CHAPITRE VIII

PESANTEUR DE L'AIR ET DES GAZ

g 1. LA JIACHINE PNEUMATIQUE. — MACHINE PNEUMATIQUE OUDINAIRE. MACHINE BIANCHI A UN SEUL COIÎPS DE POMPE.

La découverte de la pesanteur de l'air et de la pression atmosphérique remonte seulement, nous l'avons vu plus haut, à un peu plus de deux siècles. Mais, bien avant Torricelli et Galilée, l'application du principe avait devancé la théorie, comme le prouve le récit même que nous avons donné et que nous a transmis l'histoire. C'est en effet la pression de l'air qui est la cause du mouvement ascensionnel de l'eau dans les pompes. Or on attribue généralement l'invention de ces appareils si utiles à Ctesibius, géomètre et mécanicien célèbre, qui vivait à Alexandrie 150 ans avant J.-C, ou un siècle environ après Archimède.

Nous renvoyons naturellement aux chapitres qui seront consacrés spécialement aux applications de la pesanteur, la description des diverses sortes de pompes usitées dans les arts industriels. Mais nous ne pouvons nous dispenser de décrire ici deux sortes de pompes qui sont d'un constant usage dans les recherches scientifiques, l'une destinée à faire le vide dans un récipient rempli d'air ou d'un gaz quelconque, ou tout au moins à le raréfier; l'autre, au contraire, à condenser ou à comprimer un gaz dans un espace fermé. La machine pneumatique et

la machine de compression sont les deux noms sous lesquels ces pompes spéciales sont connues.

L'expérience du tlibe de Torricelli donnait un moyen fort simple de faire le vide, et un vide aussi parfait que possible. Tel est en effet l'espace situé au-dessus de la colonne de mercure, espace auquel on donne le nom de chambre barométrique. Mais, si le procédé est simple, il est loin d'être pratique, puisqu'il nécessiterait l'emploi d'une énorme quantité de mercure dès que la capacité qu'on voudrait rarélier serait un peu considérable, et qu'à chaque opération les précautions à prendre seraient fort gênantes. Aussi a-t-on dès longtemps cherché d'autres moyens.

C'est en 1654 que fut imaginée et construite la première machine pneumatique. Olto de Guericke en était l'inventeur, et nous avons cité plusieurs expériences curieuses dues à cet observateur ingénieux. Bientôt cette machine reçut des perfectionnements importants, auxquels Boyle, Papin, Muschenbroek, 'S Gravesande, attachèrent leurs noms. Elle n'était, à l'origine, formée que d'un seul corps de pompe; mais on reconnut la nécessité d'en employer deux, pour annuler la résistance considérable que l'on éprouvait pour la manœuvrer.

Voici quelles sont les dispositions principales de la machine actuelle. Imaginons deux corps de pompe, munis à la paroi inférieure d'une soupape qui s'ouvre de bas eu haut, et d'un piston percé d'un orifice, que ferme une soupape de même sens. Les deux orifices inférieurs communiquent, par un canal commun, à une plaque bien dressée, sur laquelle on pose le récipient, et au centre de laquelle vient aboutir l'orilicc du canal en question. La figure 95 montre en coupe l'iui des corps de pompe, ses deux soupapes et le canal de communication. Le jeu de cette moitié de l'appareil étant bien compris, il sera facile de comprendre comment fonctionne Tensemble.

Partons du moment où le piston touche la base inférieure du corps de [)onipe. La cloche est remplie d'air à la pression

atmosphérique. Au moment où l'on soulève le piston, le vide se fait dans la partie inférieure du corps de pompe. L'air de la cloche qui remplit le canal de communication soulève par sa force élastique la soupape inférieure h (fig. 94), puis se répand dans le vide ainsi formé. Quant à la soupape du piston a, elle est maintenue fermée par la pression de l'air qui s'exerce extérieurement sur toute la surface du piston. Ce passage de l'air, de la cloche dans le corps de pompe, a lieu jusqu'à ce que le piston ait atteint sa position la plus élevée. Il est clair qu'en ce moment la quantité d'air contenue dans la cloche a diminué, et

Fig. 95. — Sou du piston et des soupapes dans la Fig. 94. — Détail du piston et des machine pneumatique (mouvement descendant). soupapes (mouvement ascendant).

qu'elle a diminué de moitié, si le volume du corps de pompe est précisément égal au volume du récipient.

Faisons maintenant parcourir au piston un chemin inverse. Au moment où il commence à descendre, la capacité du corps de pompe diminue, la pression de l'air qui s'y trouve contenu augmente , dépasse celle de l'air du récipient, et la soupape inférieure se ferme. Alors, à mesure que la descente du piston diminue la capacité inférieure, l'air contenu augmente de densité : dans notre hypothèse, cette densité sera redevenue égale à celle de l'air atmosphérique, dès que le piston atteindra la moitié de sa course. Plus loin, la pression intérieure augmente, soulève la soupape du piston (fig. 93), et l'air s'est écha])pé en

totalité à l'extérieur dès que le piston touche de nouveau la paroi inférieure du cylindre.

Ce seul mouvement de va-et-vient, analysé dans ses effets, comme nous venons de le faire ,. explique toute la suite de l'opération, puisqu'il a suffi à raréfier de moitié l'air de la cloche. Le gaz qui reste sera raréfié de nouveau dans la même proportion à une seconde, puis à une troisième manœuvre, et

Fig. 05. — Machino pnoumalique à deux corps Fig. 96. — Plan de la machine pncude pompe. Coupe transversale. niatique à deux corps de pompe.

ainsi de suite. Sa pression deviendra le quart, le huitième, le seizième de la pression primitive, ainsi que nous le verrons bientôt en démontrant la loi de Mariotte. La progression changerait, bien entendu, si le rapport entre la capacité du cylindre et celle du récipient changeait lui-même.

Les figures 94 à 97 vont maintenant expliquer la disposition réelle de la machine, et montrer quelle est l'utilité du second corps de pompe. La première fait voir comment sont disposées les denx S()npa|»es, celle du pisloii el viA\v de la partie

inférieure du corps de pompe. La soupape du piston est une petite plaque a, qu'un ressort à boudin très léger presse sur l'ouverture, et qui cède dès lors à une très faible pression en sens inverse. La soupape h du corps de pompe est conique; une tige qui passe à frottement dans le piston la soulève ou l'abaisse, mais à une très faible distance. La figure 95 montre que les tiges des ])istons sont formées de crémaillères qui s'en-

grènent à une roue dentée, de sorte que, par l'aide d'une manivelle à deux bras, on fait à la fois descendre un des pistons et monter l'autre. Grâce à cette disposition, le travail est doublé pour une même manœuvre, de sorte que l'opération durera moitié moins, pour un même degré de vide, que s'il n'y avait qu'un seul corps de pompe; mais, et c'est surtout le but qu'on s'est proposé , la résistance est réduite à son minimum ; car, à mesure que le vide se fait, cbaque pistou en montant doit,

il est vrai, supporter la pression atmosphérique qui agit sur sa base, mais d'autre part cette pression aide l'autre piston à descendre. De la sorte il y a compensation ou équilibre entre ces deux forces qui agissent à la vérité dans le môme sens, mais dont la résultante est appliquée à l'axe de la manivelle; cette résultante se trouve contrebalancée ou vaincue dès lors par la résistance de la m;ichine, sans fatiguer l'opérateur.

Les figures 96 et 97 donnent le plan et la vue extérieure de la macliine pneumatique à deux corps de pompe.

On y voit comment le canal commun, qui relie les deux corps de pompe par un tuyau, communique au centre de la platine : on nomme ainsi une plaque circulaire P tle verre dépoli, parfaitement dressée ou plane, sur laquelle on fixe, en enduisant leurs bords de suif, les cloches où l'on veut faire le vide. Si les récipients ont la forme de tubes, de ballons, etc., on les visse sur l'orifice du canal, au centre de la platine.

Un robinet R ajusté vers le milieu du tube de communication est percé de conduits qui permettent, soit d'établir ou de supprimer la communication entre la machine et le récipient, soit de laisser l'air extérieur pénétrer dans les corps de pompe, ou dans la cloche seule.

Sur le trajet du même conduit, on aperçoit un manchon de verre/ H (fig. 97) contenant un tube barométrique, ou manomètre, qui sert à indiquer à quel degré le vide est obtenu sous le récipient, c'est-à-dire quelle est la pression de la faible quantité d'air que ce dernier contient encore.

Enfin, les bonnes machines sont munies d'un appareil dont l'invention est due à M. Babinet. C'est un robinet au moyen duquel on peut, par un conduit spécial, ne laisser le récipient communiquer qu'avec un seul corps de pompe. L'air qu'il contient encore, après la manœuvre prolongée de la machine, est refoulé par un autre conduit sous le piston du second corps de pompe; et là, grâce à l'accroissement de pression qui résulte de ce refoulement, il finit par soidever la soupape. Le degré de vide est ainsi lec.ulé à une linn'te telle, que la jtres-

sion de l'air qui reste encore dans le récipient est à ])eine appréciable an manomètre.

La machine pneumatique île Bianchi n'a qu'un seul corps de pompe. Mais le piston divise le cylindre en deux compartiments qui alternativement reçoivent et expulsent l'air : c'est, à proprement parler, une pompe à double effet. La figure 98 fera comprendre la manière dont cette pompe fonctionne. Une même tige supporte les deux soupapes coniques mobiles qui se ferment ou s'ouvrent alternativement d'après le jeu du piston, ouvrant ou fermant ainsi la communication de chaque compartiment avec le récipient. L'air du compartiment inférieur, comprimé quand le piston s'abaisse, soulève une soupape maintenue par un ressort à boudin sur l'orifice d'un conduit ménagé dans la tige du piston ; il s'échappe au dehors par ce conduit.

L'air du compartiment supérieur Fig. os. — Maciilnc pneumatique

, -, ^ de Bianchi ; vue extérieure du

S échappe par une soupape du même corps de pompe, genre adaptée au couvercle du corps

de pompe. Un système d'engrenage est mis en mouvement par une manivelle ; et comme le corps de pompe a la liberté d'osciller dans un plan vertical, lemouvemenl alternatif du pisto'.i se trouve commandé par un mouvement continu de rotation, dont la vitesse est réglée par un volant très pesant ([)1. IX). Cette machine permet de faire rapidement le vide dans des récipients dont la capacité s'accroît avec les dimensions du corps de pompe.