PREMIÈRE PARTIE

EXPÉRIExNGES ANÉMOMÉTRIQUES

Rarement dans les anémomètres (supposons pour plus de clarté qu'il s'agisse de l'anémomètre Robinson) l'enregistrement s'effectue plus d'une fois par minute; ainsi dans la pratique ordinaire du Bureau lïiétéorologique des Etats-Unis, l'enregistrement a Heu après le passage de chaque mille de vent (1610 m.) Il est évidemment nécessaire, pour découvrir les variations rapides du vent, d'observer l'instrument à des intervalles beaucoup plus rapprochés, au moins chaque seconde par exemple et non une fois par minute ou par heure. Il faut encore, pour constater les brusques irrégularités du déplacement de l'air, réduire le plus possible l'inertie de l'appareil. Sa vitesse acquise fausse ses indications en leur donnant un aspect de régularité qui n'est pas conforme à la réalité.

En 1887 je me servis d'un petit anémomètre ordinaire de Robinson, le seul dont je disposasse; les coupes avaient un diamètre de 76 mm., leur centre était à 170 mm. de Taxe de rotation. J'installai l'appareil à l'extrémité d'un mât dressé dans les terrains de l'observatoire d'AUegheny, sur un plateau formant le sommet d'une colline dominant d'environ 120 m. la vallée de l'Ohio. Dans celte situation exceptionnellement favorable l'anémomètre était donc affranchi de toutes les perturbations provoquées dans le régime du vent par la présence des inégalités terrestres, arbres, maisons, etc.

Le moulinet, relié électriquement au chronographe de l'observatoire, fermait le circuit tous les 25 tours; les indications chronographiques étaient ensuite mesurées et les résultats disposés sous forme de graphiques. Une partie du diagramme obtenu le 16 juillet 1887 est donnée planche VII; les abscisses représentent le temps et les ordonnées les vitesses du vent. Les points marqués sur la figure re'^résentent ces vitesses évaluées d'après les intervalles compris entre deux contacts successifs et mesurés sur les feuilles chronographiques. Pour la commodité de l'interprétation, ces points sont reliés par des lignes droites. En réalité on sait que les variations de vitesse, quoique très brusques, ne sont généralement pas discontinues; les lignes droites employées ici n'impliquent donc pas que le régime du changement de vitesse soit uniforme.

Les vitesses du vent variaient, pendant cette période d'observations, entre

16 et 40 km. à l'heure, etles mesures étaient prises à des intervalles de 7 à

17 secondes. Comme la rapidité réelle des variations était fortement atténuée sur le diagramme de la pi. VII en raison du poids et de l'inertie de l'anémo-

mètre, cl comme cette observation n'a pas été choisie pour représenter un vent anormal, mais bien le mouvement normal d'un vent ordinaire, on peut en conclure que celui-ci est loin d'être môme approximativement uniforme, si étroites que puissent être les sections sous lesquelles on le considère, et qu'il est au contraire irrégulier au-delà de tout ce qu'on peut concevoir, certainement au-delà de toute prévision.

Ces expériences me conduisirent, par une application de ces faits dont nous parlerons plus loin, à cette conclusion qu'il est théoriquement possible de faire progresser directement contre le vent un corps pesant entièrement plongé dans celui-ci, sans l'emploi d'autre force que celle dont la nature du vent fournit le principe, et même en se contentant des surfaces planes malgré les propriétés plus avantageuses des surfaces courbes.

De plus je croyais déjà pouvoir affirmer, sur la foi de ces expériences, que cette force pouvait être produite par les mouvements horizontaux de l'air sans que l'existence de courants ascendants fut indispensable. Mais d'autres occupations me réclamèrent et je ne repris qu'en 1893 ces attrayantes études.

Bien que l'anémomètre employé à Allegheny ait permis de mettre en évidence le fait essentiel de l'existence continuelle de fluctuations rapides dans la vitesse d'un vent même ordinaire et relativement uniforme, l'appareil n'était cependant pas assez apte à enregistrer les variations intérieures de la composante horizontale du mouvement de l'air représentant ainsi son travail virtuel, car l'inertie des bras et des coupes tendait à uniformiser les quantités observées (le moment d'inertie était d'environ 40,000 gr.cm^) et l'enregistrement ne se produisait que tous les 25 tours.

En janvier 1893 je repris donc ces recherches à Washington, • au moyen d'appareils avec lesquels je pensais remédier à ces inconvénients. J'établis les anémomètres sur le toit de la tour du Nord des bâtiments de l'Institut Smithson, à 46 m. 70 au-dessus du sol, la balustrade étant à 43 m. 30. M. G.-E. Curtis, à qui je les confiai, fut chargé d'effectuer des observations comparatives par des vents de diverses intensités, faibles, modérés ou forts. On employa d'abord un anémomètre Robinson, du modèle ordinaire du bureau météorologique, muni de coupes en aluminium et construit sur les données suivantes :

Diamètre entre les centres de deux coupes opposées m 34

Diamètre des coupes 10 cm 16

Poids des bras et des coupes 241 gr.

Moment d'inertie 40,710 gr.cm^

Je me servis ensuite d'un anémomètre extrêmement léger avec coupes en papier, de même forme et de même diamètre que dans les modèles ordinaires, et ainsi établi :

Poids des bras et des coupes 74 gr.

Moment d'inertie 8,604 gr.cm2

44 M. S.-l>. LANGLEY

On avait cfTeclué un grand nombre d'observations avec cet instrument, lorsqu'il fut emporté par un coup de vent. On le remplaça par un autre, ' beaucoup plus léger, do ma fabrication, mais qui fut encore brisé par le vent.

Je revins aux dimensions du modèle ordinaire, le poids était alors de 48 gr. et le moment d'inertie de 11,940 gr.cm^.

Finalement je construisis un nouvel appareil d'un diamètre moitié moindre de celui du modèle habituel: je remplaçai les hémisphères par des cônes du poids de 5 gr. et avec un moment d'inertie de seulement 300 gr.cm^.

Dans les anémomètres particulièrement légers, l'enregistrement électrique se faisait à chaque demi-révolution, sur un chronographe astronomique ordinaire placé sur le sol de la tour.

On effectua des observations :

le 14 janvier, par vent faible : vitesse 14,5 à 27,4 km. /h. (4,30 à 7,60 m. /s.);

le 25-26 janv., par vent modéré: vitesse 25,8 à 45 km./h.(7,20 à 12,50 m. /s.);

le 4-7 fév., vent modéré et vent fort: vil. 22,5 à 58km./h.(6,25àl6,10 m./s.).

Les planches VIII, IX et X montrent des fragments de ces résultats. La planche XI reproduit un extrait du diagramme obtenu avec le modèle d'anémomètre du Bureau météorologique, par un vent fort de nord-ouest.

Ces diagrammes mettent en lumière cette particularité remarquable que les fluctuations du vent sont d'autant plus accentuées que la vitesse absolue de celui-ci est plus considérable. Ainsi par un vent violent l'air se meut en une masse tumultueuse oii la vitesse peut s'élever à un moment donné jusqu'à 64,4 km. à l'heure (17,90 m./s.) pour tomber presque instantanément jusqu'au calme, reprendre ensuite, etc. (1).

Ce fait qu'un calme local absolu peut se produire momentanément par un vent fort prédominant, m'a vivement frappé pendant les observations du 4 février. En levant les yeux vers le léger anémomètre dont la rotation était si rapide qu'on ne pouvait distinguer séparément les coupes, je vis tout à coup celles-ci s'arrêter un instant, puis reprendre leur grande vitesse de rotation, le tout en moins d'une seconde; cette remarque confirmâmes soupçons sur l'insuffisance de l'enregistrement chronographique des indications d'un anémomètre môme exceptionnellement léger, pour exprimer la rapidité réelle de ces variations intérieures. Puisque la vitesse est coinptée d'après l'intervalle mesuré entre deux contacts électriques, un arrêt instantané, comme celui que j'ai observé fortuitement, sera représenté sur l'enregistreur comme un simple ralentissement du vent, et des faits aussi significatifs que ceux que je viens de citer passeront nécessairement inaperçus, môme avec l'appareil le plus sensible de ce genre.

On conçoit cependant que plus les contacts seront fréquents plus l'enregistrement s'approchera de la réalité, aussi ai-je eu soin d'établir un contact

(1) On peut voir pi. X, à 12 h. 23 de l'après-midi, un exemple de brusque variation semblable.

par chaque dcini-révolution du moulinet, ce qui donne lieu en général à plusieurs enrcgistremenls par seconde (1).

J'appelle maintenant rattenlion sur des enregistrements effectifs de variations rapides et, pour en donner une idée précise, je prendrai comme exemple les premières cinq minutes et demie du diagramme représenté pi. III.

Le trait fort passant par les points À B G est le tracé obtenu avec un anémomètre ordinaire du Bureau météorologique pour le passage de deux milles de vent (3220 m.) La vitesse qui, au début de la période considérée, était d'environ 37 km. àTheure (10m. 28 par seconde) tombe, pendant le premier mille, à un peu plus de 32,2 km. à Theure (8,95 m./s.) C'est là L'enregistrement anémométrique ordinaire à cette hauteur (47 mètres) au-dessus du sol, où le vent est soustrait aux perturbations résultant du voisinage immédiat

des inégalités terrestres et oii l'on admet communément que sa direction seule est soumise à des variations occasionnelles, ainsi que le montre en effet la girouette, tandis que son mouvement serait assez régulier pour qu'on puisse le considérer, pour un court intervalle de 2 à 3 minutes, et dans les circonstances ordinaires, comme approximativement uniforme. C'est donc là ce qu'on appelle « le vent » c'est-à-dire le vent conventionnel des traités d'aérodynamique où l'on ne le considère que sous l'aspect d'un courant pratiquement continu.

Mais il en est tout autrement si l'on examine le tracé enregistré dans le même temps de seconde en seconde, avec un anémomètre exceptionnellement léger. La vitesse initiale de 37 km. à Theure (10,28 m/s.) à midi 10'18", s'élève en 10 secondes à 53 km. (14,70 m/s.) revient, dans les 10 secondes suivantes, à sa valeur primitive, remonte ensuite en 30 secondes jusqu'à 58 km. /h. (16,10 m/s.) et ainsi de suite avec des alternatives analogues comprenant môme, à un certain moment, un calme absolu.

On voit aussi que la vitesse a passé par 18 maxima notables et par autant de minima, l'intervalle moyen entre un maximum et un minimum étant d'un peu plus de 10 secondes et la moyenne des changements de vitesse pendant ce temps, d'environ 16 km. par heure (4,45 m/s.).

On a figuré, dans l'angle inférieur de droite de la pi. IX, une représentation conventionnelle de ces fluctuations, dans laquelle cette période moyenne et cette amplitude moyenne sont prises comme type.

Ainsi ce sont là des faits que chacun peut contrôler en employant les moyens dont l'auteur s'est servi.

M) C'est une erreur très répandue de croire que ranémomètre ordinaire pourrait, malgré son poids, mesurer exactement la vitesse du vent si les frottements étaient nuls; l'inertie, en cfFct. loin d'être indifférente joue au contraire un rôle très important lorsque les variations de vitesse sont fréquentes et profondes comme nous le voyons ici et que la quantité de force, nécessaire pour triompher de cette inertie et modifier cette vitesse, est simplement une fonction de la densité du fluide, densité qui, nous avons lieu de le supposer, varie cUe-mcme sans cesse et avec une grande rapidité.

Bien qu'aucun des systèmes de baromètres en usage ne soit probablement apte à mesurer des changements de densité aussi rapides, nous pouvons néanmoins admettre que ces derniers n'excèdent pas certaines limites et qu ils n'affectent relativement pas les indications d'un anémomètre d'une légèreté si exceptionnelle.

Il est à peine utile d'ajouter qu'il s'est produit une quantité presque innombrable de maxima et de ininiina secondaires qui n'ont pu être représentés sur le diagramme.

Pour bien comprendre, on devra se persuader que le diagramme ne donne pas les vitesses existant à un même moment sur une longueur de deux milles de vent figurés, ni les changements dans la vitesse observés sur une seule molécule eifTectuanl ce même parcours, mais que c'est une représentation des vitesses que possédait ce vent aux moments successifs où il passait sur l'anémomètre, vitesses qui, à la vérité, devaient être sensiblement les mêmes quelques secondes avant et après l'enregistrement, mais qui étaient aussitôt remplacées par d'autres en une succession continuelle de variations.

Cependant quoique les observations ne montrent pas les changements réels de vitesse que chaque molécule donnée subit dans un parcours donné, ces fluctuations ne peuvent pas être matériellement différentes, comme caractère, de celles du diagramme, enregistrées à un point fixe.

Imaginons encore, pour fixer nos idées, deux molécules matérielles partant simultanément pour parcourir cet espace de deux milles : l'une avec une vitesse uniforme de 36,4 km. à l'heure (10m. 10 par seconde) — ce qui est la vitesse moyenne observée le 4 février entre midi lO'lS'^ et midi 15'45" — l'autre, pendant le même temps, avec les vitesses constamment variées indiquées effectivement par l'anémomètre léger (pi. IX). On peut figurer leurs positions à un moment quelconque sur un diagramme dans lequel l'abscisse de n'importe quel point représentera le temps écoulé, en secondes, et les ordonnées la distance, en pieds, du point initial à la molécule. Le chemin de la première sera ainsi représenté par une droite, et celui de la seconde par une courbe irrégulière passant tantôt au-dessus tantôt au-dessous de la ligne droite décrite au même instant, mais coïncidant avec cette dernière à la fin du parcours.

Si donc, sur une longueur de deux milles de vent, toutes les molécules matérielles étaient simultanément accélérées ou retardées comme cette seconde molécule, c'est-à-dire si l'air était un fluide non élastique et se déplaçant comme un cylindre solide, les vitesses enregistrées par l'anémomètre seraient identiques à celles obtenues le long de toute la région spécifiée. Mais dans la réalité il doit en être bien différemment puisque l'air est élastique et presque un fluide parfait, compressible et dilatable. Par suite, les vitesses successives d'une molécule quelconque (vitesses qui sont en réalité les résultantes de variations continuelles dans toutes les directions) doivent être considérées comme passagères, cette molécule prenant une vitesse semblable à celle qui est indiquée par la série de ces courbes très peu de temps avant que cet air arrive à Tanémomètre et perdant cette vitesse aussitôt après.

Nous ne rechercherons pas ici la cause de cette hétérogénéité du vent. On pense ordinairement que la présence des aspérités de la surface terrestre, y compris les bâtiments et tous les objets constituant des obstacles, suffit à

expliquer les principales irrégularités du vent au voisinage du sol. Mais je suis persuadé qu'il en est encore ainsi à une distance cpnsidérable du sol et qu'à un mille d'altitude par exemple (1609 m.) le vent n'est môme pas approximativement homogène ni son écoulement uniforme. Car si nous considérons l'air comme un fluide absolument élastique et sans frottement, tout mouvement qui lui serait imprimé persisterait indéfiniment, et les irrégularités actuelles du vent seraient le résultat de changements survenus dans un passé aussi lointain qu'on voudra le supposer. Si nous admettons que l'air, sans être absolument élastique et sans frottement, le soit cependant à peu près, nous pouvons aussi admettre, il me semble, que les altérations incessantes . qui caractérisent « le vent » sont dues à des impulsions antérieures qui y ont persisté et ne s'éteignent qu'avec une extrême lenteur. Il est plus facile alors de comprendre que nous puissions rencontrer, môme dans les hautes régions et à toute altitude, des variations locales, ou pulsations, comparables à celles que nous observons avec certitude à des altitudes moindres (1).