II. — MESURES INDIRECTES

1^ Par application du principe d'Archiniède.

Tout corps plongé dans un fluide perd de son poids le poids du fluide qu'il déplace.

De ce principe on peut déduire des méthodes pour mesurer diverses quantités. D'abord, si l'on connaît le poids de Tunilé de volume d'un liquide, et le volume d'un flotteur

109 LES APPAREILS DE MESURE

gradué, on peut mesurer le poids d'un objet quelconque en regardant de combien le flotteur s'immerge quand on le surcharge de Tobjet en question.

Au contraire, si Ton ignore le poids de Tunité de volume d'un liquide, on peut le connaître en mesurant la diminution de poids que subit, par immersion dans ce liquide, un corps de volume connu {balance hydrostatique) [fig, 22 et 25].

Mais pour certains liquides spéciaux, on emploie couramment dans rindustrie et le commerce des appareils empiriques, gradués par comparaison avec un étalon choisi une fois pour toutes, et que Ton appelle des aréomètres {fig. 29). Ces aréomètres donnent la densité du liquide étudié dans un langage conventionnel qui n'a pas de valeur scientifique mais est très commode pour Tusage courant, parce qu'il indique le degré de concentration du produit industriel obtenu. On dit par exemple que Ton emploie tel acide « à 30* Baume », ce qui veut dire que le pèse-acide ou aréomètre de Baume {fig. 29 B) plonge dans ce liquide jusqu'au numéro 30 de sa graduation.

Pour les alcools, la graduation n*est pas empirique; le numéro de la graduation auquel affleure le flotteur appelé alcoomètre {fig. 30) indique la proportion d'alcool élhylique contenu dans le mélange aqueux considéré. Le zéro indique l'eau pure; le cent l'alcool éthylique pur.

2<> Par application du principe de la dilatation des corps par la chaleur.

On se sert de ce côté mesurable des phénomènes thermiques pour définir empiriquement la température des corps. C'est la science appelée « thermométrie ». On choisit ordinairement comme thermomètre un corps dont les variations de volume ou de longueur soient aussi considérables que possible pour des variations de température relativement faibles; on a alors ce qu'on appelle un thermomètre sensible {fig. 28). Pour les usages courants, on se sert de

récipients de verre de forme étirée et contenant du mercure ou de l'alcool coloré. Plusieurs modèles de graduation empirique ont été proposés; la plus employée en France est actuellement la graduation centigrade. La graduation du thermomètre comprend deux opérations : i« la recherche de points fixes; 2^ la division de rintenralle compris entre les points fixes adoptés. La découverte des points fixes a été un premier résultat expérimental. On a remarqué que, dans des conditions données, un changement d*état d*un corps donné se produit à une température invariable (i). Le& changements d'étal choisis pour fournir les points fixes sont les changements d'état de Teau à la pression atmosphérique de 760 millimètres de mercure. On marque O* sur le thermomètre plongé dans la glace fondante (changement d'état solide en état liquide); on marque IW sur le thermomètre plongé dans la vapeur d*eau bouillante (changement d'état liquide en état gazeux, par ébulUtion). Les points fixes étant ainsi marqués, on convient de diviser l'intervalle compris entre eux en cent parties égales, et l'on appelle degré centigrade chacune de ces parties; on prend naturellement toutes les précautions possibles pour que les d^^és de la graduation correspondent à des accroissements égaux du volume de l'alcool ou du mercure (vérification de la cylindricité du tube de verre, etc.). MaiS) malgré toutes ces précautions qui sont destinées à rendre comparables entre elles les indications des divers thermomètres, il est bien évident que la définition du degré centigrade n'en est pas moins entièi*ement conventionnelle. On a montré, dans la deuxième partie de cet ouvrage, comment les considérations d'équivalence mécanique de la chaleur ont permis de donner à la thermométrie une valeur dépourvue de toute convention. Au lieu d'employer les liquides comme corps thermomé-

(1) C'est-à-dire à une température telle que nHmporte quel thermomètrei gradué n'importe comment, donne toujours la même indication pendant tout le temps que dure le changement d*état

LES APPAREILS DE MESURE

Il ■

Fig. 29.

A, aréomètre de Nicbolson ; B, pèse-acide de Baume ; C. aréomètre de Fahrenheit ; D, pèseetprit de Baume.

Fig. M.

Thermomètre.

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iVegwood.

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Fig. 30.

Alcoomètre.

Fig. 32.

Calorimètre

à glace.

M, corps dont Ut chaleur est à mesurer; A, robinet.

Fig. 34.

Calorimètre de Berthelot.

triques, on peut employer les solides ; un thermomètre fort élégant est réalisé par la soudure de deux métaux inégalement dilatables. La variation de courbure du ruban ainsi obtenue permet une graduation empirique par comparaison.

Mais le meilleur thermomètre est le thermomètre à gaz {fig. 33). Cest lui qui peut donner les indications les plus sûres et les plus comparables à celles de la thermométrie absolue basée sur le principe d*équivalence«

S"" Autres déformations par la chaleur; pyromètre.

Au lieu de s*en lenir à la dilatation des corps par la chaleur, on a trouvé avantageux, dans certains cas, d'utiliser d'autres déformations ; par exemple, pour mesurer la température des foui*s de potier, on emploie le pgromèire de Wegwood (fig. 31), basé sur le retrait qu'éprouve par la cuisson un petit cylindre d'argile. On constate ensuite jusqu'où ce petit cylindre peut pénétrer dans un intervalle ménagé entre deux règles obliques dont l'une est graduée empiriquement et Ton en déduit la température la plus élevée à laquelle est monté le contenu du four.

4'' Mesures faites au moyen du thermomètre et d'autres appareils précédemment décrits,

A. Calorimétrie. — On a indiqué, dans la deuxième partie de cet ouvrage, l'intérêt que tire du principe d'équivalence la mesure des quantités de chaleur, et l'on a montré quelles conventions se cachent sous la déOnition première de ces quantités de chaleur. L'appareil qui sert à les mesurer, ou calorimètre {fig. 32 et 34), se compose essentiellement d'une série d'enveloppes empêchant la déperdition de la chaleur et réalisant autant que possible ce desideratum que tous les échanges de chaleur qui se produisent dans l'expérience se passent entre les corps sur lesquels on porte son attention.

La méthode des mélanges consiste dans l'introduction, au sein d'une masse donnée d'un corps connu à une température connue, d'un autre corps de masse connue et de température connue, mais de capacité calorifique inconnue. On constate la température finale et Ton en déduit, en appliquant le principe conventionnel de la conservation de la

113 LES APPAREILS DE MESURE

chaleur, La capacité calorifique ou chaleur spécifique du corps étudié. On prend comme étalon Teau, dont la chaleur spécifique est la plus forte, et Ton appelle calorie la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 0^ à i® la température de Tunité du poids d'eau.

On mesure, au moyen du calorimètre, la quantité d« chaleur nécessaire pour fondre, sans élever sa température, un poids donné de glace (chaleur latente de fusion), et, ce résultat obtenu^ on peut s'en servir pour réaliser un nouveau type de calorimètre, ie calorimètre à glace {fig, 34). Dans le calorimètre à glace, on mesure le poids de glace que peut fondre un corps de masse et de température connues, mais de chaleur spécifique inconnue. On en déduit la chaleur spécifique du coit>s.

L'étude des chaleurs spécifiques des gaz sous pression constante et sous volume constant conduit directement à la notion de Téquivalence mécanique de la chaleur. On évalue la calorie en kilogrammètres,et à partir de ce moment toute convention disparaît dans le domaine de la chaleur ; la thermométrie elle-même prend un caractère absolu. Ceci a été expliqué dans la deuxième partie de Touvrage.

B. CryoBCOpie. — Cette science, créée par Raoult, consiste dans Tétude des variations introduites dans le point de congélation des liquides par l'introduction dans ces liquides de corps dissous. La cryoscopie a une grande importance en physique moléculaire.

C Hygrométrie. — C'est la mesure de l'humidité atmosphérique. Il a fallu définir cette humidité d'une manière conventionnelle, choisie de manière que les indications de rhygromètre aient une valeur météorologique.

Pour cela on mesure, non pas la quantité absolue d'eau comprise dans un volume d'air donné, mais le rapport de cette quantité d'eau à la quantité maxima d'eau gazeuse qui pourrait exister, à la température donnée, dans le volume d'air considéré; en d'autres termes, l'état hygrométrique de

QU'BST-CE QUK la 8C1ENCB? , 8

Tair est le rapport de la tension de la vapeur d*eau qu'il contient à la tension maxima de la vapeur d*eau à la température considérée. La t^sion maxîma de la vapeur a été mesurée d'avance pour toutes les températures; cette tension maxima a un grand intérêt météorologique, car la vapeur douée de cette tension est saturante^ c'est-à-dire prête à se condenser partiellement pour le moindre abaissement de température. En outre, les corps humides, plongés dans une atmosphère saturée d^eau, ne sauraient être le siège d'une évaporation; ils fie sèchent pas. L*air produit des effets dessiccateurs d^autant plus considérables que la tension de la vapeur d'eau qu'il contient est plus éloignée de la tension maxima à la température considérée. Une masse d'air, contenant une masse donnée d'eau, peut être très humide à S"", tandis que, contenant la même quantité absolue d'eau, elle serait extrêmement sèche à 40*. A 5^ elle mouillerait des corps qu'elle dessèche rapidement à 40^ De là l'intérêt de la déBnition de l'état hygrométrique.

Les premiers hygromètres étaient purement empiriques. V hygromètre à cheveu {fig, 35) constatait seulement les modifications apportées dans la longueur d'un cheveu par l'humidité de l'air; de cette mesure empirique ne résultait aucune définition scientifique de l'état hygrométrique. Les hygromètres plus récents : de Daniell {fig, 36), de Regnault {fig. 37), etc., donnent, au contraire, l'état hygrométrique réellement défini par le rapport de la tension actuelle de la vapeur à celle qui serait maxima à la température considérée. On commence par mesurer la température de l'atmosphère ; on en conclut, par l'étude des tables de tension maxima, quelle serait la tension de la vapeur saturante à cette température. Puis l'on refroidit artificiellement un thermomètre placé dans l'air à étudier, jusqu'à ce qu'il se dépose sur lui une petite couche de rosée indiquant que la tension actuelle de la vapeur serait saturante à la

LES APPAREILS DE MESURE

Fig. 36. — Hygromètre de Daniell.

Fig. 37.

Hygromètre de Regnault.

▲, a«pir*t«oi>; vr, tubes en verre ;

T, arrivée de l'air.

Fig. 35.

Hygromètre à

chev€U.

A, cheveu ^ B, poulie manie d'os contrepoids ; T, thermomètre.

Fig. 38.

1. Goniomètre d'application; 2. A et A', première et deuxième position; MI, rayon incident; IL, rayon réfléchi; IN, normale; 3. Goniomètre de Babinet.

Fig. 3».

Hypsomètre de Regnault.

Fig. 40. — Sextant. Fig. 41. — Rôfi-actomètre.

température artificiellement obtenue. On en conclut, par la lecture des tables, la tension actuelle de la vapeur. Le rap> port des deux tensions ainsi mesurées donne Tétat hygrométrique cherché.

On comprend rintérét de la connaissance de Tétat hygrométrique pour la prévision des phénomènes météorologiques qui consistent en une précipitation de vapeur d*eau (pluie,, rosée, givre, brouillard, etc.).

D, Hypsométrie. — Vhypsomèire [fig 39) donne un moyen détourné de connaître la hauteur des montagnes.

Il se compose d'un thermomètre très sensible autour duquel on fait bouillir de Teau. On sait que Tébullition du liquide se produit quand la température est telle que la tension ma^ima de sa vapeu^r soit égale à la pression atmosphérique. En mesurant la température d'ébullition, on a donc une indication qui, au moyen d'une table des tensions maxima, donne la pression barométrique actuelle; l'hypsomètre remplace un baromètre. Or, sur les montagnes, la pression diminue avec la hauteur; d'où un moyen de connaître la hauteur des montagnes en mesurant la pression au moyen de la température d'ébullition de Teau.

S"" Mesures faites au moyen de phénomènes lumineux.

A. Par application des lois de la réflexion. — Le goniomètre {fig, 38) est un appareil destiné à la mesure des angles dièdres formés par les faces des cristaux. Pour les cristaux à faces réfléchissantes, on remplace la mesure de l'angle des deux faces par celle de Fangle des rayons réfléchis par elles. Cela est beaucoup plus exact que l'emploi du goniomètre d'application dans lequel on fait coïncider avec Tangle plan à mesurer un angle dièdre formé par deux règles tournant l'une sur l'autre.

Le sextant [fig, 40) employé en marine pour la mesure des angles dont l'observateur occupe le sommet est également une application des lois de la réflexion.

117 LES APPAREILS DE MESURE

B. Par application des lois de la réfraction. — Le réfraciomètre {fig, 41) est rapplication directe des lois de la réfraction, et son nom le définit suffisamment; mais il y a un autre appareil bien plus intéressant, et qui donne <ies mesures d'une nature tellement imprévue que des philosophes comme Auguste Comte en avaient d'avance nié la possibilité; cet appareil est le spectroscope (fig, 42), au moyen dnquel on peut mesurer la composition chimique du soleil et des étoiles I

En observant le spectre donné par un prisme sur lequel tombe la lumière solaire, on constate que ce spectre présente, parmi les bandes colorées, des raies noires qui sont toujours à la même place par rapport aux bandes colorées. Une étude de lumières autres que la lumière solaire montre que chaque lumière chimiquement définie donne un spectre différent. De là l'idée que l'étude de la disposition des raies <lu spectre peut donner des renseignements de nature chimique. Une étude analytique suivie a montré que les raies noires du spectre sont superposables à des raies lumineuses que Ton obtient en produisant la lumière par l'incandescence de corps chimiquement définis; et l'on a vite compris que les raies noires sont des raies d'absorption; voici ce que cela veut dire: Si un corps A, porté à l'incandescence, fournit une raie brillante a, une lumière à spectre continu manifeste, après qu elle a traversé une certaine épaisseur de ce corps Aj une raie noire a superposable à la raie lumineuse a de tout à l'heure; c'est donc que le corps A, traversé par une lumière blanche complète, absorbe précisément la radiation qu'il eût pu fournir si on l'avait porté luimême à l'incandescence. On a pu ainsi caractériser chaque corps par ses raies brillantes ou ses raies noires et cela a permis de découvrir l'existence de ces corps dans les diverses parties du soleil. On a même trouvé un corps, l'hélium, dans le soleil, avant de le trouver à la surface de la terre. L'analyse spectrale est devenue le mode le plus précis

Lh DÉFINITION DE LA SCIENCE 118

d'analyse chimique. Cette année encore (1908), M. Urbain a découvert, par son application, un nouveau corps simple.

C. Par application de la loi sur Tintensité de la lumière. — LMntensité de la lumière décroît avec la distance et d'une manière inversement proportionnelle au carré de cette distance. Le photomètre^ qui est destiné à mesurer Tintensité des sources lumineuses, est basé sur ce principe. Il est, en effet, difficile et même impossible à Thomme de déclarer avec précision qu'une lumière donnée est n fois plus intense qu'une autre, et même, si l'on se reporte à la dernière partie de cet ouvrage, on verra qu'une convention tacite est à la base des mesures photométriques comme à la base des mesures dynamométriques. Une fois admis le principe de la diminution de l'intensité suivant le carré de la distance, il suffit de comparer les ombres portées par deux sources lumineuses sur un même écran (photomètre de Rumford) [fig. 43] et d'éloigner l'une des sources jusqu'à ce que l'intensité de son ombre soit égale à celle qui est portée par une source choisie pour unité et placée à l'unité de distance. Si nous ne savons pas déclarer qu'une intensité est double d'une autre, nous savons du moins déclarer que deux intensités sont égales (i) ; un simple calcul donne alors la mesure de l'intensité cherchée. Au lieu d'utiliser les ombres, on peut comparer les images des lumières dans un miroir sphérique formé par une petite sphère de métal poli. Dans le photomètre de Wheastone {fig. 44), on donne à une bille métallique un mouvement rapide et, au lieu de comparer les images des deux sources lumineuses, on compare les courbes tracées par ces deux images; on éloigne l'une des sources jusqu'à ce que les deux images soient également intenses.

D. Par la rotation du plan de polarisation. — Une lumière est dite polarisée quand elle est formée de vibrations se produisant toutes dans un même plan que l'on appelle

(1) Quand les lumières sont de môme couleur.

LES APPAREILS DE MESURE

Fig. 42. — Spectroscope.

Fig. 47. — Roue dentée de Savan.

Fig. 43. — Photomètre de Rumford.

Fig. 44. — 1. Photomètre de Wheatstone.

B, bille ; 2. courbes lumineuses que l'on observe.

Fig. 48. — Sirène de Cagniard- Latour.

Fig. 46. T- Sonomètre.

Fig. 49.

Lactobuty-

romètre.

plan de polarisation. Les méthodes de Toptique physique permettent de découvrir le plan de polarisation d'une lumière donnée. Or, certaines substances ont la propriété de faire tourner le plan de polarisation d'un rayon lumineux qui les traverse, et la rotation de ce plan est proportionnelle à répaisseur de la substance considérée, et à sa concentration s'il s'agit d'une solution. Biot a basé sur cette méthode un procédé de dosage des sucres {saccharimètre) [fig. 45]. Il ne faut pas confondre la polarisation rotatoire avec la polarisation chromatique qui permet aussi la réalisation de mesures chimiques quantitatives.

E. Par la transparence. — En océanographie, par exemple, on apprécie la teneur de Teau de mer en substances suspendues, en étudiant, aux divers points de l'océan, la transparence de cette eau. Pour que les mesures soient comparables, on a adopté un procédé de mesure conventionnel. Une plaque blanche de la largeur d'une assiette est suspendue à un fil par un procédé qui assure son horizontalité. Penché sur le bordage d'un vaisseau, l'observateur laisse couler lentement ce disque blanc en le suivant des yeux jusqu'à ce qu'il cesse de le voir. Après quelques tâtonnements, il arrive à fixer à peu près la position ultime où il l'aperçoit. Il mesure alors la longueur du fil suspenseur, et le nombre qui donne cette longueur fournit une évaluation conventionnelle de la transparence de l'océan à l'endroit considéré. Cette méthode donne des résultats peu précis, mais la précision de ces résultats suffit à l'objet que se proposent les océanographes et qui est surtout la connaissance des courants marins.

60 Mesures faites au moyen de phénomènes sonores.

Ces mesures sont principalement utilisées en acoustique, mais elles peuvent aussi être adaptées indirectement à des mesures qui sortent de ce cadre très restreint.

Pour la mesure des hauteurs des sons, c'est-à-dire pour

LES APPAREILS DE MESURE

Fi g. 50.

Électi-oscope de Saussure.

Fi g. 52.

Électromètre à quadrants

Fig. 54. Fig. 55. — Galva-

AlbuminimètPe nomètre de Dcprez d'Ësbach. et d'Arsonval.

Fig. 51.

Électroscope à feuilles d'or.

Fig. 53.

Schéma de l'électromètre absolu.

Fig. 56.

Voltamètre.

Fig. 57. — Voltmètre.

Fig. 58.

Ampèremètre enregistreur.

l'évaluation du nombre de vibrations à la seconde qui caractérise un son donné, on sarrange de manière à faire rendre un son identique au son considéré, au moyen d'un appareil qui permette de connaître le nombre correspondant de vibrations. Le sonomètre {fig, 46) est le plus anciennement utilisé. Le roue dentée de Savart (fig, 47) et la sirène .{fig, 48) donnent des résultats plus immédiats.

Depuis rinvention du téléphone, on comprend aisément que des variations dans la résistance d'un circuit électrique se traduisent, pour Toreille accolée au récepteur, par des variations d'intensité acoustique. On a basé sur ce principe un très curieux appareil permettant de connaître à Toreille, avec la plus grande facilité, le mouillage des vins I

V Mesures faites au moyen d'actions chimiques.

Toute la science de la chimie est basée sur des mesures de masses et sur des mesures calorimétriques. Mais il y a un certain nombre de mesures industrielles ou médicales que Ton effectue dans des appareils spéciaux, oCi Ton dose d'une manière conventionnelle Timportance d'un précipité, par la hauteur qu'occupe ce précipité fait dans certaines conditions, dans un vase gradué de forme donnée {butyromètre [fig. 49], albuminimètre [fig. 54], etc.).

S*" Mesures faites par des actions éiectriques.

L'électricité joue depuis quelques années un rôle si important dans l'induslrie qu'un volume suffirait à peine à l'étude des procédés de mesure basés sur les phénomènes électriques. On se contentera de signaler ici les plus fondamentales des méthodes de mesure basées sur les phénomènes électriques.

A. Mesures par des attractions électrostatiques. — Les électroscopes {fig. 50 et 51) sont des appareils destinés à constater qu'un corps est électrisé plutôt qu'à mesurer la quantité d'électricité dont il est porteur. On peut cependant utiliser les électroscopes pour des mesures. Les électro-

LES APPAREILS DE MESURE

Fig. 61. — Baromètre enregistreui*.

Fig. 60.

Machine de Morin.

fà

.jr

sr-î

gi

ly

âjt

Fig. 63. — Phonographe.

Coape transvenale et schématique :

C, cylindre enregistreur; F, man-

choQ de cire ; E, embouchure ;

T, membrane vibrante : R. ressort

maintenant l'aiguille P.

Fig. 64. — Sismographe.

mètres : électromètre à quadrants {fig. 52), électromètre absolu (fig, 53) sont plus spécialement destinés à la mesure.

B. Mesures par des actions électrochimiqnes. — Les lois de Faraday donnent une méthode de mesure très rationnelle et très exacte pour les intensités électriques. Le voltamètre {fig, 56), dans lequel on décompose de Teau par un courant, est le type des appareils à mesurer Tintensité par des actions électrolytiques. Mais, grâce aux lois de Faraday, on peut retourner la méthode et, au lieu d'employer les actions électrochimiques à la mesure des intensités des courants, se servir de ces actions pour étudier le poids atomique des corps. 11 suffit de signaler ici ces procédés de mesure qui découlent immédiatement de la connaissance des lois de Faraday.

C. Par des actions électromagnétiques. -~ C'est dans ce paragraphe que se rencontrent les plus nombreux des instruments de mesure utilisés par Tindustrie moderne. Ces appareils sont basés sur Taction des courants sur les aimants. Les lois d'Ampère font connaître ces actions.

hQ galvanomètre [fig, 55] le plus anciennement utilisé dans les laboratoires mesurait simplement la déviation produite par un courant dans la direction d'une aiguille aimantée soumise d'autre part à l'influence du magnétisme terrestre. L'introduction d'aiguilles astaliques a permis d'augmenter la sensibilité de cet appareil.

Enfin, l'industrie moderne, ayant besoin de connaître tantôt l'intensité des courants, tantôt leur force électromotrice, tantôt telle ou telle autre qualité des courants, a basé sur les actions électromagnétiques un nombre considérable d'appareils de mesure qui se perfectionnent tous les jours : voltmètres (fig. 57), ampèremètres {fig. 58), etc.