LE SEXTANT

dence avec celle de la première, au centre du champ de la ■lunette.

Quand on veut mesurer la distance angulaire d’une étoile à la lune, c’est l’étoile qu’on vise directement, et l’on amène l’image du bord du disque lumineux en contact avec l’image de l’étoile. S’il s’agit de la distance du soleil à la lune, c’est l’image

ITg. 113. — Officier de marine observant avec le sextant.

du soleil qu’on amène au contact de l’image lunaire ; mais alors on emploie des verres colorés placés en avant du grand miroir pour affaiblir l’intensité des rayons du soleil.

Enfin, si la distance angulaire qu’on veut mesurer est celle d’un astre au-dessus de l'horizon, ce qu’on nomme sa hauteur, on tient le sextant verticalement, de façon que l’astre soit dans son plan, et l’on vise directement avec la lunette l’horizon formé par la surface même de la mer. Si cet horizon manque, on est obligé d’employer un horizon artificiel, soit un bain de mercure, soit une glace polie placée horizontalement à l’aide de trois vis calantes et d’un niveau.

§ III — Les Goniomètres

Il existe, comme on sait, dans la nature un grand nombre de corps qui ont une forme géométrique définie, le plus souvent terminés par des faces planes et polies diversement assemblées. Ce sont les cristaux. Les minéralogistes qui trouvent les cristaux tout formés dans les roches, les chimistes qui les obtiennent par divers procédés, ont un égal besoin, pour les définir, de connaître avec précision les angles des faces d’un même cristal. Ils y parviennent à l’aide d’instruments qu’on nomme goniomètres (de 'ywvîa, angle, et g.ixoov, mesure), et qui sont généralement basés sur le même principe, celui des lois de la réflexion des rayons lumineux. Le plus souvent, en effet, les faces des cristaux ont un pouvoir réfléchissant assez grand pour qu’on puisse considérer et employer chacune d’elles comme un miroir plan.

Les goniomètres de réflexion sont assez nombreux. Nous nous

bornerons à décrire deux des plus employés, le goniomètre de Wollaston et le goniomètre de Babinet , inventés par chacun de ces deux célèbres physiciens.

Le goniomètre de Wollaston se compose des pièces suivantes :

1° I) est un limbe vertical divisé en degrés sur sa tranche et mobile sur un axe horizontal, qu’on fait tourner à volonté au moyen d’une virole G. Un vernier V, fixé sur le montant de l’instrument, sert à indiquer l’angle dont on a fait tourner le limbe.

2° L’axe du limbe est creux; il est traversé par une tige qui peut tourner sur elle-même, indépendamment du limbe, à l’aide d’une virole A. Cette tige supporte une pièce articulée, qui elle-même porte une plaque métallique, susceptible de tourner en divers sens au moyen d’un bouton et des articulations. C’est sur cette plaque qu’on place le cristal dont il s’agit de mesurer un des angles.

LES GONIOMÈTRES

Voici comment on procède à cette mesure.

On fait choix de deux mires horizontales parallèles, par exemple de l’arête d’un toit de maison et d’un barreau d’une croisée du rez-de-chaussée; ou encore on prend pour mire supérieure l’arête supérieure d’une fenêtre ouverte dont la ligne sombre se détache sur le ciel , et pour arête inférieure le rebord d’une table ou celui d’une feuille de papier posée sur cette table.

Fig. 144. — Goniomètre à réflexion de Wollaston.

Cela fait, on place le goniomètre dans une position telle que le limbe en soit bien vertical (un niveau à bulle d’air et les vis calantes du pied permettent d’obtenir ce résultat), et en même temps dans une direction perpendiculaire aux mires choisies. Alors on dispose le cristal sur la plaque de l’instrument en l’y maintenant avec de 1a. cire ; et il importe de le placer de façon que l’arête de l’angle à mesurer soit elle-même perpendiculaire au limbe ou parallèle à l’axe de rotation. On se sert pour cela des images des deux mires obtenues par réflexion sur les deux faces, images qui, pour chacune des faces, doivent être bien parallèles entre elles.

Une fois ces dispositions préliminaires prises, on place le zéro du limbe en coïncidence avec le zéro du vernier. Faisant tourner alors le cristal avec la virole A, on amène l’image de la mire supérieure en coïncidence avec la mire inférieure vue directement. Puis on tourne le limbe lui-même, et par conséquent le cristal, jusqu’à ce qu’on obtienne la même coïncidence, mais cette fois sur la seconde face du cristal. Ce dernier a pris les deux positions qu’indique la figure, et chaque face a tourné de l’angle a (%• 145).

La lecture de l'angle de rotation du limbe donne en degrés et fractions de degré, non pas l’angle [3 du cristal luimême, mais son supplément géométrique, y, d’où l’on déduit le premier par un simple cal cul.

Le (joniomètre de Bahinet consiste en un limbe divisé horizontal portant un collimateur fixé invariablement sur un rayon du cercle. C’est une lunette portant à son foyer optique deux lils croisés. Une seconde lunette mobile peut tourner, à l’aide d une alidade munie d’un vernier, autour du centre, ou être fixée dans une position quelconque au moyen d’une vis de pression. Enfin, une plateforme, placée au centre du limbe, peut tourner autour de son axe vertical, au moyen d’une alidade, munie elle-même d’un vernier (fui sert à mesurer l’angle de rotation. C’est sur cette plate-forme que l’on pose le cristal, en ayant soin de donner à l’arête de l’angle à mesurer une position parfaitement verticale.

\ oyons maintenant comment on procède à. la mesure de l’angle.

Fig. 146. — Goniomètre à réflexion île Babinet.

Fig. 145. - - Principe géométrique du goniomètre; angle de rotation du cristal.

LES HÉLIOSTATS

On fixe d’abord la lunette mobile en une position qui fait un angle quelconque avec celle du collimateur; on amène le zéro du vernier de l’alidade vis-à-vis du zéro du limbe, et l’on tourne le support du cristal jusqu’à ce qu’on voie dans la lunette le fil micrométrique placé à son foyer coïncider avec l’image du fil du collimateur vue par réflexion sur l’une des faces du cristal.

A ce moment, on tourne de nouveau le cristal, mais cette fois à l’aide de F alidade elle-même, jusqu’à ce que la même coïncidence ait lieu avec l’image réfléchie vue sur l’autre face du cristal.

L’angle de rotation, mesuré au vernier de l’alidade, est celui des deux normales aux faces réfléchissantes ; de sorte qu’en calculant le supplément de cet angle, on aura celui des deux faces du cristal .

La figure 146 représente un goniomètre de Babinet monté sur un pied à genou; mais on en fabrique de plus petits et de plus simples qu’on peut tenir à la main à l’aide d’une poignée.

Le même instrument peut servir dans les recherches d’optique toutes les fois qu’on emploie des prismes dont il est nécessaire de connaître l’angle avec exactitude.

§ IV— Les Héliostats

Dans un grand nombre d’expériences d’optique, il est nécessaire de projeter, suivant une direction constante, un faisceau de lumière solaire, ce que le mouvement diurne du soleil ne permet pas d’obtenir directement dans les expériences de quelque durée. Si le faisceau est d’abord reçu sur un miroir plan d’où il est renvoyé, par réflexion, vers le point ou vers l’objet qu’il s’agit d’éclairer, il faut changer progressivement l’inclinaison du miroir pour conserver au faisceau réfléchi sa direction constante.

On y parvient au moyen des porte-lumière, appareils que

nous avons eu l’ occasion de décrire quand il a été question du microscope solaire (. P hé nom . de la physique , p. 232 et 233), et qui consistent en un miroir susceptible de tourner à volonté autour de deux axes, l’un horizontal, l’autre vertical, si le faisceau réfléchi doit avoir lui-même une direction horizontale. Mais l’intervention de l’observateur est toujours nécessaire pour modifier dans un sens convenable l’orientation du miroir.

Les héliostats sont des appareils destinés à rendre cette inter-

Fic. 147. — Principe géométrique des divers systèmes d’Iiéliostats,

vention inutile : le miroir qui en constitue la pièce réfléchissante est mis en mouvement d’une façon continue par une horloge, et un mécanisme approprié le maintient constamment dans une inclinaison telle que les rayons solaires, réfléchis à sa surface, suivent une direction constante, malgré le mouvement diurne de l’astre.

Il y a des héliostats de constructions variées, nous nous bornerons à mentionner ceux qui portent les noms de Silbermann et de Foucault, leurs inventeurs. Mais, auparavant, nous ferons connaître le principe commun à tous , et sans lequel on ne

LES HÉLIOSTATS

pourrait comprendre leurs dispositions ni le jeu de leur mécanisme.

La ligne PP' représentant l’axe du monde, la ligne de direction invariable autour de laquelle a lieu le mouvement diurne des étoiles et du soleil, le cercle S sera la route apparente parcourue par ce dernier astre en un jour, l’angle SOP étant la déclinaison du soleil à l’époque considérée. En A, est un cadran équatorial sur lequel l’ombre du style AO marque à chaque instant l’heure du jour. La ligne SOB indique donc le chemin suivi par un faisceau de rayons solaires, et, si l’on conçoit que la ligne OB tourne autour du point O en suivant constamment l’extrémité B du rayon AB, elle sera toute la journée la route de la lumière incidente.

Soit RR la direction suivant laquelle on veut que les rayons solaires soient constamment réfléchis, la bissectrice AN' de l’angle SOR sera la normale au point d’incidence, ce qui détermine la position que le miroir mm doit occuper au moment supposé, pour que la réflexion se fasse suivant la direction voulue.

Toute la question est donc de maintenir le miroir dans une position relative toujours la même, par rapport à la direction constante des rayons réfléchis et à la direction variable des rayons solaires incidents. On y arrive de plusieurs manières.

1° On place au-dessous du cadran équatorial une horloge qui fait mouvoir une aiguille BA et lui fait décrire un cercle entier en vingt-quatre heures . Cette aiguille se trouve donc sans cesse dans la direction qu’occuperait précisément l'ombre du style. A son extrémité est fixée une tige BO à laquelle on donne une inclinaison, sur le cadran, égale à la déclinaison du soleil pour le jour de l’observation. C’est là une première condition à laquelle satisfont pareillement les divers systèmes d’héliostats.

2° La tige OB porte le miroir ; elle est liée à un parallélogramme articulé 0 abc, dont la diagonale O b coïncide avec la bissectrice de l’angle SOR, c’est-à-dire avec la normale au point

20/i APPLICATIONS DES PHÉNOMÈNES ET DES LOIS DE LA LUMIÈRE

d’incidence, le côté fixe O a dn parallélogramme étant dirigé suivant la direction OR qu’on veut donner au faisceau réfléchi. Tel est le système d’héliostat imaginé par J. T. Silbermann, et qu’on voit réalisé dans la figure 148.

3° Soit maintenant OC une tige de longueur constante pouvant prendre autour du point 0 une position quelconque, celle qu’on

Fig. Fi8. — Iléliostat de J. T. Silbermann.

veut donner au rayon réfléchi. Cette tige est creuse et porte une fourchette à laquelle est fixé le miroir mW, qui peut aussi tourner autour de OR et autour de RC. Une autre tige CD, disposée dans le plan du miroir, est articulée à un anneau en D, à l’extrémité d’une tige OD égale à OC. Un rayon S'C qui tombera sur le miroir parallèlement à SO sera réfléchi suivant CR. Telle est la disposition de l’héliostat de Gambey.

LES HÉLIOSTÀTS

4° Le miroir est supporté en G par une tige verticale autour de laquelle il peut prendre toutes les directions possibles. Il est dirigé par une autre tige CB normale à sa surface et articulée en II à un anneau fixé sur OB a une distance OB = OC. Dans son plan, une troisième tige Cl) est percée d’une rainure dans laquelle peut glisser le prolongement OD de OB. Les deux

Fig . 149. — lléliostat de Léon Foucault.

triangles OCD et OBC sont toujours isocèles, de sorte que la normale CB au miroir est parallèle à ON, bissectrice de l’angle des rayons incidents et réfléchis. C’est le principe de l’héliostat de Léon Foucault.

Ces principes posés, il est aisé de comprendre le mécanisme des trois systèmes d’héliostats de Gambey, de Silbermann et de Foucault, dont les deux derniers sont reproduits par les figurés 148 et 1 49.

§ V - Le SlDÉROSTAT

Un grave inconvénient des instruments employés dans les observatoires aux recherches d’astronomie physique, c’est que l’ observateur doit se déplacer avec l’oculaire de la lunette, selon le point du ciel qu’il étudie , et avec le mouvement de rotation diurne qui entraîne ce point. De là, pour lui, des positions fort incommodes, gênantes et fatigantes, et, en somme, nuisibles à l’étude du phénomène observé.

Quand il s’agit d’observations à la lunette méridienne ou au théodolite, l’emploi d’un prisme rectangulaire, à l’intérieur duquel les rayons lumineux subissent la réflexion totale, permet de renvoyer l’image dans une direction constante : on nomme limette brisée l’instrument où cette modification est apportée. Mais c’est une solution qui n’est point applicable aux équatoriaux, instruments dont l’axe se déplace uniformément autour de l’axe du monde, et suit l’astre observé à mesure que l’entraîne le mouvement diurne.

C’est dans le but de remédier à cette lacune et d’éviter les inconvénients signalés plus haut , que Léon Foucault a imaginé l’instrument auquel il a donné le nom de siclérostat. Ce n’est autre chose qu’une lunette astronomique, dont Taxe optique est invariablement fixé dans une position horizontale, au devant de laquelle l’image du point du ciel qu’il s’agit d’observer est renvoyée par un miroir mû par un mouvement d’horlogerie, et susceptible de prendre à chaque instant la position variable qu’exige le mouvement diurne. Tout le ciel peut donc ainsi, à la volonté de l’observateur, défiler devant la lunette, qui reste immobile, et celui-ci, sans se déranger, conserve l’œil à l’oculaire de l’instrument. Le sidérostat est donc en réalité une espèce d’héliostat où la direction du rayon réfléchi reste constante et horizontale.

LE SIDEROSTAT

La ligure 150 permet d’en saisir nettement la disposition.

Le miroir peut tourner autour d’un axe horizontal porté lui-même par deux montants verticaux tournant à volonté sur une couronne de galets autour d’un axe vertical. Il est soutenu par] une tige normale à sa surface, qui glisse dans un

anneau embrassé par une fourchette dont l’axe donne la direction des rayons incidents de l’astre observé. Cette fourchette est articulée, à son autre extrémité, au bout d’un axe qui est parallèle à l’axe du monde, et qui tourne sur lui-même d’un mouvement uniforme avec la vitesse angulaire du mouvement diurne.

Un cercle divisé permet de fixer la direction de l’axe de la

fourchette, de manière que F angle qu’elle fait avec l’axe du monde soit égal à la distance polaire de l’astre. L’angle horaire de ce dernier étant donné pour le moment où l’observateur doit commencer, on dispose l’instrument de manière (jue les rayons de l’astre viennent tomber dans le plan qui passe par l’astre et par l’axe de la lunette, et le mouvement l’y laisse ensuite pendant tout le temps de l’observation.

I ne des grandes difficultés de la construction du sidérostat, c’était le miroir plan dont la surface doit être travaillée de manière à offrir une perfection géométrique aussi grande que possible. C’est en cela que consiste la différence essentielle de Fhéliostat et du sidérostat. Dans lhéliostat, le principal est d’obtenir une direction constante pour les rayons réfléchis; comme c’est la lumière qu’on étudie, non la source lumineuse elle-même, il importe peu que celle-ci soit ou non déformée. Le sidérostat, au contraire, doit donner une image exacte, identique, du ciel lui-même, des astres, de leur figure, de leur mouvement. Ce problème difficile de la réalisation d’un {dan optique a été résolu par Léon Foucault à l’aide d’une méthode dont cet habile et regrettable physicien a laissé tous les éléments entre les mains d’un de ses amis, M. Ad. Martin.

Voici comment M. Wolf apprécie les avantages du nouvel instrument qui malheureusement, à l’heure où nous écrivons, n a pas encore reçu la consécration d'une expérience suffisamment prolongée : « Il n’est point d’observateur, dit-il, qui n’ait eu à lutter contre les difficultés que présente l’adaptation à la lunette d’un équatorial, d’un grand spectroscope , des chambres photographiques, des appareils de projection ou de recherches photométriques. Toutes ces difficultés disparaissent par l’emploi du sidérostat. Les instruments des cabinets de physique, quels <pie soient leur poids, leur volume et leur forme, viennent se {dacer devant le foyer de la lunette comme devant le portelumière de la chambre obscure, et l’astronome étudie la lumière de tous les astres dans les mêmes conditions où le physicien

LE SIDEROSTAT

a étudié la lumière solaire. Par là bien des expériences, aujourd’hui presque inabordables, peuvent se réaliser aisément, et particulièrement celles qui exigent une stabilité parfaite de l’instrument de mesure : telles sont les déterminations des positions absolues des raies spectrales et des déplacements de ces raies, les mesures photométriques , etc.

» Le miroir du sidérostat , essayé sur le ciel avec l’excellente lunette de Cauche, de 16 centimètres d’ouverture, qui appartient à l’Observatoire, et des grossissements de 100 à 300 fois, ne produit aucune déformation du faisceau provenant d’une étoile sous une incidence de plus de 45°. »

La perte de la lumière occasionnée par la réflexion est faible ; d’après les expériences de Foucault, elle ne s’élève pas, pour l’argent poli des miroirs, à plus des ~ de la lumière incidente. D’ailleurs, le poli dure très-longtemps, et, comme la réargenture est facile, on peut remettre en état le miroir dès que la surface en est altérée pour une cause quelconque L

Espérons que cet instrument nouveau, entre les mains d’observateurs savants et habiles, justifiera les espérances qu’il a fait concevoir, par les découvertes et les travaux astronomiques qu’il rendra possibles.

1. Le sidérostat a été construit par M. Eichens, sous la direction de MM. Wolf et A. Martin.