EFFETS DES FORCES

De l'espace et du temps.

V3. Vespace est l'étendue indéfinie, sans bornes, qui contient tous les corps, cl dont chacun occupe, une partie plus ou moins considérable qu'on nomme son volume^ son étendue ei quelquefois sa capacité.

On nomme souvent aussi espace le volume, l'aire superficielle d*un corps, ou la distance, l'intervalle compris enin deux corps; mais alors on considère ces étendues comnM occupant une certaine portion de l'espace absolu^ ce qui m présente point d'équivoque.

il. Temps^ mesure du temps, — On conçoit un temps plu loui: ou plus court qu'un temps donné; le temps

PBINCIPBS FONDAMENTAUX. 4^

grandeur; il est susceptible d'êire mesuré comme les lignes, les aires el les volumes. — Pour mesurer un temps quelconque, il ne s'agit que d'obtenir des temps égaux, et qui se succèdent sans discontinuité. En tombant d'une certaine hauteur, sur un plan de niveau, un même corps emploie toujours le même temps; il en est encore ainsi de corps égaux tombant de la même hauteur. Supposez qu'aussitôt que le corps est arrivé sur le plan, un autre corps égal soit lâché du même point, et successivement un troisième, un quatrième, etc., vous aurez une suite de temps égaux, et leur somme sera le temps total. En représentant par i, ou prenant pour unité l'un de ces temps égaux, vous pourrez exprimer un temps quelconque au moyen d'un nombre; en y joignant le nom de l'unité, vous aurez l'expression complète de ce temps.

La clepsydre des anciens, nommée ordinairement sablier, offre un moyen plus commode d'obtenir des temps égaux ou d'égale durée, par l'écoulement de l'eau ou de sable fin qui se vide successivement d'un vase dans un autre (vojrez PL I, fis* ^}- ~ ^^^ pendules, les horloges et les montres aujourd'hui en usage sont des instruments encore plus commodes et surtout plus précis.

45. Division, représentation géométrique du temps. — La fraction la plus petite du temps que donnent les pendules et les montres ordinaires, est la seconde : 60 secondes, qu'on écrit ainsi So'^, font une minute ou 1'; 60' font une heure ou i^; a4'' font 1 jour; enfin Vannée complète, ou le temps compris entre deux retours successifs du Soleil et de la Terre aux mêmes positions relatives, est de 365J5^43'^o^ environ, ou 3i 556930''. — M. Breguet est parvenu à faire des montres qui ne varient pas d'une demi-seconde dans une année; certaines montres, appelées chronomètres, donnent jusqu'aux dixièmes de seconde.

Ainsi nous pouvons compter le nombre d'heures, de minutes, de secondes, etc., écoulées entre deux instants quelconques, avec autant de précision et de facilité que nous comptons le nombre de mètres, de décimètres, etc., contenus dans une longueur ou distance. — Nous pouvons même représenter les temps par des lignes en portant, sur une droite

44 MÊCAXIQUB INDUSTRIELLE.

et à partir d'un même point, autant de distances égales qu'il y a d'unités de temps dans chacun d'eux. Voyez PU /»/gf. 9. l'exemple d'une échelle AB propre à donner immédiatement la mesure d'un certain nombre de secondes représentées ici par des millimètres.

Repos y mouvement y vitesse, inertie.

46. Un corps est en repos quand il reste au même lieu de l'espace ; il n'est peut-être dans Tunivers aucun corps qui soit absolument en repos; et, comme tout démontre que notre globe tourne sans cesse sur lui-même et autour du Soleil, rien n'y possède un repos absolu. Le repos n*est donc que relatif: un corps est en repos, pour nous, quand il conserve la même position par rapport à ceux que nous regardons comme fixes. — Un corps qui reste à la même place, dansas bateau, est en repos, par rapport à ce bateau, quoiqu'il soit réellement en mouvement par rapport aux rives.

Un corps est en momement quand il occupe successivement diverses positions dans l'espace : le mouvement est relatif comme le repos. Un corps est en mouvement, pour nous, quand il change de place par rapport à ceux que nous considérons comme fixes.

Le mouvement est essentiellement continu, c'est-a-dire qu'un corps ne peut passer d'une position à une autre sans avoir occupé une série de positions intermédiaires; ainsi le mouvement d'un point décrit une ligne nécessairement con^ tinue. Quand on parle vaguement du chemin décrit par un corps, on entend essentiellement celui d'un certain point Ué à ce corps, et dont la position indique celle du corps : par exemple, pour une boule sphérique, pour un cube, pour un cylindre, ce sera le centre de Ggure, etc.

47. Distinction des mouK'ements» vitesse. — Le mouvement d'un point est dit rectilifine ou curK-iligne^ selon que le chemin qu'il dôcrii est une droite ou une courbe. Quand le mouvement est cuniligne, on peut le considérer comme ayant lieu sur un iîol\:;one rectilicne dont les côtés, excessivement petits, se confondraient sensiblement avec la courbe. Les

PBINGIPBS FONDAMENTAUX. 4^

:ôlés successivement parcourus et prolongés indéfiniment, |ui sont des tangentes véritables de la courbe, indiquent les ]irectîons correspondantes du mouvement.

Concevons que le temps total» employé par un point pour parvenir d'une position à une autre, soit divisé en un f,Tand nombre de parties égales et extrêmement petites, par exemple en millièmes ou en millionièmes de seconde. Cela posé, si les portions de chemin successivement décrites dans ces diverses parties du temps sont égales entre elles, le mouvement sera régulier ou uniforme. S'il en est autrement, h» mouvement sera varié. Il sera accéléré si les chemins successivement décrits sont de plus en plus grands, retardé si, au contraire, ces chemins sont de plus en plus courts. — L'aiguille des minutes d'une horloge, le cours régulier des eaux, etc., offrent des exemples de mouvemenls sensiblement uniformes, parce que des espaces égaux sont décrits à chaque instant dans des temps égaux ; le mouvement de rotation de la Terre autour de son axe, qui s'opère en un jour, est aussi dans ce cas. — Un corps qui tombe verticalement offre l'exemple du mouvement accéléré; un corps qui s'élève aussi verticalement, celui du mouvement retardé. Dans le premier cas, le corps part du repos; dans le second, son mouvement finit par s'éteindre.

Dans tous ces cas, la rapidité ou la lenteur du mouvement est indiquée, pour chacun des intervalles de temps égaux et très-petits, par la longueur, plus ou moins grande, de l'espace ou du chemin décrit pendant cet instant : celle longueur mesure la grandeur de la vitesse à ce même instant. — Ainsi la vitesse est constante dans le mouvement uniforme, elle est accélérée ou retardée dans le mouvemeni accéléré ou relardé.

i8. Mouvement uniforme. — Dans ce mouvemeni, le plus simple de tous, les petits espaces parcourus dans les instants successifs étant égaux, il est clair que le chemin décrit dans un temps quelconque se composera d'autant de parties égales d'espace qu'il y a de parties égales dans ce temps. — Ainsi, dans le mouvement uniforme, des espaces égaux soni décrits dans des temps égaux^ quelle que soit leur petitesse ou leur grandeur; les espaces croissent comme les temps, dans le rap-

port des temps, ou sont proportionnels aux temps employés a les décrire; enfin le rapport de chaque espace aux temps correspondants est invariable , constant. Toutes ces expressions désignent la même chose d'après les définitions et propriétés bien connues des proportions et des fractions. •— E élant le nombre des unités de chemin parcourues pendant le nombre d'unités de temps T, e celui des unités de chemin parcourues pendant le temps /; on a, selon ce qui précède,

E:e::T:t, ou E:T::e:t,

ou enfin

Ee

Puisque, dans le mouvement uniforme, les espaces sont proportionnels aux temps employés à les décrire, la vitesse peut être mesurée par la longueur de l'espace décrit durant un temps quelconque, ou, pour la sim])licité, pendant Vanité de temps. Ainsi l'on dit : la vitesse de tel corps est de 2, mètres par seconde, ou de 60 fois 2"» = 120" par minute, ou de o™,2 par dixième de seconde, etc.; ce qui revient au même, puisqu'ici le rapport de l'espace au temps ne change pas. — Quand on sait qu*un mobile a décrit uniformément un certain espace dans un certain nombre d'unités de temps, de secondes par exemple, on trouve la vitesse, ou le chemin dans l'unité de temps, en partageant l'espace en autant de parties égales qu'il y a d'unités de temps, ou en divisant l'espace parle temps. — Exemple: l'espace décrit uniformément pendant 1 minute et 5 secondes ou 65 secondes étant de 260 mètres, la vitesse par seconde, ou l'espace décrit pendant i seconde, est de

-^^ =4"* ^Réciproquement, si Ton multiplie la vitesse par

un certain nombre d'unités de temps, le produit donnera l'espace décrit uniformément pendant ce temps; en désignant par V la vitesse , par E l'espace parcouru uniformément pendant un temps T, on a donc la relation

W. Mouvement périodique constant, vitesse moyenne. — Il arrive quelquefois, dans la pratique, que la vitesse n'est

PRIKGIPES FONDAMENTAUX. 4?

is rigoureusemenl constante ou la même à chaque instant, iioique les espaces décrits au bout de certains temps égaux, }ient égaux. Tels sont en particulier tous les mouvements icillaloiresy alternatifs ou de va-et-vient, dont les diverses ériodes ou retours s'exécutent régulièrement et dans le même smps, bien que la vitesse varie continuellement dans Tinteraile de chaque période. Tel est encore le mouvement d'une oilure, d'un piéton qui décrivent constamment le même che- Dîn dans chaque heure, chaque quart d'heure, et dont néan- Doins le mouvement, tantôt accéléré, tantôt retardé, varie à haque instant. Tel est enfiale mouvement de la Terre autour lu Soleil, qui, tantôt plus lent et tantôt plus rapide, redevient rependani le même au bout de chaque année ou retour aux nèmes positions relatives.

De semblables mouvements sont é\is périodiques, et on les remplace, pour la simplicité, par des mouvements entièrement uniformes qui s'accompliraient dans le même temps. La vitesse constante qui résulte de cette considération est une vitesse moyenne ou réduite, qu'on obtient encore en divisant l'espace décrit dans une période entière par le temps qui lui correspond; il ne faut pas la confondre avec la vitesse effective qui est variable à chaque instant. C'est ainsi que les astronomes ont substitué au mouvement réel on vrai de la Terre, qui n'est que périodique, un mouvement moyen, uniforme, bien moins compliqué, et qui s'accomplit, comme l'autre, dans le cours d'une année; de là aussi la distinction ^u jour vrai, du temps vrai et du jour moyen, du temps moyen, doLt les premiers sont donnés par les cadrans solaires et les autres par les bonnes horloges.

€0. Représentation géométrique des lois du mouvement, — Supposons que nous ayons une Table à deux colonnes ou espèce de Barème, qui, pour un certain mouvement, donne les espaces ou chemins décrits au bout de chaque temps écoulé; t prenons une certaine longueur (i millimètre, i centimètre, etc.), 1 pour représenter l'unité de temps, la seconde par exemple, et I une autre longueur (i centimètre, i décimètre, etc.) pour rel présenter l'unité de chemin, le mètre par exemple. Cela posé, A traçons une droite infmie OB(P/. Iyfig> lo) et portons sur

/{8 ■CCAXIQCE I5DCST1IEIXB.

cvAUi riroite ( V5), â partir d'un même point O, une distance 0</ n;pn*sf;ntant l'un des temps indiqués à la Table; sur la peN pendkulaire en d, à la droite OB, portons une distance JV repr(*sontant, d'après la Table, le chemin décrit au bout du temps Od; faisons de même pour les autres temps et lesch^ mins rorrespondants, on obtiendra une suite de points a\ V^ c\. , .y qui, réunis deux à deux par des droites, donneront le polygone a'b'c' . ... Ce polygone finira par se confondre avee une courbe véritable, si Ton multiplie convenablement lei points, ou si Ton prend, dans la Table, des temps sufflsam* ' ment rapprochés les uns des autres. 11 est clair aussi qu'au moyen du tracé de la courbe, on pourra obtenir, comme parh Table, le chemin décrit pour chaque temps donné; de sorte que cette courbe en tiendra lieu pour représenter la /oi, h relation entre les temps et les chemins, quel que soit le mou vemeni.

51 . Remarque générale. — Nous rappellerons que les lignes Oa, 06,... se nomment, en général, les abscisses de la courbe, O V origine et OB Y axe de ces abscisses; que pareillement la perpendiculaires a'a, b'bj c'Cy... sont nommées les ordonnées de la courbe, et l'ensemble de ces ordonnées et abscisses, qui se correspondent respectivement, les coordonnées de celle môme courbe; qu'enfin, l'intervalle cd entre deux ordonnées consécutives telles que c'c, rf'rf, ou la différence de leurs abscisses, se nomme quelquefois V accroissement de ces abscis* SOS, comme la différence c/'d", entre ces mêmes ordonnées consécutives, se nomme aussi leur accroissement ou leurc/écroissementy selon que ces ordonnées vont en augmentanioti en diminuant, à mesure qu'elles s'éloignent de l'origine. — Quand les points consécutifs a', 6', &,.,, sont tellement rappiochés entre eux, que les droites a'b'y 6'c',..., qui les unisseot deux à deuK, peuvent être censées se confondre avec les arci correspondants de la courbe, on dit que ce sont des élénumls de cette courbe; et, en général, les parties égales etiofiai* ment petites d'une grandeur, se nomment ses parties éUmm^ taires, ses éléments,

52. Représentation du mouvement uniforme. — Dans ce mouvement, les espaces croissent comme les temps {h8); ainsi

BS ordonnées a'a, b'b, c'c,... (Pi. Ifjlg. n), y sont proporlonnelles aux abscisses Oa, 06, Oe,..., et partant lelles, que la ignea'fc'c'..., qui donne la loi du mouvement, est une droite voyez, en Géométrie, la théorie des iignes proportionnelles), ^Supposez qu'on partage Vaxe OB des abscisses ou des temps, su un nombre înfîni de parties égales, infiniment petites; puis qu'après avoir élevé les ordonnées correspondantes, on mène, par l'extrémité de chacune d'elles, des parallèles à Taxe des ibscisses; on formera une suite de petits triangles égaux et rectangles, tels que c'd'd*^ par exemple, semblables aux triangles Oaa% Odd',...<, et dont les côtés sont proportionnels à ceux de ces derniers. Observant donc que les hauteurs d'd''^.., de ces petits triangles, mesurent les espaces décrits pendant les temps élémentaires correspondants c'd'^, ou cd, on pourra répéter, au moyen de la figure, tout ce qui a été dit ci-dessus sur les lois du mouvement uniforme. Ainsi la vitesse, c'est-àdire (47) l'espace décrit dans chacun des instants égaux ab, èCf cdj...y est constante, et peut être mesurée par l'espace quelconque e'e, par exemple, qui serait décrit dans le temps Ôe, pris pour unité.

53. Représentation des mouvements variés, — Dans ces mou- Tements, les espaces n'étant plus proportionnels aux temps, hllgne/x'é'^'... [PLIyJig. 12) n'est plus une droite : les petits espaces b'b", c'c',..., décrits dans les temps élémentaires ab, k,.... sont inégaux; par conséquent la vitesse (47) varie à cbque instant. Pour le cas de la figure, le mouvement et la vitesse sont accélérés, parce que les espaces b'b'', c'c",..,, iécrits dans des instants égaux, vont sans cesse en croissant. -Supposons qu'à l'instant qui répond au point c\ le mouvement cesse d'être accéléré, et se continue uniformément avec [ktiiesse qui a lieu à cet instant; le reste du mouvement, au d'être représenté par une courbe, le sera par la droite inlie c'm, prolongement de c'd'; et puisqu'à l'instant que considère, le mobile décrivait l'espace d'd" dans le temps sniaire c'd" ou cd, on voit qu'en vertu du mouvement devenu uniforme, il parcourrait, dans l'unité de temps, espice qu'on obtiendra en cherchant l'ordonnée mn qui, h droite c'm, correspond à l'abscisse c'n qui représente Hké 40 tamps.

5o MÉCANIQUE INDUSTRIELLE.

D*après ce que nous avons vu (kS et 52), l'espace mn seri de mesure à la vitesse de ce mouvement uniforme; si donc nous supposons l'élément de temps cd assez petit pour que la corde c'd' puisse être censée confondue avec la courbe, la droite indéfinie c^d'm' deviendra précisément la tangente en c' à cette courbe : celte tangente se construira, dans certains cas, géométriquement^ c'est-à-dire rigoureusement, et, dans d'autres, à vue ou par des méthodes de tâtonnement; or son inclinaison sur la parallèle c'n à l'axe des abscisses donnera, comme nous venons de le dire, la vitesse ou le chemin mn qui serait décrit, dans l'unité de temps c'n, si le mouvement devenait tout à coup uniforme. On voit par là aussi que, si l'on connaissait exactement, en nombre et pour chaque instant très-petit cd ou c'd'\ l'espace correspondant rf'rf', on aurait cette vitesse mn au moyen de la proportion

c'd'' ul'd" \\ c'n:mn;

d'où l'on tire, en faisant c'n = i ,

c d'^ cd

ou bien, en désignant par / l'élément de temps cd^ par e l'espace d*d" parcouru pendant ce temps, et par V la vitesse mn,

Si, au lieu d'être accéléré, comme on vient de le supposer, le mouvement était retardé^ la loj qui lie les temps aux es* paces serait représentée par une courbe a'c'/' {Pi. I,Jig. i3), tournant sa concavité vers Taxe OB des temps; du reste, les raisonnements et les opérations pour trouver la vitesse seraient absolument les mêmes. — Si le mouvement, d'abord retardé, s'accélérait ensuite, la loi du mouvement serait évidemment représentée par une courbe, telle que l'exprime la Jig. i3, dont la première partie a'f tournerait sa concavité du côté de Taxe OB, et la seconde /'/r', du côté contraire; c'està-dire que celte courbe auraii une inflexion en f, au point qui correspond au changement du mouvement.

ParNGlPES FONDAMBNTAUX. 5l

Enfin on voit que le mouvemeni périodique constant, tel qu'il a été défini ci-dessus ((^9), sera représenté par une courbe sinueuse ABC... (Jig. i4)>dont les ondulations se font régulièrement autour d'une droite a'b'c'd\,.y qui en représente le mouvement moyen uniforme.

Si. Observation, — Il est presque inutile de remarquer que les courbes précédentes donnant uniquement la loi qui lie les espaces aux temps^ ne doivent pas être confondues avec les lignes ou chemins mêmes parcourus par les mobiles : dans ces dernières lignes, les tangentes en chaque point donnent simplement [Vî) la direction du mouvement ou de la vitesse pour l'instant correspondant; et» selon ce qui précède (53), c'est le rapport, le quotient du petit espace parcouru par le mobile à cet instant, et du temps élémentaire employé à le décrire, qui donne la mesure de la vitesse correspondante.

55. Inertie de la matière. — La matière est inanimée ou inerte, elle ne peut se donner du mouvement par elle-même, ni changer celui qu'elle a reçu. — Un corps en repos y persévère, a moins qu'une cause telle que la pesanteur, un moteur animé, ne l'en fasse sortir. -— S'il a été mis en mouvement, dans une certaine direction ab [PI. /, Jig, i5), il continuera à se mouvoir, de b en c, sur le prolongement de la droite ab; car, arrivé en fr, il n'y a pas de raison pour qu'il se dirige au-dessus ou au-dessous de ab, à moins qu'une cause ne le fasse dévier de sa route. Pareillement, s'il a une certaine vitesse de a en 6, il conservera cette vitesse tant qu'une cause étrangère ne viendra pas ralentir ou accélérer son mouvement, cette vitesse.— Si nous voyons la bille lancée sur un billard ralentir sans cesse de vitesse, cela tient à la résistance du tapis et de l'air ; si nous voyons un corps tomber verticalement quand on l'abandonne, et accélérer même de mouvement, cela tient à l'action de la pesanteur qui agit continuellement sur ce corps comme s'il était au repos : c'est tellement vrai, qu'en diminuant les obstacles qui s'opposent au mouvement de la bille, elle y persévère plus longtemps, et qu'en lançant le corps de bas en haut, sa vitesse diminue au lieu d'augmenter. Enfin, si la direction du mouvement {VI) d'une bombe ou d'une pierre lancée obli-

5t2 MÉGANIQUE IMDCSTRIBLLE.

quemcnt, change à chaque instant, ou si elles décriveni di lignes courbes, c'est encore parce que la pesanteur tend sai cesse à ramener cette bombe ou cette pierre vers la terre.

Loi de Vinertie, — Il résulte de là qu'en vertu de VineHi un corps qui se meut actuellement avec une certaine vitess et dans une certaine direction, conserverait étemelleroen cette direction et cette vitesse, et que le mouvement serai rigoureusement rectiligne et uniforme, si rien ne venait le dé ranger; qu'enfin si, par une cause quelconque, le corps esi forcé de décrire un ligne courbe ABC (Jlg. i6), en vertu de cette même inertie, la cause venant tout à coup à cessera un certain instant, il décrirait la tangente BT au point correspondant B de la courbe, et conserverait la vitesse qu'il possédait en ce point.

Des forces, de leur mesure et de leur représentation.

56. Définition. — On appelle en général forces, les cames qui modifient actuellement l'état d'un corps, ou qui le modifieraient si d'autres forces ne venaient empêcher ou détruire l'effet des premières: V attraction, la pesanteur {^ etsuiv.), la résistance de l'air et des fluides, \e frottement, le calorique considéré comme cause delà répulsion (28), sont de véritables forces, puisqu'ils peuvent changer l'état de repos ou de mouvement des corps. Nous ajoutons ou qui le modifieraient, etc.; car un corps posé sur une table de niveau, par exemple, ou suspendu verticalement par un fil, ne paraît pas actuellement changer d'état; mais il en a changé d'abord, et la pesanteur le presse sans cesse contre la table ou lui fait tirer le fil; elle le ferait mojvolr enfin si la résistance de la table ou du Bine s'opposait continuellement à son action.

57. Effets des forces. — Les forces produisent, comme on le voit, des effets très-variés, suivant les circonstances: taniôl elles laissent les corps en repos, en se détruisant constamment les unes les autres ; tantôt elles en cliangent la forme, elles les rompent; tantôt elles leur impriment du mouvement, elles accélèrent ou retardent celui qu'ils possèdent, ou

PlllfCIPES FONDAMBNTAUX. 53

en changent la direction ; tantôt enfin ces changements s'opèrent avec lenteur, d'une manière graduelle, imperceptible, tantôt ils s'opèrent au contraire avec rapidité, brusquement; mais, dans le fait, c'est toujours dans un temps Uni et par degrés continus. — Si nous voyons quelquefois des corps changer brusquement d'état, de direction ou d'intensité de mouvement, c'est que la force, alors très-grande, produit son effet dans un temps dont la durée est seulement inappréciable à nos moyens de mesurer le temps. — Si la balle d'un fusil traverse un carreau de verre, une porte, une feuille de papier librement suspendus, sans leur imprimer un mouvement sensible, cela prouve seulement qu'elle opère cet effet avec une rapidité telle, que les parties enlevées n'ont pas le temps de pro* pager leur mouvement dan^ toute l'étendue des corps. — Si, d'après l'expérience qui en a été faite autrefois à la Rochelle, un canon suspendu verticalement à l'extrémité d'une corde porte le boulet au même but que s'il était sur son affût, cela prouve seulement que la pièce n'avait point dévié, d'une manière sensible, avant l'instant où le boulet est sorti de l'âme, et qu'il lui faut un temps bien plus considérable qu'à ce boulet pour acquérir une vitesse qu'on puisse apprécier ou mesurer. — Nous examinerons, dans ce qui suit, comment le mouvement se propage, de proche en proche et d'une manière continue, dans toute l'étendue des corps, et comment il se fait que ceux qui ont le plus de poids et de densité sont aussi ceux qui, dans un temps donné, reçoivent le moins de vitesse par l'effet d'une même force dont l'action est plus ou moins prolongée.

58. Dénomination des forces, — Les forces qui donnent le mouvement aux corps s'appellent en général /orce* motrices: Mes sont accélératrices quand elles accélèrent à chaque instant le mouvement, elles sont retardatrices quand elles le relardent. Souvent aussi on nomme puissances ou forces mouvantes les forces qui agissent pour favoriser ou augmenter le mouvement, et résistances ou forces résistantes celles qui, au contraire, tendent à l'empêcher ou à le diminuer : d'après cette définition, les forces accélératrices sont des puissances véritables, et les forces retardatrices des résistances. En gêné-

54 HtCAllIQtl IXDUSTIIELLI.

rai, dans chaque cas donné, on donne le nom de puissances aux forces qu'on regarde comme capables de produire un certain effet, et celui de résistances aux forces qui s'opposent à l'accomplissement de cet effet.

S9. Nature et comparaison des forces. — Nous avons» ptr nous-mêmes, une idée exacte du mode d'agir de la force. Quand nous poussons ou tirons un corps, qu'il soit libre oa qu'il ne le soit pas, nous éprouvons une sensation qui se nomme pression^ traction, ou en général effort : cet effort est absolument analogue à celui que nous exerçons en soutenant un poids. Ainsi les forces sont pour nous de véritablei pressions, comparables à ce qu'on nomme le poids des corps. La pression peut être plus forte ou plus faible; c'est donc une grandeur, et, pour la mesurer, la représenter par des nombres, il ne s'agit que de choisir une pression quelconque pour unité; ce qui ne sera pas difOcile si nous pouvons trou* ver des pressions égales, comme nous avons trouvé des temps égaux [kk ).

Deux forces sont égales quand ^ substituées l'une à Vautn et dans les mêmes circonstances, elles produisent le même effet ou en détruisent une même troisième qui leur est directement opposée.

Suspendons {PI. /, fig. 17) un corps P à l'extrémité d'un fil AB; en vertu de son poids, le fil prendra la direction de y aplomb ou de la verticale KR (30), et il faudra, en A, suivant AB, un certain effort pour le soutenir contre 1 action de la pesanteur. Si deux forces, ainsi appliquées successiveméol à ce fil et de la même manière, maintiennent le corps P en repos, ces forces seront nécessairement égales entre elles ei au poids du corps : une force double, triple, supportera deux, trois corps semblables au premier, suspendus les uns au-des^ sous des autres, par le même fil. Prenant donc pour unité Tune de ces forces, par exemple celle qui supporte un cenii^ mètre cube d'eau pare, dans le lieu où nous sommes, ou le poids d'un gramme (3i), une force quelconque sera exprimée par le nombre qui indique combien de grammes elle poum supporter : c'est au gramme, ou plutôt au kilogramme, que

PIIKCIPES FONDAMENTAUX. 55

désormais nous comparerons toutes les forces de pression, de iraction, de tension, de compression, etc.

60. Mesure des forces par les poids. — Nous savons que les poids se mesurent ou se comparent entre eux par le moyen de balances; d'après le caractère général ci-dessus auquel ou reconnaît que deux forces sont égales, il devient facile de trouver le poids d'un corps, quelles que soient la justesse et la composition d'un tel instrument. Il suffit, pour cela, de s'assurer que ce corps, substitué, dans les mêmes circonstanceSy & un certain nombre de poids-étalons, produit le même eflet sensible sur la balance, pour affirmer que son poids est égal à celui des étalons. Sous ce rapport donc, tous les appareils quelcomiues peuvent être employés à mesurer le*poids des corps, et par suite les forces.

Les ressorts entre autres (17 et suiv.), quand ils sont susceptibles de conserver longtemps leur élasticité, peuvent servir et servent en effet à cet usage dans la pratique : tels sont plusparticulièrementle/>^5ondr^55or/du commerce {Jig. i8), et le dynamomètre de Régnier {Jig, 19}, instrument plus compliqué, qui sert à mesurer des efforts de pression ou de traction supérieurs à 100 kilogrammes. Dans Tun et dans l'autre, la grandeur de la flexion du ressort est indiquée par le mouvement d'une aiguille qui parcourt les différentes divisions d'un limbe gradué; ces divisions ayant été obtenues, lors de la fabrication, en suspendant directement des poids-étalons à l'instrument, fournissent le moyen de mesurer ensuite le nombre des kilogrammes d'un effort quelconque. En se servant des balances à ressort, il ne faudra pas oublier de vérifier préalablement l'exactitude de leurs divisions au moyen de poids étalonnés, et de changer la valeur de la graduation si rélasUciié se trouvait altérée depuis Tinstanl de la fabrication. Du reste, nous n'insistons pas sur la description de ces instruments, parce que leur emploi dans les arts et leur intelligence n'ont rien de difficile, et qu'il nous suffit ici de savoir qu'il existe des moyens directs de comparer les forces aux poids.

61. Observations. — En proposant, comme nous venons de le foire, de mesurer les forces par des poids, nous supposons

essentiellement que refTort pour soutenir, contre l'action de la pesanteur, un corps quelconque, par exemple un litre ou décimètre cube d'eau pure, soit constamment le même dans tous les temps et pour tous les lieux, et que par conséquent le kilo^rammey poids de ce volume d'eau, soit une grandeur absolue ou invariable. S'il n'en était pas ainsi, les poids ne pourraient aucunement nous servir pour mesurer les forces, et il faudrait recourir à quelque autre unité moins sujette à changer. Or on sait, par expérience, que l'action de la pesanteur en un même lieu n'a pas varié avec le temps, du moins d'une manière sensible, et l'on peut croire qu'à moins d'événements extraordinaires, elle ne changera pas non plus dans l'avenir. A la vérité, l'action de la pesanteur diminue à mesure qu'on s'élève au-dessus de la surface de la terre; elle diminue pareillement à mesure qu'on s'éloigne des pôles pour s'approcher de l'équateur; de sorte que le même corps qui, dans notre pays et à la surface des pluines, fait, par son poids, fléchir un ressort jusqu'à un certain degré, le ferait fléchir un peu moins lorsqu'on le transporterait à l'équateur ou sur le sommet d'une montagne élevée; mais, pour l'étendue d'un pays comme la France, et pour des montagnes telles qu'il s'y en rencontre, la diminution du poids est à peine sensible : par exemple, pour une élévation verticale d'une lieue au-dessus des plaines, elle serait au plus 777 du poids mesuré au niveau de ces plaines.

Il suit donc de là que nous pouvons regarder le poids absolu des corps, ou la force qui soutient ce poids contre l'action de la pesanteur, comme une quantité tout à fait constante, du moins dans l'étendue ordinaire de nos travaux industriels, et que par conséquent nous pouvons aussi, sans crainte de commettre des erreurs appréciables, prendre pour unité de force l'unité de poids, conformément à ce qui a été proposé ci-dessus. Nous verrons d'ailleurs plus tard comment, à l'aide du pendule, on peut rendre sensible la variation de la pesanteur dans les divers lieux, variation généralement trop faible pour être appréciée, d'une manière facile et rigoureuse, par le moyen des ressorts ou d'instruments analogues.

62. Point d'application, direction, sens, intensité et repré-

PBINCIPBS FONDAMENTAUX. 5'J

Tiiaiion géométrique des forces. — Il faut distinguer, dans ne force, i** son point d'appiication, c'est-à-dire le point latériel sur lequel elle agit immédiatement; a^ sa direction u la droite que décrirait son point d'application s'il obéissait Ibremcnt à la force; 3** le sens de son action, qui est aussi le ens de ce mouvement; 4° sa grandeur absolue, son intensité. Desurée par des poids, par un certain nombre de kilogrammes. Soit A (PL lyfig. 20) le point d'application d'une force lont la droite AB est la direction indéfinie; portons, de A »D P, sur cette droite et dans le sens de son action, un nombre d'unités de longueur, par exemple de centimètres, de millimètres, égal au nombre des kilogrammes, qui exprime son intensité ; il est évident que cette force sera complètement représentée. Ordinairement on indique le sens de l'action au moyen d'une petite flèche, et l'intensité de la force par une seule lettre telle que P, et cela afin d'abréger; ainsi Ton dit une force P ou AP, une force Q ou AQ, comme on ilnit une force de 10 kilogrammes, de i5 kilogrammes, etc. De cette manière, l'étude de la Mécanique est ramenée à celle de certaines figures de la Géométrie.

Mode d'action des forces sur les corps.

63. Action directe, — Quand une force agit extérieurement à un corps solide et contre un point de sa surface, elle exerce une pression qui refoule les molécules les plus voisines de ce point; le corps plie ^ fléchit ou se comprime suifint les circonstances; les molécules se trouvant plus rapprochées au contact, font effort pour retourner à leur place, en vertu de \^ut force de répulsion naturelle (27 et 28), ou de l'élasticité plus ou moins grande qui appartient à toutes les substances (19); elles refoulent aussi les molécules qui leur sont immédiatement voisines, et, de proche en proche, les plus éloignées jusqu'à l'autre extrémité du corps. Si cette extrémité est fixe ou arrêtée par un obstacle, l'effet de la force se réduira à une compression, à un changement de forme dtt corps; si, au contraire, cette extrémité est libre, elle ifmncera, de sorte que le mouvement aura été propagé ou

58 MÉCARIQL'E INDUSTRIELLE.

rommuniqucà toutes les parties, et cela de proche en proche, ou successivement. Ce mouvement intérieur, résultat d'une suite de compressions, prouve qu'il faut un certain temps (57) pour (|ue Isr force produise son effet total, et l'absurdité de supposer qu'une vitesse finie puisse s'engendrer instantanément ou tout à coup. Les mêmes choses se passeraient d'ailleurs si, a l'inverse, la force était employée à détruire le mouvement acquis d'un corps; elle détruirait d'abord la vitesse des molécules voisines du point d'action, puis, de proche en proche, celle des molécules les plus éloignées, etc.

Nous venons de supposer que la force, appliquée extérieurement au corps, agissait pour le presser, le refouler sur luimême; mais, si elle s'exerçait du dedans au dehors de bçoa à le tirer, à l'étendre, les molécules en contact seraient écartées au lieu d'être rapprochées, et feraient, en vertu de l'o/traction(\m les unit (27 et 28), effort pouf-i^prendre leurs distances respectives, et pour s'entratner ainsi, de proche en proche, d'une extrémité du corps à l'autre; d'où l'on voit qu'en vertu de cette attraction et de la répulsion, les molécules des corps se comportent comme si elles étaient maiatenues entre elles et séparées par de petits ressorts qui s'opposeraient aussi bien aux forces qui tendent à les rapprocher qu'à celles qui tendent à les désunir.

64. Réaction, principe de la réaction. — D'après cette minière d'envisager l'action des forces sur les corps, entièrement fondée sur l'expérience de ce qui se passe quand on les tin ou qu'on les comprime, il est évident qu'un effort ne peut être exercé, en un point quelconque d'un corps, sans que les ressorts moléculaires de celui-ci réagissent, en sens contrairei avec un effort précisément égal : c'est ce qu'on exprime en disant, d'après l'illustre Newton, que la réaction est tmkjours égale et contraire à l'action^ principe démontré pir toutes sortes de faits. — En pressant, par exemple, du doigt un corps, en le tirant avec une ficelle, ou en le poussant avee une barre, nous sommes pressés, tirés ou poussés, en sens contraire, de la même manière et avec le même effort. — Deux pesons à ressorts (60), placés [Jig. 21) aux extrémités A et B d'une telle ficelle ou d'une telle barre, indiquent le

PRINCIPES FONDAMENTAUX. Sg

ne degré de tension, quand une force P vient à agir, par intermédiaire, sur un obstacle fixe placé a l'extrémité osée, de manière que cette tension reste constante ou e avec assez de lenteur, pour que l'action de la force ait le ps de se propager (57, 63 et 66). En général, nous ne vons concevoir qu'une force exerce son action sans faire re, à Finstant même, une résistance égale et directement osée. ~ Si une molécule matérielle en attire une autre, proquement celle-ci attirera la première avec une force le et contraire ; si la pesanteur ou l'attraction terrestre solle les corps vers la terre (30), réciproquement ces corps icitent la terre à se rapprocher d'eux avec une force égale lirectement opposée, etc. C'est là un des principes fondaataux de la Mécanique.

5. Hypothèses admises en Mécanique. — Dans tous les cas une force agit, comme on vient de le dire, par l'interméire d'une ficelle ou d'une barre tendues en ligne droite, tien de cette force ne se transmet intacte, d'une extrémité autre, que par une suite d'actions pu de réactions, égales ontraires, qui se détruisent ou se balancent réciproqueit, et que les ressorts moléculaires exercent en chaque )t de la droite suivant laquelle agit cette force et la résise opposée. C'est en vertu de cette considération qu'on et souvent que l'action d'une force s'opère ou se transmet chacun des points de la droite matérielle qui l'unit à la r/aitce ; mais il ne faut pas oublier (64) le temps néces- 8 à cette transmission (*).

ans cette action réciproque des diverses parties de la barre e la ficelle, celles-ci se trouvent raccourcies ou allongées |u'à un certain degré relatif à l'énergie de la puissance ; s, si cette énergie reste constante pendant un temps suffil, l'allongement ou le raccourcissement cesseront. C'est irès cette seconde considération que nous pourrons quelifois regarder les corps solides et résistants, employés dans arts pour transmettre l'action des forces comme parfaite-

') Fùjret dans la deuiiéme Partie ce qui concerne la propagation du mou- VimUritmr é0i milieux de diverses natures.

6o MÉCANIQUE INDUSTRIBLLB.

ment rigides et inextensibles; d'autant plus qu'on les choisii, presque toujours, de façon qu'ils fléchissent en réalité trèspeu sous l'action de ces forces; mais nous ne leur attribuerons cette qualité, dans toute autre circonstance» qu'après que le changement de forme aura déjà été opéré, et pour le temps seul où il persistera sous l'action constante des forces appliquées au corps.

Supposons, par exemple [PL I^fig» ^^), qu'une force Psoil employée à pousser ou presser un obstacle solide K, par l'intermédiaire d'une barre ou d'un corps flexible quelconque ABC; concevons que cette force, ayant fait acquérir à la barre toute la flexion qu'elle peut recevoir d'après sa constitution, demeure constante pendant un certain temps; on pourra, dés lors, considérer ABC comme entièrement rigide, et supposer même que le point A soit réellement lié au point C par une droite matérielle et inflexible AC,^ suivant laquelle la pression de P se transmettra exactement contre l'obstacle. Ainsi la force P produira, en C, précisément le même effet que si elle y était immédiatement appliquée, et elle fera nattre, en ce point, une réaction Q, égale à P et dirigée, de Q vers C, dans le prolongement de la droite AC ou de la direction propre de P. On pourrait même remplacer cette force P par une autre, qui lui serait égale et qui tirerait le point A vers C par le moyen d'une barre ou d'une ficelle, sans que, pour cela, les effets soient aucunement modifiés; mais il faudrait que cette barre et cette ficelle fussent inextensibles, ou qu'elles eussent acquis, à l'instant que l'on considère, le degré d'extension qui convient à l'énergie de la force.

Voilà, je le répète, comment on doit entendre les choses toutes les fois que, dans les applications de la Mécanique, on se permet de regarder les corps comme entièrement raides, ou de supposer le point d'application d'une force transporté en un point quelconque de sa direction.

66. De l'inertie considérée comme force. — Nous avons vu ci-dessus (63 et 6/i.) que, quand une force agit à l'extérieur d'un corps solide libre, pour lui imprimer du mouvement ou pour détruire celui qu'il possède, ce corps réagit ou oppose une résistance égale et contraire à la force : cette résistance

PRINCIPES FONDAMENTAUX. 6l

devant être considérée comme un résultat de Tinertie des diverses particules matérielles du corps, on voit que ]*inertic est une force véritable qui peut se mesurer en poids. Pour un même corps, la résistance augmente évidemment avec le degré de vitesse imprimée ou détruite; nous verrons bientôt qu'elle est exactement proportionnelle à ce degré, et qu'elle crott aussi avec la quantité de matière enfermée dans chaque corps. Quand on tire un corps libre par le moyen c^une ficelle, cette ficelle s'étend, s'allonge et peut môme se rompre si elle est tirée brusquement, et cela d'autant mieux que le corps est plus mauif ou plus pesant : le même effet serait produit évidemment si, le corps étant en mouvement, on essayait de le retenir par le moyen de la ficelle. — Si l'on suspend un corps à l'extrémité d'une ficelle verticale, et qu'on place un peson à ressort dans la ligne de traction ou de tirage de cette ficelle, le ressort indiquera le poids du corps dans le cas du repos; mais, si on élève le corps avec une certaine vitesse, le ressort se pliera davantage, par suite de la résistance opposée par l'inertie de la matière. Le mouvement étant une fois acquis et demeurant régulier, uniforme (48), le ressort reprendra et conservera constamment l'état de tension qu'il avait dans le casdu repos, attendu que l'inertie ne se fait sentir (55), comme force, qu'autant que la vitesse du corps est altérée, et que la pesanteur, au contraire, agit sans relâche sur les corps, qu'ils soient ou non en mouvement. On voit donc que l'état de tension du ressort peut servir à mesurer les variations de la vitesse du corps, et la grandeur de la résistance qu'en vertu de son inertie il oppose à l'action de la puissance qui soulève la ficelle.

67. jtction combinée et réciproque des forces. — Nous n'avons, dans ce qui précède, considéré que l'action simple d'une force appliquée en un point d'un corps, et nous avons vu qu'il nsitt, de cette action, une réaction égale et précisément contraire, provenant de l'inertie de la matière du corps, lorsqu'il est libre, ou de la résistance opposée par un obstacle extérieur quelconque : cette réaction est transmise, d'une extrémité à l'autre du corps (63), par une suite d'actions et de réactions semblables qu'exercent entre elles les molécules

6a MÉCATTIQUE IXDDSTRIELU.

voisines» en vertu de leur force de ressort. Or il se passe des choses absolument analogues quand plusieurs forces agissent à la fois en différents points d'un corps; leurs effets se combinent tellement, que chacune d'elles éprouve, de la part de ce corps, une réaction égale et contraire à la sienne propre, el que les autres forces lui transmettent encore par rintenné* diairc des ressorts moléculaires : cette réaction peut donc être considérée ^omme un résultat plus ou moins immédiat de l'action de toutes les autres forces, ou comme la résistance qu'elles opposent directement à l'action de celle que roncoosldère.

C'est ainsi qu'on devra entendre généralement le /^nitcf/veis l'action égale et contraire à la réaction, et que nous pourras dire et concevoir désormais qu'une force en détruit ou vainc plusieurs autres, sans leur être directement opposée, biet que, dans la réalité, elle ne détruise ou n'empêche directement que Teffet que produirait la réaction du corps, si toutk coup elle venait elle-même à s'anéantir ou à être détruite par une nouvelle force quelconque.

68. Exemple de l'action combinée des forces, — Supposons qu'un cheval soit employé à tirer une voiture le long d'une route; on pourra le considérer comme détruisant, à chaque instant et par l'intermédiaire des traits, des palonnicrs, du limon, de la cheville ouvrière, etc., toutes les résistances qii s'opposent à son action, dans les diverses parties de la voiture. SI le mouvement est constamment le même ou uniforme, ces résistances proviendr(mt uniquement du terrain et des diveis | frottements, Tinerlie n'y entrant pour rien (55 et 66). Si la vitesse augmente à chaque instant, l'inertie, mise en aciion, s'ajoutera aux résistances précédentes; enfln, si la vitesse vient | à diminuer par suite d'obstacles particuliers, l'inertie, qui Ut ' persévérer la voiture dans son état de mouvement, ajoutera ; son action a celle du cheval, pour vaincre ces obstacles et. toutes les autres résistances.

C'est encore ainsi qu'on peut expliquer le principe de l'égilité de pression des fluides (H), en vertu duquel une pression quelconque, exercée contre une portion de la surface des pi* rois du vase qui contient de toutes parts un fluide, est trans*

nise également à lous les autres points de cette surface; car :ette répartition uniforme de la pression, cette rcaclion réeliroque des parois du vase sur le fluide et du fluide sur les laroiSy ne peut évidemment provenir que de régalité même les actions et des réactions qui s'établissent entre les diffc- *entes molécules. On voit aussi que, si le fluide n'était pas contenu de toutes parts au moyen de pistons, de parois solides 3u par la réaction d'autres fluides tels que l'air, etc., le principe de l'égalité des pressions n'aurait plus lieu, du moins de la même manière, atlendu que la pression, exercée en un certain point de sa surface extérieure, pourrait être employée en partie à vaincre l'inertie de ses molécules et toutes les autres forces qui s'opposent directement à son mouvement, à son changement de forme. Quant au principe de la réaction, il n'en subsistera pas moins pour toutes les forces appliquées aux difTérentes parties du fluide, et toujours l'action de chacune d'elles sera égale et contraire à la réaction qu'elle éprouve en son point d'application.

69. Observations sur l'équilibre des forces. — H arrive quelquefois qu'on nomme équilibre cette action réciproque des forces appliquées à un corps, par suite de laquelle une force quelconque peut être censée vaincre ou détruire, par l'intermédiaire de ce corps, l'action de toutes les autres qu'on regarde comme étant opposées à la sienne propre : c'est ainsi qu'on dirait, par exemple, du cheval qui, dans l'hypothèse cidessus, traîne une voiture le long d'un route, qu'il fait équilibre à toutes les résistances qui s'opposent au mouvement de cette voiture. Mais, quand il nous arrivera, par la suite, d'employer un langage aussi général, en parlant des actions réciproques exercées par les forces sur un corps, il ne sera uniquement question que de l'équilibre de ces forces considérées en elles-mêmes, et non de celui du corps ; car, d'après les idées généralement admises, l'équilibre des corps repose sur des notions tout autres, et que nous examinerons plus tard, lorsque nous aurons à étudier les effets combinés des forces. Il ne s'agit que de nous entendre sur la signiflcation attachée à certains mots; ety loin d'avoir à nous occuper d'une telle complication d'effetSy nous devons nous borner à poursuivre l'examen du

64 * MÉCàNIQIJE INDUSTRIELLE.

cas simple et élémentaire où une force en détruit constamment une autre qui lui est égale et directement opposée ou qui lui fait équilibre. C'est à cela, en effet, que se réduit, en déQnllive, l'emploi des forces motrices dans les travaux industriels.