre indiquant la valeur de la vitesse, t le nombre de secondes qu'a duré la cbute et g une quantité constante, qui est la vitesse acquise au bout de la première seconde de chute. Cette formule représente bien la loi énoncée ci-dessus, puisque, si le nombre de secondes représenté par t devient deux, trois. •• dix... cent fois plus grand, la valeur t; de la vitesse devient double, triple. .. décuple... centuple.

Ce n*est pas là, du reste, le seul rôle des mathématiques dans les sciences physiques. Le calcul algébrique ou, plus généralement, l'analyse mathématique est un mode de raisonnement net, infaillible, si l'on se conforme exactement aux règles établies, et qui permet de déduire d'une ou de plusieurs lois des conséquences qui présenteront le même degré de rigueur que ces lois elles-mêmes. Ainsi, de la loi précédente sur la chute des corps (résumée dans la formule t; = gt) on déduit par l'analyse mathématique la formule

dans laquelle g ei t ont la même signification que ci-dessus, où e est la hauteur dont le corps est tombé pendant le temps t, et qui nous apprend que c les espaces sont proportionnels aux carrés des temps employés à les parcourir », ce que justifie du reste l'expérience directe.

A la rigueur, les sciences physiques ou naturelles pourraient se borner à trouver les lois des phénomènes, car, ces lois connues, l'homme est bien souvent maître du phénomène luimême, et capable de le produire à volonté, avec tel caractèrOiOU

dans telles circonstances qu'il le désire. Mais la curiosité inhérente à l'esprit humain le pousse non seulement à oonnaitre les effets des causes, mais encore â remonter des effets visibles aux causes invisibles, problème inverse, généralement beauooiqi plus difficfle, et dont la eotution nous édiappe le plus soureni.

Quand la cause reste cachée, on en est réduità ftiire des suppositions ou hypothèses sur sa nature. Ces hypothèses, qui autrefois abondaient dans la science, tendent à disparaître de plus en plus de nos jours, où le savant, ami de la vérité avant tout, préfère avouer son ignorance sur un point, que de se faire ilhisien avec les conceptions de son imagîmtion. Pourtant, certaines hypothèses ont de la valeur, et méritent d'être conservées, m moîM à titre provisoire. Une hypothèse est utile quand elle exfrfique logiquement une classe de phénomènes, et permet d'en retrouver par le raisonnement les détails qui peuvent échapper k la mémoire; die est uUle surtout quand elle prédit l'existence de phénomènes jusqu'alors inconnus, et que {expérience justifie ces prévisions.

Une hypothèse qui n*est en contradietîefi avec aucun phénomène connu, qui a fait prévoir des phénomènes nouveaux, et qui, enfin, apparaît seule comme plausible, a beaucoup de dhances pour être Texpresslon même de la vérité.

Un exemple fera mieux comprendre les caractères d'une bonne hypothèse. Dès que l'homme a tourné son intelligenoe vers rétude des phénomènes naturels, il s'est demandé ce qu'était la lumière. Les philosophes de l'antiquité ont fait à cet égard deux hypothèses, qui ont vécu parallèlement jusqu'à la première moitié de ce siècle. Dans Tune, dite de Yémission, les corps lumineux émettraient des corpuscules extrêmement ténus, qui se mouveratent en tigne droite avec rapidité, traversant les corps transparents, rebondissant sur les corps opaques, et qui, pénétrant dans l'œil, produiraient, par leur choc sur la rétine, la sensation de lumière. Dans la seconde, celle des ondulations^ un corps lumineux serait dans un état vibratoire; ses vibrations se transmettraient à un milieu subtil, sorte de fluide, qui entourerait et imbiberait tous les corps, Véther, comme l'ébranlement causé par la chute d'une pierre, se transmet à la surface de l'eau tranquille. Ce seraient ees vibrations, qui, arrivant à l'œil ^

produiraient Texcitalioa du nerf optique. Voilà deux hypothèses opposées: si i*une est extcte, l'autre est certainement fausse, et elles pourraient n'être justes ni Tune ni l'autre, quoiqu'il soit fort difBiûle d'imaginer une troisième supposition admissible. Toutes les deux rendent bien compte de la propagation de la lumière en ligne droite et du phénomène de la réflexion; mais d^à, pour expUiopier la réfraction de la lumière, dans l'hypothèse de l'émission, il faut admettre que la vitesse de cello-ci est plus grande dans l'eau q«e dans l'air, tandis que, dans l'hypothâse des cmdulations, il fiaut faire la supposition inverse. Or, de nos jours, Foucault a mesuré directement la vitesse de la lumière daas l'air et dans l'eau, et a trouvé qu'elle était plus grande dans le gae que dans le liquide. Cette seule raison aurait sufK à faire nejetjMr l'hypothèse de l'émissioe. Mais toute une classe de phéttomèoes, découverts dans le commencement de ce siècle, (phénomènes d'interférence et de difTraclion) restent inexplicables par eetie hy^thèse, tandis qu'ils s'expliquent aisément et même devaient se prévoir par celle des ondulations. Si nous ajoutons que celle-ci rend compte de tous les phénomènes connus jusque daas leurs moixMlres détails, qu'elle en a fait prévoir plusieurs dont rexpérieace a montré après coup l'existence, qu*elle n'est en contradiction avec aucun fait connu, enfin, qu'elle apparaît seule comme plausible, on reconnaîtra que rhypotbèse des ondulations a beaucoup de chance ppur être l'expression même de la vérité, quoique nous n'en soyons pas absolument assurés

L'ensemble des lois ou des hypothèses sur un même sujet et des conséquences qu'on peut en déduire constitue une théorie (*) (théorie des ondulations , théorie de l'attraction universelle, etc.). Si une théorie ne s'appuie que sur des lois expérimentales, elle présente le même degré de rigueur que ces lois elles-mêmes; si elle renferme des hypothèses, sa valeur est subordonnée à la valeur de ces hypothèses.

(1) En physique le mot théorie est souvent employé encore dans lo sens d^xplicatlon. C'est ainsi que l'explication d'un phénomène, l'explication de la marche d'un appareil porte le nom de théorie (théorie de l'arc-cn-ciel, théorie de la machine pneumatique, etc...).

DIVISION DE LA PHYSIQUE. — La pliysique embrasse des sigets assez divers pour qu*il y ait intérêt a en diviser I*étude.

Le mouvement et les effets des forces, abstraction faite do leur nature, ou des causes qui les produisent, forment une première partie désignée sous le nom de Mécanique,

Depuis longtemps la mécanique a conquis par Tobservation ou par l'expérience, un petit nombre de lois fondamentales, qui permettent maintenant d'en déduire quels seront les effets de forces données agissant dans des circonstances connues, sans qu'on soit obligé pour cela de recourir à de nouvelles expériences; elle est devenue par là une science rationnelle. Quoiqu'il ne soit plus d'usage d'exposer la mécanique en tète d'un traité de physique (ce qui serait sa véritable place), il nous a paru indispensable de donner ici quelques notions précises sur le travail mécanique, la force vive et l'énergie ; c'est ce qui fera l'objet du premier livre.

Ensuite, sous le nom de Pesanteur nous étudierons la propriété qu'a la matière d'être pesante.

V Hydrostatique et la Pneumatique nous feront connaître les conditions d'écfuilibre des fluides (liquides et gaz) et Vllydrodynamique fera l'étude de leur mouvement.

Les phénomènes de Chaleur, de Lumière, de Son, d'Électricité et de Magnétisme seront ensuite exposés dans les livres portant les noms de Chaleur^ Optique, Acoustique^ Électricité et Magnétisme.