DES CORPS

Avant d'aborder les phénomènes propres à la Pesanteur, nous devons encore arrêter l'attention du lecteur sur quelques notions préliminaires, indispensables à la complète intelligence des lois physiques. Quand nous aurons exposé tout l'ensemble de ces lois, il sera intéressant de revenir à ces notions générales, et de montrer quelle interprétation elles peuvent recevoir de la combinaison des forces dont les phénomènes physiques sont l'incessante manifestation.

Dès ce premier Livre, où c'est la force de pesanteur qui est en action, nous aurons l'occasion de profiter de ces notions préliminaires et aussi de les compléter sur des points importants.

§ i . CE qu'on doit entendre par phénomènes physiques. — DISTINCTION ENTRE LA PHYSIQUE ET LA CHIMIE.

Tous les corps de la nature, quelles que soient les apparences variées sous lesquelles ils se manifestent à nos sens, qu'ils

appartiennent aux êtres organisés, ou à la matière inorganique ou brute, sont doués cle propriétés multiples dont l'étude est l'objet propre de la physique générale.

Ainsi tous les corps sont pesants, et, en vertu de leur pesanteur, sont sujets à des modifications qui affectent leur état de mouvement ou d'équilibre; tous sont, à des degrés divers, élastiques, et, par les vibrations qu'on peut exciter dans leurs masses, susceptibles de produire des sons ou des bruits ; ils affectent, selon les circonstances, la forme solide, ou liquide ou gazeuse, et même un grand nombre d'entre eux peuvent successivement passer par ces trois états, lorsqu'ils sont soumis à l'action d'une chaleur plus ou moins intense; dans des conditions particulières, ils acquièrent des propriétés nouvelles, deviennent électriques ou magnétiques ; tous, en recevant la lumière d'une source, manifestent leur présence par la réflexion des rayons lumineux qui les rend visibles et colorés, ou par d'autres phénomènes sensibles; un grand. nombre, quand on les porte à une haute température, deviennent incandescents et jouent alors eux-mêmes le rôle de sources de lumière.

Toutes ces propriétés et les innombrables modifications qu'elles subissent dans un même corps, selon les circonstances, ou qui varient d'un corps à l'autre, sont des propriétés physiques, et ce sont leurs lois qu'il s'agit de déterminer dans la science que nous allons aborder.

Mais auparavant il y a une importante restriction à faire, une distinction nécessaire entre les phénomènes qui sont du ressort de la physique et ceux dont s'occupe la chimie. Rendons cette distinction aisée à comprendre par des exemples.

On sait — et c'est la chimie qui nous l'apprend — que tous les corps matériels sont formés d'un nombre limité de substances simples, irréductibles, indécomposables, du moins dans l'état actuel de la science et par les moyens qui sont aujourd'hui à sa disposition. C'est l'association intime ou la combinaison de ces corps simples, en des proportions variées mais définies, qui donne lieu à la prodigieuse diversité qu'on observe dans les

matériaux constitutifs de tous les corps, organisés ou bruts, vivants ou inanimés. Mis en présence, dans des conditions physiques spéciales, les éléments ou leurs composés se transforment, se modifient, c'est-à-dire se combinent ou se décomposent, en donnant lieu ainsi à tout un ordre de phénomènes dont la chimie étudie les lois. Or ces phénomènes chimiques se trouvent le plus souvent liés à des phénomènes physiques de chaleur, de lumière, d'électricité, avec lesquels il ne faut pas les confondre. En physique, les phénomènes généraux des corps sont étudiés abstraction faite des altérations qu'ils peuvent produire dans la constitution de ces corps, ou bien en tant qu'ils ne déterminent point de telles altérations. En chimie, au contraire, ce sont ces altérations ou changements de nature, ce sont leurs lois, c'est l'étude des propriétés nouvelles et spéciales résultant de tels changements, qui font l'objet propre de la science. La différence à cet égard est donc fondamentale. Ainsi que nous venons de le dire, éclaircissons cela par des exemples.

Prenons une certaine quantité d'eau. A la température ordinaire, l'eau est liquide. Refroidissons-la au-dessous du degré 0 du thermomètre ; elle va se contracter ou diminuer de volume jusqu'à ce que sa température soit abaissée à -1-4 degrés, puis se dilater jusqu'au point où elle prendra la forme solide d'une masse neigeuse ou d'un morceau de glace : à 0 degré ou au-dessous, l'eau est donc à l'état solide. Au contraire, échauffons-la et portons-la à 100" ; elle finira par se réduire en vapeur.

Dans ces trois états physiques, bien différents à certains égards, aucune des molécules qui constituaient la masse totale n'aura cessé d'être de l'eau, c'est-à-dire une certaine combinaison définie de deux gaz, l'hydrogène et l'oxygène. Sa constitution chimique n'aura été altérée dans aucune de ses parties ; tous les phénomènes qui auront pu se manifester sous ces trois formes, seront et resteront des phénomènes physiques.

Maintenant, supposons la même goutte d'eau traversée par le courant d'une pile. Des bulles de gaz vont se dégager de sa masse, les unes se portant au pôle positif, les autres au pôle

négatif de la pile; et si on les recneille jusqu'à décomposition complète de la goutte, on trouvera d'un côté deux volumes d'hydrogène, et de l'autre un volume d'oxygène. Cette décomposition aura bien eu pour cause un phénomène physique, la

Fig. 7. — Décoiiijjosition de l'eau par la pile électrique.

production du courant électrique ; mais elle-même est un phénomène d'un autre ordre, dont l'étude appartient à la chimie. Continuons la métamorphose. Reprenons et faisons passer

Fig. 8. — Synthèse de l'eau par l'eudiomètre.

dans l'eudiomètre l'oxygène et l'hydrogène en lesquels s'était décomposée la goutte d'eau. Puis faisons passer dans le mélange gazeux une étincelle électrique. Qu'arrive-t-il ? Les deux

gaz reprennent les liens de leur première association ; ils disparaissent sous cette forme, pour renaître sous celle d'une gouttelette liquide. C'est encore un phénomène physique, la décharge électrique, qui a déterminé la recomposition de l'eau, sa synthèse, comme on dit en chimie; mais cette dernière modification est elle-même un phénomène chimique.

Si l'on mélange, à la température ordinaire, trois parties en poids de fleur de soufre avec huit parties de limaille ou de tour^ nure de cuivre, la masse pulvérulente n'aura acquis aucune propriété nouvelle, différente de celles des particules qui la composent. Vue à la loupe, on distinguera fort bien les parcelles de soufre de celles de cuivre , et rien n'empêche d'imaginer que, par un triage mécanique, on sépare à nouveau les deux portions du mélange. Mais qu'on place le tout dans un creuset, et qu'on soumette celui-ci à l'action de la chaleur, et l'on va être bientôt témoin d'un phénomène des plus brillants. Une vive lumière se produit; une grande quantité de chaleur se dégage, et l'on trouve au fond du creuset une substance nouvelle, n'ayant plus aucune des propriétés caractéristiques ni du cuivre ni du soufre. C'est du sulfure de cuivre, combinaison chimique définie, qu'on trouve dans la nature, soit pur sous le nom de covelline ou de cuivre bleu, soit combiné avec du sulfure de fer, et formant, sous le nom de cuivre pyriteux, l'un des minerais de cuivre les plus communs.

Le phénomène de cette combinaison est encore un phénomène chimique, déterminé par l'action de la chaleur, laquelle est un phénomène physique.

Un morceau de fer doux, en contact avec un aimant, acquiert lui-même, temporairement, la propriété magnétique; de sorte que, comme l'aimant, il attire les parcelles de fer placées à proximité de ses pôles. Si, au lieu de fer doux, on employait un barreau d'acier, la propriété magnétique pourrait devenir permanente. Mais dans les deux cas la constitution du métal resterait la même qu'avant l'aimantation. C'est là un phénomène purement physique.

Nous pourrions multiplier les exemples. Ceux qui précèdent nous paraissent suffire à faire comprendre la distinction des deux ordres de faits, et par suite la différence d'objet des deux sciences la Physique et la Chimie.

Mais si la physique et la chimie ont des domaines séparés, ces deux sciences n'en ont pas moins un caractère commun, de sorte qu'Ampère les a, avec raison croyons-nous, considérées comme deux branches de la Physique géinérale, c'est-à-dire de la science qui étudie les lois des phénomènes généraux des corps, en tant que ces phénomènes sont indépendants de l'organisation ou de la vie'. Maintenant, pour conclure, est-il bien nécessaire de donner ici une définition de la physique, en mettant en regard une définition de la chimie? Presque tous les auteurs de traités le font, au début de leurs ouvrages, comme nous venons nous-mêmes de définir la physique générale; mais ces formules, nécessairement vagues, et qui d'ailleurs sont loin d'être concordantes, n'ont pas grande utilité pour ceux qui sont au courant de la science, et risquent de donner des idées inexactes ou incomplètes à ceux qui ne l'ont point encore étudiée. Il nous semble préférable d'aborder les faits, et de décrire avec quelques détails tous ceux qui seront propres à caractériser les diverses branches de la physique, et par conséquent à en préciser le programme.

§ 2. PKOPRIÉTÉS GÉNÉKALES DES COUPS. — Qu'eST-CE QUE LA MATIÈRE?

Ce sont les corps, ou agglomérations quelconques de matière, qui sont les matériaux de la physique'. Qu'est-ce donc que

1. Encore cette restriction, pour être juste, doit-elle êlre l)ien comprise. 11 y a une partie de la chimie, et non la moins importante, qui s'occupe spé'cialement des combinaisons et décompositions propres aux corps orj^aniques ; mais ce n'est pas l'organisation ou la vie dont se préoccupe le chimiste. De même, les corps vivants manifestent une série de phénomènes physiques, chaleur, électricité, ctc, qui leur sont particuliers. Considérés en eux-mêmes, ces phénomènes peuvent être étudiés par le physicien ; mais c'est à la physiologie que revient la tâche de déterminer leurs rapports avec les ])hénomènes vitaux. Les sciences naturelles sont pleines de ces rapprochements, où la confusion n'est d'ailleurs qu'apparente.

2. Les mathématiciens ctudieni les propriétés des corps géométriques, c'est-à-dire de l'éteii-

la matière? Voilà une question que les métaphysiciens et physiciens de tous les temps ont tournée et retournée sous mille faces, et qui peut donner lieu encore aujourd'hui aux controverses les plus délicates et les plus difficiles. Laissons là toutes les subtilités de la métaphysique, et appelons matière tout ce qui est capable d'exciter en nos organes une sensation, de quelque nature qu'elle soit; ce qui revient au même, tout ce qui cause une impression sur nos sens.

Cette faculté de déterminer une sensation correspond à une propriété de la matière, qui a ainsi autant de propriétés différentes qu'elle peut produire de sensations différentes en nous. Nous avons connaissance de l'existence des corps et de leurs propriétés par la vue, le toucher, l'ouïe, le goût, l'odorat; mais il est possible que certaines propriétés nous restent inconnues, si elles n'ont aucune action sur nos sens, ou si elles ne sont pas susceptibles d'être déduites par voie de raisonnement ou d'induction des propriétés sensibles \

Nous n'avons l'idée de la matière qu'autant qu'elle occupe un certain lieu de l'espace, c'est-à-dire qu'elle est étendue; en outre, qu'elle occupe ce lieu à l'exclusion de toute autre matière : ce qu'on exprime en disant que la matière est impénétrable. L'étendue et l'impénétrabilité sont, en d'autres termes, les deux propriétés essentielles de la matière; mais, tandis que la première nous est donnée par l'observation, la seconde échappe à toute vérification expérimentale, et n'est pour ainsi dire qu'une conception nécessaire de l'esprit.

Pourquoi dit-on que l'étendue et l'impénétrabilité sont essentielles à la matière? On comprend d'abord, sans qu'il soit

due figurée, ou d'une portion de l'espace terminée par des bornes idéales. La géométrie fait abstraction de la matière, qui constitue, au contraire, les corps physiques.

i. L'observation expérimentale a mis en évidence, depuis trois siècles, une multitude de propriétés qui étaient auparavant ignorées, parce que les conditions de leur manifestation n'avaient été suggérées par rien : ne citons que les propriétés électriques et magnétiques. La science en découvre chaque jour de nouvelles. Mais ajoutons qu'il est possible que certaines propriétés existent, sans que nous arrivions à les connaître jamais. Il suffirait pour cela d'admettre que nos sens ne sont pas assez parfaits, ou que certain sens spécial nous manque.

nécessaire de l'expliquer, qu'une portion de matière, si petite soit-elle, occupe forcément une portion de l'espace qui n'est pas nulle ; mais, seule, l'étendue serait une abstraction qui ne correspondrait à aucune réalité sensible. Nous verrons en optique que les miroirs concaves donnent, en avant de leur surface, des images d'un objet qui ont toute l'appai'ence extérieure de l'objet même, étendue, forme, couleurs. Ces images, qui sont étendues, ne sont cependant pas matérielles; il leur manque la seconde propriété de la matière, l'impénétrabilité. Non seulement on y peut plonger la main sans les faire disparaître, sans en déplacer les parties, mais on peut faire coïncider avec elles d'autres images analogues, en disposant convenablement un second ou un troisième miroir. Comme le dit M. Biot, « ce sont des formes et non de la matière sensible^ »

La matière étant essentiellement impénétrable, en est-il de même des corps, qui sont des composés de matière? Cela va de soi; mais là il faut s'entendre, sous peine de taire une confusion, qui du reste n'est qu'apparente.

Un clou, frappé d'un coup de marteau, pénètre dans un morceau de bois ; la main plongée dans un liquide en occupe la place ; notre corps se meut sans résistance bien sensible dans l'air. Ce sont là autant d'exemples grossiers d'une pénétration qui n'a rien de commun avecla propriété dont il est ici question : quand, un corps prend la place d'un autre corps, il est trop évident que tous deux n'occupent pas à la fois le même espace. Dans tous ces cas d'ailleurs, il est aisé de constater, ou que le volume total des corps qui se sont ainsi pénétrés, est égal à la

i . Cependant, si l'on voulait pousser plus loin l'analyse de ce fait, on pourrait dire que les images en question, que les physiciens nomment des images réelles, sont des réalités sensibles, et qu'elles sont telles parce que, là où elles se forment par la convernence des rayons lumineux, disons mieux, des ondes émanées de l'objet, il y a un milieu matériel. Sans l'éther, il n'y aurait pas de lumière, pas d'images ; or qu'est ce que l'éther, sinon de la matière, de la matière impondérable, il est vrai, mais de la matière, un substratum capable, par ses ondulations, d'aff(>cter nos sens? Il faudrait donc se demander si l'éther est im])énétrable. On peut, on doit même, croyons-nous, le concevoir Ici ; mais alors il est évident que toute preuve expérimentale de celte imjténétiabilité, ((ui nous échappe déjà pour la matière pondérable, nous échappe à fortiori poin- l'éther.

somme des Yoliimes qu'ils occupaient séparément; ou bien, si, comme dans le cas du clou, ce volume est moindre, c'est que par un effort plus ou moins violent, le corps le plus dur a refoulé, a comprimé l'autre.

Qu'on place dans une soucoupe un morceau de craie reposant sur une couche d'eau; en quelques instants l'eau est absorbée, la craie s'en est imbibée entièrement, et son volume n'a pas changé ; il y a pénétration apparente des deux corps : ce qui tient aux vides qui existent entre les molécules de la craie.

On pourrait citer des exem()les plus embarrassants de péné-

Fig. 9. — Pénétration apparente de l'eau et de l'alcool.

tration apparente. Dans un grand nombre de phénomènes chimiques, on constate que le corps formé par la combinaison de deux autres offre un volume tantôt moindre, tantôt plus grand que . la somme des volumes des corps composants. C'est le premier cas qui se réalise lorsqu'on mélange de l'eau avec de l'acide sulfurique ou avec de l'alcool concentré. Voici comment M. Daguin met ce phénomène en évidence. Il remplit d'eau à moitié un flacon, puis, au moyen d'un entonnoir dont le bec effilé est recourbé à angle droit, il verse sur l'eau du flacon de l'alcool, qui se répand à la surface et emplit le reste du vase, sans se mêler à l'eau. Alors il y plonge, sans remuer

les liquides, un tube muni d'un bouchon qui entre bien juste dans le col du flacon. L'alcool déplacé par le bouchon et par la portion immergée du tube monte à un niveau a, qu'on marque sur le tube. Si alors on fait tourner le flacon sur lui-même en l'inclinant, les liquides se mélangent, et à mesure on voit baisser le niveau dans le tube jusqu'en b. Le volume total a donc diminué; les liquides semblent s'être réciproquement pénétrés.

Mais à quoi tiennent ces dernières pénétrations apparentes? A deux propriétés que possèdent tous les corps, la divisibilité, la porosité. En réalité, la matière qui les compose n'est point continue; ses diverses parties, qu'on peut, par des procédés divers, isoler les unes. des autres, ne se touchent pas; il y a entre les plus petites d'entre elles des intervalles vides de matière, des interstices ou pores. Etudions les diverses formes sous lesquelles se manifestent ces deux propriétés dans les solides, les liquides et les gaz; nous comprendrons mieux ensuite dans quel sens doit s'entendre l'impénétrabilité de la matière. Mais commençons par définir les trois états physiques sous lesquels se présentent à nous tous les corps de la nature.

§ 3. ÉTATS PHYSIQUES DES CORPS. — LES SOLIDES, LES LIQUIDES ET LES GAZ.

Les corps, tels du moins que l'expérience nous les fait connaître, se présentent à nous sous trois états principaux, affectent trois formes ou apparences caractérisées par des propriétés distinctes.

Les uns, comme la plupart des minéraux, pierres, roches, métaux, sont constitués de parties dont l'adhérence est telle, que leur forme est permanente; du moins, pour modifier cette forme, à plus forte raison pour détacher les unes des autres les parties constituantes de ces corps, il faut exercer une force, le plus souvent considérable. Ce sont les solides, et tout le monde sait qu'on nomme dureté, ténacité, la résistance qu'ils opposent aux effoi'ts qu'on fait pour les diviser en parties, les

rayer avec des corps plus durs qu'eux-mêmes, les briser ou les rompre. Il résulte de ces proj^riétés des corps solides des conditions particulières relatives à leur état d'équilibre et de mouvement.

L'état liquide est celui des corps dont les plus petites parties cèdent aisément aux pressions les plus faibles, glissent ainsi avec une mobilité plus ou moins grande les unes sur les autres, sans cesser toutefois d'être unies et en apparence continues.

L'eau, diverses substances d'origine animale et végétale, comme la sève, le lait, le sang, le vin, l'huile, un métal à la température ordinaire, le mercure, sont des corps liquides, et l'on sait que la propriété commune à tous ces corps et caractéristique de leur état physique est qu'une masse quelconque, un peu grande toutefois*, n'a point par elle-même de forme déterminée : cette masse prend la forme des vases solides qui la renferment, se moulant spontanément pour ainsi dire sur cette forme. Mais les liquides ont aussi avec les solides une propriété commune, à savoir que, si les uns et les autres ne sont soumis à aucune variation dans leur température et dans les pressions qu'ils supportent, leur volume reste constant.

Enfin, d'autres corps, comme l'air, ont dans leurs molécules une mobilité analogue à celle des liquides, généralement même beaucoup plus grande : ce sont les gaz; mais, tandis que les molécules liquides conservent encore entre elles une adhérence qui les unit en un tout de volume invariable, les molécules des gaz, au contraire, ont une tendance à s'écarter les unes des autres, à se séparer. Il en résulte qu'une masse gazeuse presse dans tous les sens les parois des vases oii elle est contenue, de sorte que, si le volume de ces vases augmente, la masse le remplit néanmoins tout entier, en augmentant elle-même de volume. L'expansibilité des gaz se constate par des expériences fort simples. On prend par exemple une vessie, on y laisse

1. En petites masses, la plupart des liquides prennent une forme sphérique, lorsqu'ils restent suspendus dans l'air, ou en contact avec les surfaces de corps qu'ils ne mouillent point.

pénélrer une certaine quantité d'air ou d'un autre gaz quelconque, et l'on en ferme hermétiquement l'ouverture. En cet état, la vessie conserve sa forme; le volume d'air ou de gaz qu'elle contient reste le même ; en un mot elle ne se gonfle pas» parce que la force expansive du gaz intérieur est contrebalancée par la pression de l'air extérieur. Mais si on la place sous le récipient d'une machine pneumatique, et qu'on y fasse le vide, on voit la vessie se gonfler peu à peu, jusqu'à ce que ses parois soient complètement tendues. En laissant rentrer l'air dans le récipient, la pression extérieure aux parois de la vessie reprend peu à peu sa force première , et l'on voit la vessie diminuer progressivement de volume, jusqu'à ce qu'elle ait repris son apparence primitive. Cette expérience démontre à la fois l'expansihilité et la compressibilité des gaz , c'està-dire la propriété qu'ils ont d'augmenter ou de diminuer de volume, selon les variations de la pression à laquelle ils sont soumis.

Les mômes phénomènes se constatent lorsque, sans modifier la pression, c'est la température du gaz qui change; son volume augmente à mesure que la chaleur s'accroît ; il diminue dans le cas contraire.

Tels sont les trois états physiques sous lesquels nous voyons les différents corps de la nature; mais ces corps ne conservent pas toujours la môme forme, leur état physique n'est pas permanent; un grand nombre d'entre eux peuvent se présenter successivement à l'état solide, à l'état liquide et à l'état gazeux^ et c'est principalement sous l'influence des variations plus ou moins grandes de leur température qu'ils passent d'un état à l'autre. Qui ne sait que l'eau, liquide à la température ordinaire ou moyenne de nos climats, se congèle ou devient solide dès qu'elle est soumise à un froid suflisamment intense? qu'elle se vaporise ou prend l'état aériforme ou gazeux même à la température ordinaire? Une température qui dépasse un certain degré la réduit tout entière à l'état de vapeur. Les métaux se liquéfient }»ar la chaleur et se vaporisent aussi ; le mercure,

ÉTATS PHYSI^QUBS DES CORPS. 17

ordinairement liquide, se solidifie à 40" au-dessous de zéro. Nous étudierons plus tard ces divers changements d'état et les phénomènes dont ils sont accompagnés. Aujourd'hui tous les corps, ou du moins tous les éléments matériels qui composent les corps peuvent être regardés comme susceptibles de prendre les trois états. Toutes les matières solides ont pu être liquéfiées ou fondues ; tous les gaz , même ceux que l'on considérait comme permanents, ont été réduits à l'état liquide, puis à l'état solide. Nous verrons plus tard les curieuses et toutes récentes expériences qui ont démontré l'universalité de ces intéressantes transformations.

Un grand nombre de corps, du reste, sont composés de parties liquides et de parties solides si intimement unies, qu'ils ont l'apparence des corps solides : telles sont nombre de substances appartenant aux corps organisés, animaux et végétaux. Il en est de même de certains minéraux : telle est l'argile par exemple, lorsqu'elle n'a pas été soumise à une dessiccation complète. Tous ces corps sont plus ou moins mous, c'est-à-dire se déforment avec une facilité plus ou moins grande, sans l'intervention de forces plus ou moins considérables. La liquidité n'est donc pas plus que la solidité une propriété absolue des corps : la mobilité de leurs molécules varie énormément depuis la consistance pâteuse de certains d'entre eux jusqu'à l'extrême mobilité de certains autres, par exemple des éthers. Dans des circonstances particulières enfin, il est des gaz qu'on amène à un état intermédiaire entre l'état gazeux et l'état liquide.

De nos jours, un physicien distingué , M. Boutigny, s'appuyant sur de nombreuses et intéressantes expériences, dont nous parlerons plus loin, a proposé de considérer un quatrième état physique des corps, auquel il a donné le nom d'état sphéroïdal, parce que, dans des circonstances spéciales, les très petites masses liquides, au lieu de prendre la forme du corps sur lequel elles reposent, se maintiennent sous la forme d'une sphère. Mais cette manière de voir n'a pas été adoptée par les physiciens, qui n'ont vu là que des cas particuliers des autres I. 7

olats. Enfin, tout récemment, un physicien anglais, M. Crookes, a également proposé d'admettre un quatrième état des corps, qui se manifeste lorsque le vide a été fait dans un vase clos, à un degré extrême de raréfaction. La matière qui reste dans le vase ne jouit plus, prétend-il, des propriétés qui constituent l'état gazeux. L'appareil où se passent les phénomènes propres à ces conditions spéciales ayant reçu le nom de radiomètre, M. Crookes appelle état radiant ce quatrième état de la matière. Nous reviendrons sur ses expériences dans un chapitre spécial

du MOXDE PHYSIQUE.