C4 MECANIQUE INDUSTRIELLE
rizonlalenient, à peu près de la même manière que noua avons mesuré le travail mécanique véritable par le produit de l’effort et du chemin décrit dans le sens de cet effort; mais encore on a quelquefois comparé entre eux ces deux genres de travaux, d'autant plus distincts, que Tun est absolument nul à l’égard de l’autre, ainsi que nous l’avons expliqué ci-dessus.
Mais ce qui prouve incontestablement que, sous le point de vue purement mécanique, et lorsqu’on n’a point égard au mode particulier d’agir des moteurs animés, lesquels peuvent se fatiguer sans absolument rien jirodiiire d’extérieur, ce qui prouve, disons-nous, que le transport horizontal des corps ne suppose pas en lui-même une dépense nécessaire de travail mécanique, c’est qu’on peut diminuer indéOniment cette dépense par des appareils ou des dispositifs matériels convenables, tels que des voitures, des bateaux, des chemins de fer, etc. *, qui ont la propriété de diminuer l’effet des résistances de toute espèce ; c'est qu’on peut même le concevoir indépendamment de ces résistances, tandis que tous les autres genres de travaux industriels, analogues à ceux qui ont été cités n°* 70 et suivants, exigent nécessairement une certaine dépense de travail mécanique; c’est qu'euRn le résultat de ce transport horizontal ne peut jamais être directement la source d’un nouveau travail, tandis que cela arrive très-souvent pour l’autre, comme on aura bientôt occasion de le voir.
94. Réflexions générales. En général, et il faut bien le redire encore (75 et 77), nous ne considérons le travail mécanique que par rapport à lui-même, c’est-à-dire d’une manière absolue et indépendamment du degré de fatigue qu’il suppose de la part des moteurs animés , on des circonstances qui , dans les arts , font varier son emploi, son prix ou sa valeur en argent. Et, quoiqu’il puisse bien arriver, par exemple, que telle quantité de travail mécanique,
* En effet f on «ait par expérience qu'un cheval marchant au pas, ne peut porter à < 1 os qu'euviron 8 o kilograoimcs de poids, sur un chemin horizontal et d'une manière soutenue , tandis que , sans sc fatiguer davantage , il peut transporter jusqu'à i ooo kilogrammes sur une bonne route ordidaire et au moyen d'une voilure ; qu'il on peut transporter 10 000 sur un chemin de fer, et jusqu'à ao ooo sur un canal horizontal. Enfin , en plaçant le fardeau sur des rouleaux convenablement disposés, il pourrait, comme nous le verrons plus taril, en (raiiàporlcr hien davantage encore. Il est évident qu'il n'y a aucun moyen pareil de diminuer le travail nécessaire |K>ur élever vcrlicalument lea corp contre l'nçiion de la pesanteur, ou pour changer 1a forme mèinc de ces corps, «te.
employée par un moteur à élever rerticalement un corps à une certaine hauteur, coûte plus ou moins de fatigue et d’argent, que la même quantité de travail employée à transporter horizontalemeut, sur une voiture, un autre curpsà une certaine distance, nous n’en regarderons pas moins ces quantités comme rigoureusement égales; parce qu’en effet on peut, à l’aide de machines, d’appareils convenables , transformer immédiatement l’une de ces operations en l’antre , et que c’est merae là l’objet de la Mécanique industrielle , telle que nous l’envisageons plus spécialement dans cette première partie du Cours.
Cela ne nous empêchera pas, un peu plus tard, de revenir sur tout ce que nous aurons fait, et d’établir, d’après les données de l’expérience, la comparaison exacte entre les divers genres de travaux des machines et des moteurs animés ou inanimés. Que si d’ailleurs nous sommes entrés aussi avant dans les discussions précédentes, c’est ahn de bien préciser le point de vue sous lequel nous prétendons envisager le travail mécanique des forces, et d’éviter qu’on ne le confonde avec les autres résultats de l’exercice de ces forces.
DE LE C0SS0HKATI05 ET DE L\ EEPRODIICTIOS DD TBAVAIl,
9S. Consomtnation inutile du travail. Ces réflexions, ces discussions, au surplus, ne sont pas en elles-mêmes sans importance; car elles nous avertissent, d'une part, que si les moteurs animés peuvent se fatiguer sans produire de travail efiTectif, d’une autre, ces moteurs et les forces motrices en général, peuvent aussi travailler, et développer une certaine quantité d’action, sans produire d’efl'et appréciable, ou d’effet véritablement utile et qui contribue à augmenter celui qu’en définitive, il est question de produire : c’est ce quia lieu (91), par exemple, quand le moteur agit perpendiculairement au chemin décrit par son point d’application. Mais, comme la plupart des travaux industriels ne s’effectuent que par l’inlermédiairo des diverses pièces, des divers agents matériels qui constituent les outils, les machines, et que ces pièces ne peuvent opérer sur la résistance ou transmettre le mouvement et la force, sans être comprimées ou distendues, on aperçoit de suite que, même lorsque le point d’application de la force motrice est mis en moiivement dans la direction propre de cette force, il doit d’abord so
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dépenser une certninc qunntitë de travail, pour amener les piéees au degré de tension relatif à la plus grande intensité de l’action, on à l’état régulier du travail et du mouvement. Or il pourra arriver que ce premier travail de la puissance suit totalement perdu si, l’action de celle-ci venant à diminuer ou à cesser, les corps conservent la forme qu’ils ontacquiso par suite du travail; c’est-àdire , s’ils ne sont pas élastiques (19), ou, plus généralement encore, si les ressorts rauléculaires (03) en se débandant, no contribuent pasà accroître le travail, à l'instant où l’action de la puissance cesse, comme ils ont contribué à l’ainoindrir, lorsqu’ils ont été primitivement bandés par l’cfTet de cette action.
On conçoit incinc que, si l’action du moteur, ou celle de la résistance produite par le travail, varie d’une manière irrégulière, c’est-à-dire si elle a de fréquentes intermittences ou interruptions, de telle sorte que tantôt elle devienne plus faible, tantôt plus forte ; que tantôt elle s’exerce dans un sens, tantôt dans un sens contraire; qu’en un mot, si lescur])S8ontsouvent comprimés, puis distendus, la perte de travail pourra, à la longue et surtout quand les effurls exercés seront considérables , devenir très-comparable au travail total de la puissance; ce qui n’aurait pas lieu, si l'action de cette dernière était constamment la même , ou si elle ne variait seulement qu’aux reprises ut aux cessations complètes du travail.
96. Moyens d’éviter la consommation inutile du travail. Ces réflexions nous font déjà entrevoir tout l’avantage qu’il y a d’éviter, dans les machines, les chocs ou secousses qui développent des pressions considérables ; de régulariser l’action des forces elles-mêmes et le mouvement des pièces qui la transmettent, quand il s’agit de leur faire opérer, d’une manière continue, un travail industriel quelconque; d’employer enfin, pour ces pièces, des corps en même temps roides et élastiques ; c'est-à-dire très-peu susceptibles de changer de forme sous l’action des forces, et capables, quand cette action cesse, de reprendre leur forme primitive, sans avoir subi aucune altération moléculaire ou intime (20); car cette altération est la cause finale de la déperdition ou de la consommation inutile du travail.
Voilà précisément pourquoi on préfère généralement, dans la eenstruction des machines, se servir de roues qui tournent uniformément autour d’axes fixes , pour recevoir et communiquer le
PRÉLnilNAmES.
mouvement ou même pour servir d’outils; car, d’après la pclité
étendue des ateliers consacres aux travaux de l’industrielle moiivë-
ment uniforme et longtemps continué est impossible pour IcS pièces
(Jui sont assujetties à décrire des lignes droites. Voilà pourquoi
aussi un se sert , pour travailler les bois , les métaux , etc., de uiaN
teànx , de burins, de couteaux, de limes, de ciseaux, de scies etl
acier trempé, et dont les dimensions, les proportions sont tellement
combinées, qu’ils fléchissent en réalité très-peu sous l’action déï
forces qui les mettent en jeu , et des résistances qu’ils doivent
vaincre. Car, non-seulement des outils en fer doux , en cuivré, eii
plomb, travailleraient fort mal, non-seulement ils exigeraient de fréquentes réparations, mais encore iis consommeraient ou absorberaient, en pure perte, une grande quantité de travail mécanique, sans produire beaucoup d’ouvrage. Or ces réflexions sont d'autant plus importantes, qu’elles s’appliquent à tous les outils employés dans les arts, si ce n’est à ceux pour lesquels un certain degré dé flexibilité est une qualité essentielle, tels que les spatules, les pinces, les ressorts, etc.; encore faut-il que la matière de ces outils soit suffisamment résistante ou dure, en elle-même, pour ne pas s’user aisément, et qu’elle soit assez élastique jmur ne pas perdre jiroinptement sa forme.
97. De la reproduction du travail par les ressorts. Pour démontrer clairement comment le ressort des corps peut développer ou restituer, lors du débandement, une certaine quantité de travail mécanique qu’il a primitivement absorbée, il ne s’agit que de voir cé qui se passe à l’instant où un corps revient progressivement à s.1 forme primitive après avoir été comprimé, et 8e rappeler ce que nous avons dit précédemment (72 et suiv.) sur la hianicrc de mesurer la quantité de travail d’une force qui varie à chaque instant.
Supposons qu’un moteur soit employé à bander un ressort qiieléonque (pl. 1, fig. 25), en développant, sur un mêitie point A de cé ressort , et dans la direction propre du chetnin qué tend à décriré cé point, des efforts F qui sont de plus en plus grands (15 et 89) à itKsure que la^ompression ou la distension augmentent ; formons, comme nous l’avons expliqué (72), une courbe Oa’b'c'..., (pl. I, fig. 26), dont les abscisses représentent les chemins successivement décrits, {far le point d’actlén A (fig. 25) de la force F, dans la directio» propre de cette force, dt dont les ordonnées représentent
les valeurs, en kilogrammes, des efforts correspondants exercés sur le ressort, efforts que détruit la réaction égale et directement contraire de ce ressort ; la quantité de tr.avail développée ou absorbée, pour un petit chemin quelconque cd (fig. 26), sera mesurée (72) par le trapèze cc'd'd formé sur ce chemin et les ordonnées correspondantes cc', dd', et le travail total le sera par faire entière Od'h'hO comprise entre la courbe , l’axe des abscisses et la dernière ordonnée kh', représentant le plus grand effort.
Supposons maintenant que le ressort (Rg. 25), arrivé à cette position, soit employé à vaincre une résistance qui cède .à son action dans la direction même du chemin primitivement décrit par le point d'application A de la force F ; cc ressort va développer, contre la résistance, une quantité de travail qu’on pourra calculer en appréciant , en poids , les diverses pressions qui correspondent à chaque position du ressort, depuis l'instant où la compression est la plus forte, jusqn’à celui où elle est nulle, et où le ressort est parvenu à la position qu’il peut conserver par lui-ni^ne. Si le corps reprend , à cc dernier instant , exactement la forme qu’il avait avant d’être bandé ; si d’ailleurs les pressions qui répondent aux mêmes degrés de tension, aux mêmes positions, sont les mêmes; si en un mot, le corps possède, dans son retour vers sa forme primitive, la même énergie qu’auparavant , ce qui suppose nécessairement qu’il soit parfaitement élastique, et que sa constitution intime n’ait pas été altérée: dans ces circonstances, disons-nous, la quantité de travail produite parle débandement du ressort contre la résistance, sera nécessairement égale à celle qu’il a fallu dépenser primitivement ponr le bander, puisque la courbe, qui donne la loi des pressions et des espaces décrits, sera la même de part et d'autre. Si , au contraire, Iecoa(is n’est pas parfaitement élastique, non-seulement il ne reviendra pas à sa première forme, mais aussi les pressions seront moindres dans le débandement; le travail restitué sera aussi moindre que celui qui u été d’abord dépensé, et-unc certaine portion de ce dernier sera , comme nous l’avons déjà avancé ci-dessus (95), totalement perdue pour l’effet : c’est évidemment celle qui est nécessaire pour produire les altérations moléculaires qui sont survenues dans le corps.
98. De$ ressorts considérés comme résemeoirs d’action. Nous avons TU ^15 et 18) qu’il n’y u guère que l’air et les gaz qui soient à la
PRÉLIMINAiaiiS.
fois très-compressibles et parfaitement élastiques, lorsqu’on les enferme dans des espaces clos et qu’on les y refoule an moyen d’un piston mobile , etc. De tels ressorts peuvent donc servir à emmagasiner \e travail mécanique, a faire fonction de réservoir, en les bandant jusqu'à un certain point, et les maintenant à ce point par des moyens faciles a imaginer; car, lorsqu'ensiiite on viendra à les abandonner a eux-mêmes contre des résistances à vaincre et qui céderont à leur action, ils restitueront, en se débandant, exactement la quantité du travail qu'ils auront d’abord consommée. — Tel est , entre autres, l'usage bien connu du fusil à vent , qui n’est véritablement qu’un réservoir d’air comprimé, dans lequel on a accumulé une certaine quantité de travail pour s’en servir à lancer des balles au besoin. — Les catapultes, les batistes, les arcs, machines employées par les anciens, lançaient pareillement des pierres, des flèches, etc., par le débandement de ressorts ordinairement formés avec des cordes ou des pièces de buis flexibles.
Mais les ressorts ne servent pas seulement a Xancor àes projectiles, on peut aussi leur faire mouvoir des machines quelconques, et produire des travaux industriels. — C’est par de semblables moyens, par exem])le, que les montres et les pendules reçoivent le mouvement pendant des jours, des mois entiers, par le débandement d’un ressort d'acier roulé en spirale, et que l’on a quelquefois tenté, quoique infructueusement, de mettre en mouvementées voiiures,etc. £n un mot, l’élasticité permet d’enfermer, dans les corps inertes, une force capable de les faire travailler a la manière des moteurs animés, tels que l’homme ut le cheval.
99. De la production du travail par la chaleur. Le calorique qui dilate lus corps (21 et 24) en s’insinuant entre leurs diverses molécules, rend , par là même, ces corp'^ capables de développer du travail mécanique; car il met en jeu leur force de répulsion (27), il bande les ressorts moléculaires ; et, quand des obstacles, des résistances quelconques s'opposent à leur libre extension, ces résistances sont vaincues en meme temps qu’un certain chemin est décrit par leur point d'application. A l'inverse, quand on vient à refroidir un corps chaud par un moyen quelconque, quand un en fait sortir une certaine quantité de calorique, les ressorts moléculaires, abandut^és à leur libre action, tondent à retourner vers leur position primitive, et font effort contre les’ résistances qui s’y opposent, absoluitént de
SlÉr.AKIOUE INDUSTIUEUÆ.
la même manière que si le corps avait été réellement distendn par des farces extérieures quelconques. On peut môme admettre, comme lait de rexjiérience, que, dans les changements de volume des corps chauffés ou refroidis, la quantité de travail développée par les ressorts moléculaires, est précisément la meme que celle que dépenseraient des forces, appliquées extérieurement au corps, pour produire des effets égaux si la température (2â) restait la même.
Nous avons déjà donné (SS} quelques exemples des effets de la chaleur et de l’usage qu'on en peut faire, dans les arts, pour consolider les édifices ou rapprocher les diverses parties des corps; en voici d'autres d'une espèce toute différente. — Quand on enferme hermétiquement de l’eau dans un canon de fusil ou dans une chaudière, et qu'on la chauffe a un certain degré, elle tend à se transformer en vapeur (3) ; elle fait de toutes parts effort contre les parois del'enveloppe, et finit, lorsqu’on augmente suffisamment la chaleur, par faire éclater celle enveloppe, et par en lancer violemment les débris dans tous les sens. La chaleur, employée à produire l’inflammation de la poudre à canon, produit des effets non moins terribles et bien connus d'ailleurs. Dans l’un et dans l’autre. cas, la force d’explosion est produite par le développement rapide des gai ou vapeurs qui tendent ( 16 et 21 ) à s’échapper en tout sens, par soite de l’élévation de la température. De là, au surplus, les accidents graves survends aux chaudières de certaines machines à vapeur et aux marmites dites autoclaves.
100. Usage du calorique comme moteur. Nous avons vu (26) combien est faible, en général, la dilatation des corps solides ; celle des liquides no l’est guère moins , tant qu’on ne les chauffe pas de manière à les convertir enlièreiiu-nt en vapeur ; il en résulte dono que les solides, et les liquides proprement dits, ne font décrire au point d’application des résistances à vaincre, qu'un espace en général fort petit ; et qu’ils ne peuvent développer un travail notable qu’autant que ces résistances sont très-grandes. Voilà précisément pourquoi on les emploie rarement quand il s'agit d’effectuer, dans les arts et par l’application de la chaleur, des travaux soutenus qui exigent qu’un certain chemin , plus ou moins grand , soit décrit dans chaque unité de temps. Les gaz et les vapeurs n’ont pas cet inconvéiueni(21 et 26), aussi peuvent-ils être avantageusement employés commetaoteurs dans cos sortes de travaux : la vapeur d’eau surtout ;
l'RÉLlMlNAlUKS. 71
qu’on se procure à «i peu do frais , sert spécialement à cet usage dans l’industrie manufacturière.
101. Condition générale de l’emploi de$ moteurs. Des réflexions analogues sont applicables à tous les agents qui peuvent servir de moteurs, et montrent la limite de l’utilité de leur emploi dans les arts; ils exjiliquent, par exemple, pourquoi on fait aujourd’hui si rarement usage de la force des ressorts ou de celle des bois et des cordages mouillés (11), pour servir de moteurs dans des travaux soutenus, indépendamment de leur cherté propre, et de l’inconvénient qu'ils qnt do mettre en jeu de grands efforts qui consomment, en pure perte (9o), une certaine portion de la quantité de travail qui leur est appliquée.
102. £>e la reproduction du travail par la pesanteur. La pesanteur offre, comme l’élasticité des corps, un moyen d’emmagasiner le travail mécanique des forces, et de la rendre disponible au besoin.
Quand un moteur a élevé un corps à une certaine hauteur, en dé|>ensant une certaine quantité de travail, mesurée (78) parle produit du poids de ce corps et de la hauteur à laquelle il a été élevé; ce corps, employé ensuite à vaincre des résistances, soit directement, suit par le moyen do machines, pourra restituer, dans sa descente, précisément' la mémo quantité de travail que celle qui a été dépensée primitivement. C’est ainsi que le mouvement est communiqué aux grandes horloges, aux tournebroches , etc., et que l’eau , en s’écha[>pant des réservoirs où elle est contenue et a été accumulée ]>ar la nature ou par l’art, fait mouvoir, par son poids, les roues de nos moulins, de nos usines diverses.
Nous disons que la quantité de travail restituée dans la descente verticale d'un poids, d’une certaine hauteur, est précisément égala à celle qui a été primitivement dépensée pour l’élever à cette hauteur; car l’intensité d’action de la pesanteur est sensiblement la même (61), soit qu’un corps monte, soit qu’il descende; et par conséquent la pression exercée par le poids de ce corps contre une résistance à vaincre, ne varie pas dans les deux cas; de sorte que, pour un même chemin vertical décrit , le travail ne varie pas non plus. Mais, quand bien même un admettrait que l’intensité de la pesanteur n’est pas constante pour toutes les hauteurs du corps, on n’en conclurait pas Btoias qu«lc travail développé dans la descente,
est cg.-\l nu Irarnil consommé dans la montée, attendu que le poids est, pour chaque position distincte d’un corps, une grandeur absolue (61) et qui ne varie pas avec le temps. En effet, les raisonnements seraient ici semblables à ceux que nous avons employés (97) pour le cas des ressorts parfaitement élastiques, et ils s’appliqueraient également à tous les cas où des forces motrices, agissant sur des corps, redeviendraient constamment les mêmes, pour les mêmes positions relatives de ces corps.
108. De la consommation du travail sans restitution. Cette circonstance de la reproduction complète du travail n’arrive pas toujours; nous en avons déjà eu des exemples (9S et suiv.) à l’occasion de la compression des corps en général ou des ressorts imparfaits; on peut même prévoir qu’elle n’arrive Jamais rigoureusement dans les travaux industriels, attendu les résistances nuisibles ou inutiles qui accompagnent nécessairement le mouvement des corps ou l’exercice des forces appliquées à ces corps : ainsi la résistance de l’air et des fluides en général , celle du frottement, de l’adhérence des corps qui glissent , qui roulent les uns sur les autres, sont autant de causes qui détruisent, sans retour, une portion plus ou moins grande du travail développé par les moteurs.
En général, on peut remarquer que, toutes les fois qu’une certaine quantité de travail mécanique aura été dépensée pour détruire directement la force d’agrégation ou d’affinité des molécules des corps (38), cette quantité sera totalement anéantie ; en ce sens qu’elle ne pourra nullement être restituée par les corps après qu’ils auront subi le changement d’état. C’est ainsi que le travail employé pour limer, pour polir, pour rompre ou diviser les corps solides d’une manière quelconque, est consommé sans retour; parce qu’on a séparé, les unes des autres, certaines molécules, qu’on a détruit leur force de ressort, et que les molécules des corfis solides, une fois ainsi séparées, ne possèdent plus l'énergie qui leur est nécessaire pour sc rejoindre, même quand on remet les parties en contact immédiat.
104. De la consommation nécessaire ou utile du travail. Il faut distinguer soigneusement la consommation do travail , nécessitée par des résistances telles que celles qui viennent do nous occuper en dernier lieu, de la consommation de travail occasionnée par des ré-
l'RÉLIMINAlllES. 73
sislances étrangères à l'effet qu’on vent réellement produire; car cette première consommation est essentiellement utile et la dernière ne l’est pas ; celle-ci diminue l’effet, la quantité d’ouvrage, et l’autre le constitue essentiellement. Enfin on peut, jusqu’à un certain point, éviter les résistances nuisibles, on peut même les amoindrir beaucoup , par des dispositions bien entendues et que nous ferons connaitre plus tard; mais on ne peut diminuer, en aucune manière, la consommation de travail, nécessitée rigoureusement parles résistances inhérentes à Vejfet utile lui-niérae.
Il suit de là , par conséquent , que tout ouvrage réclame une dépense absolue de travail. Or nous verrons, par la suite, que la seule chose qu’il soit possible d’obtenir par les machines , les outils, les ressorts, etc., c’est que la force motrice n’en dépense pas beaucoup plus, ou que celle qu’elle produit suit presque entièrement employée d’une manière utile.
105. Toute production de travail suppose une consommation. Ce que nous disons des machines industrielles peut s’étendre aux agents du toute espèce que présente la nature, lesquels, considérés en eux-mêmes, nous paraissent quelquefois doués d’une énergie d’action qui leur est propre et qui ne suppose point une consommation primitive de travail ; mais c’est une erreur qui vient de ce que nous ne réfléchissons pas toujours attentivement aux causes plus ou moins immédiates de cette action. — Cette eau (102) que nous voyons tomber, du haut du réservoir où elle est retenue , sur la roue d’un moulin qu’elle fait marcher, par son poids, en produisant du travail mécanique, a été d’abord amenée là par l'action de la gravité qui l’a fait descendre de la partie supérieure des vallées, où elle jaillit de sources naturelles ; ces sources elles-mêmes, sont entretenues p.ir les pluies qui tombent sur le sommet des montagnes et s’inBltrent lentement à travers le sol. Or les pluies proviennent des nuages ou brouillards supérieurs, et les nuages sont produits par l’action do la chaleur du soleil, qui a vaporisé l'eau et l’humidité contenues sur la surface de la terre, et les a contraintes de s’élever malgré la force de la pesanteur ; de sorte que la quantité de travail que nous recueillons dans nus moulins, nos usines hydrauliques, est, en ré.ilité, une bien faible portion de celle qui a été primitivement dépensée par la force motrice de la chaleur solaire.
Il résulte, par exemple, des observations très-précises faites, de-
^IÉCAMQUK INiJUSTllIELLE.
puis plusieurs annés, à l'École d’application de l’artillerie et du gên>e, par M. le garde du génie Schuster, qu’à Met* et aux environ il ton.be annuellement, sur toute la surface du sol , une quantité
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au moyen de voitures ou do bateaux trainés par des chevaux - elle exige en outre des chargements et des déchargements successifs ; e ,s. Un calculait tout ce qu’elle a coûté de travail mécanique «vaut de recevoir sa destination utile et définitive , on trouverail que dan. certain, cas, ce travail égale presque celui qu’elle produit effectivement en convertissant l’eau eu vapeur pour la faire agir ur machines , et , par l’intermédiaire des machines, sur les ou- •is, sur la matière à confectionner. Ce n’est pourtant point un motif de^ire q„,. f,, avantageux, même dans de telles Lconstall, ohi « maniéré de reproduire le travail , puisqu’on
«huent ce travail coercé dans un petit espace, et sous uL flme ^ ment commode, infiniment avantageuse pour les besoins do * muttstrie manufacturière.