SU FOIBS, DE LA BM81TS, DE LA PRESSION DE L AIR ET BIS GAZ

36, Poidê des gaz. Le poids des corps solides est un fait facile à constater par tout le monde ; mais il n'en est pas de même de celui de l'air et des autres gaz. — A l'aide d'une pompe à deux pistons, nommée machine pneumatique, on parvient à soutirer l'air qui est contenu dans un ballon ou boule creuse de verre, qu'on bouche ensuite an moyen d'un robinet; c'est ce qu'on appelle faire le vide. En pesant successivement ce ballon lorsqu'il est plein et lorsqu'il est vide, on trouve que son poids est plus grand dans le premier cas que dans le second ; cet excès est le poids de l'air contenu : en remplaçant pareillement l'air par d'autres gaz ou par un fluide quelconque, on obtient le poids d'un même volume de ces fluides, ou leurs densités relatives, pour les circonstances où on les consi» dère.

C'est ainsi qu'on trouve que le mètre cube d'air atmosphérique, pris dans son état le plus ordinaire, pèse environ l ki, ,20, car le poids ou la densité de l'air varie un peu suivant les saisons, et selon qu'il estplnaou moins comprimé sur lui-même : si, par exemple, on in*

traduisait avec force, au moyen d'une pompe dite foulante, ou d'un soufflet ordinaire, une nouvelle quantité d'air dans le ballon, il est évident que son poids augmenterait aussi bien que son ressort, c'est-à-dire, sa tension ou sa pression (14 et 16) ; car cela reviendrait à réduire, par la compression, le volume de Pair introduit, à un volume beaucoup moindre que celui qu'il occupait primitivement dans l'atmosphère.

En général, il résulte du principe de Mariotte (16), que la densité ou le poids d'un même volume de gaz, sous différentes tensions ou pressions, est exactement proportionnel à ces pressions, la température restant constante (26).

37. Pression atmosphérique. Puisque l'air est pesant comme les liquides, on conçoit que l'atmosphère (4) pèse sur la terre, et la presse de tout son poids, de même que fait un liquide, renfermé dans un vase, sur le fond 4e ce vase. L'air pèse aussi sur lui-même, et chaque couche de niveau de l'atmosphère supporte le poids de toutes celles qui sont placées immédiatement au-dessus, et elle presse à son tour celles qui sont au-dessous ; cette pression est tout à fait analogue à la pression qu'éprouve l'air comprimé sur lui-même dans l'intérieur d'un corps de pompe, fermé par un piston (15 et 16); d'où l'on peut inférer qu'elle s'exerce aussi bien sur les côtés qu'audessus et au-dessous : c'est là ce qu'on nomme \a pression atmosphérique, pression qui diminue, comme oiiToit, à mesure qu'on s'élève au-dessus de la surface de la terre.

Voici comment on peut la constater directement au moyen de l'appareil déjà décrit n° 15 : chassez complètement l'air contenu dans l'intérieur du briquet ou corps de pompe, en poussant le piston jusqu'au fond, après avoir pratiqué à ce fond une ouverture pour laisser échapper l'air ; bouchez ensuite cette ouverture hermétiquement, puis retirez le piston ; vous formerez le vide au-dessous, et la pression de l'air, qui agit à son extérieur, s'opposera au mouvement avec un effort qui dépendra de l'étendue de la surface pressée du piston, et qui sera très-grande, par exemple, pour un piston circulaire de 10 cent de diamètre (de 80 kl1 au moins) ; débouchant ensuite l'orifice, l'air rentrera dans le vide avec sifflement, et sa pression sous le piston détruira celle de l'air extérieur; de sorte qu'on n'aura plus à surmonter que le poids de ce piston et son frottement contre le cylindre, quand on essayera de l'éloigner du fond;

PRÉLIMINAIRES. àl

soustrayant l'an et l'autre de l'effort total exercé dans le premier cas, on aura la pression exercée par l'air extérieur sur la surface entière du piston, et par suite, sur chaque unité de cette surface. On trouverait ainsi que la pression atmosphérique, au niveau de la mer, est moyennement de l kil ,033 sur chaque centimètre carré ou de 1033 kiI par mètre carré, et Ton obtiendrait le même résultat de quelque façon qu'on inclinât le cylindre par rapport à l'horizon, pourvu qu'on le plaçât au même lieu. Cette pression moyenne est celle qu'on prend ordinairement pour terme de comparaison, et on la nomme, pour abréger, simplement atmosphère. — Ainsi, l'on dit 1 atmosphère, 2 atmosphères dépression, au lieu de l^OSS, 2 kll ,066 de pression par centimètre carré de, surface.

>. Mesure de la pression de l'air et des gaz; baromètre. Le haromètre, instrument généralement connu de nos jours, offre un moyen plus commode de mesurer la pression atmosphérique, il consiste (pi. I, fig. 6), en un tube de verre vertical ac, fermé par le haut, et dont l'extrémité inférieure ef, ouverte, plonge dans une cuvette ABCD contenant du mercure. La pression est indiquée par le poids de la colonne acdb de ce fluide, soutenue dans le tube, au-dessus du niveau AB de la cuvette, par la pression que l'air exerce extérieurement sur la surface de ce niveau; mais il faut pour cela que le haut du tube, non occupé par le mercure, soit absolument privé d'air ou vide, ce qu'on obtient, lors de la fabrication, en remplissant complètement le tube de mercure, par le bout ouvert placé en haut, puis le renversant après l'avoir bouché, et le débouchant ensuite quand son orifice est suffisamment plongé dans le liquide de la cuvette pour qu'il ne puisse communiquer avec l'atmosphère ; ou voit alors le mercure, qui remplissait totalement ce tube, descendre a la hauteur qui répond à la pression de l'air extérieur *. Ce n'est

* La raison de ce principe est fondée , comme nous le verrons plus tard, sur ce que, aucune pression n'existant sur le haut de la colonne , et la surface de niveau AB étant pressée par l'air comme par un piston , cette dernière pression est transmise (i4) intégralement , par le mercure, sur la surface de la section ab du tube, correspondante à ce niveau, section qui supporte elle-même tout le poids de la colonne ac. Si l'on ouvrait , en effet, le haut du tube, Pair en y pénétrant, forcerait la colonne à s'abaisser jusqu'au niveau de la cuvette, et la pression qu'occasionnait le poids de cette colonne, serait rem" placée par celle de l'atmosphère sur la base ab; et , comme tout reste le même quant au surplus du fluide contenu dans la cuvette , il faut bien qu'en effet le poids de la colonne de mercure ou la pression qu'elle exerce sur la surface de ab, soit égale à la pression de 'atmosphère sur ceUe même surface.

pas ici le lien d'entrer dans des détails sur la construction du baroinètre ; ilnotis suffit de savoir que la hauteur de la colonne de mer- •Cttre qui répond à la pression atmosphérique moyenne de l wl ,038 par centimètre carré de surface, est de 70 centim. ou 700 millim. (28 p ), parce qu'une telle colonne, ayant 1 centim. carré de base, pèse réellement (35) l kl, ,033 ; de sorte que, la pression étant généralement proportionnelle à la hauteur de la colonne qui lui répond, on trouvera aisément cette pression, dans chaque cas, par les indications du baromètre. Si l'on employait de Feau, au lieu du mercure, pour former le baromètre, la colonne d'eau qui mesurerait la pression de l kil ,GS8 serait 10 mèt ,83 (environ 82 pieds anciens), parce que le poids d'une colonne d'eau de cette hauteur et de 1 cent, carré de base, pèse (84) effectivement 1038 grammes ou l kil ,083.

39. Manomètre. On remarquera que le baromètre peut aussi bien servir à mesurer la tension ou pression des gaz, contenus de toutes parts dans des vases, que la pression atmosphérique elle-même ; il suffit pour cela de le placer dans l'intérieur de ces vases , ou d'y placer seulement sa cuvette en faisant attention de bien boucher l'ouverture par laquelle passe le tube (pi. I , fig. 6). On pourrait aussi se contenter de fermer hermétiquement le dessus de la cuvette (pi. I, fi g. 7), et de mettre son intérieur A, en communication avec la capacité D, qui contient le gaz, par un bout de tuyau BC, etc. Ces appareils, qu'on varie de bien des manières, se nomment en général manomètres»

40. Densité ; poids spécifique des gaz. Sachant ainsi mesurer la pression des gaz , et leur température étant donnée dans chaque cas par le thermomètre, on pourra, à l'aide de la loi de Mariotte ( 16 et 37) et de celle de M. Gay-Lussac (26) , déterminer, par un calcul facile et dont on aura des exemples plus tard , leur poids et leur densité quand on connaîtra ce poids et cette densité dans des circonstances déterminées , par exemple à 0° de température , et sous la pression barométrique de 76 e de mercure , qu'on prend ordinairement pour point de départ ou terme de comparaison : tel est l'usage de la table suivante.

Table des densités et des poids spécifiques des principaux gaz, la den.

site de l'air étant prise pour unité.

Noms des fluides Poids Poids du mètre cube ,

élastiques. spécifique. à 0° et 760" a - de pression.

kil.

Air atmosphérique • . . . 1,0000 ...'.... 1,2991

Acide carbonique . . . . 1,5945 1,9805

Oxygène 1,1026 1,4323

Azote 0,9757 1,2675

Hydrogène 0,0688 0,0894

Vapeur d'eau 0,6235 0,8100

Remarque. Les gaz se dilatant également pour les mêmes élévations de température (26) , et se comprimant de quantités proportionnelles (16) pour des augmentations de pression égales, conservent les mêmes rapports de densités à toute pression et à toute température : ainsi , par exemple , la densité de l'hydrogène , qui est environ les 0,069 ou ~ de celle de l'air à 0° et à 76 e de pression, en sera toujours le quinzième à 100° et sous une pression 10 fois plus forte, c'est-à-dire de 10 atmosphères (87 et 88).

41. Effets de la pression de Vair sur les corps. On voit , par ce qui précède, que tous les corps plongés dans l'air atmosphérique, sont pressés par lui de toutes parts et en chaque point de leur surface immédiatement en contact ; or , il résulte de là plusieurs effets dont quelques-uns sont importants à connaître : 1° le corps est comprimé, refoulé sur lui-même , ce qui contribue à lui donner la forme stable ou solide qu'il doit principalement à l'adhésion , à la cohésion de ses molécules (27) ; 2° son volume est un peu plus faible (18) et sa densité un peu plus forte (83), que si la pression n'existait pas, ou qu'il fût placé dans un espace entièrement vide ; 8° la pesanteur n'est pas la seule cause qui le fasse mouvoir quand il est libre, ou qui le fasse presser sur les autres corps quand il est soutenu par eux ; en un mot , son poids pourrait bien n'être pas le même dans le vide que dans l'air, etc.

Relativement aux deux premiers effets, on observera qu'ils sont très-peu sensibles pour les corps solides et résistants , tels que les bois , les pierres , les métaux , aussi bien que pour les liquides contenus dé toutes parts dans des vases, ou simplement en contact avec

l'air par leur surface de niveau ; car ces corps peuvent supporter une pression qui soit le double, ou le triple de la pression atmosphérique (13), sans changer de volume d'une manière appréciable.

Quant au troisième effet , on s'assure par l'expérience et, comme nous le verrons , par les principes de la Mécanique , qu'il se réduit uniquement à diminuer le poids , qu'aurait le corps dans le vide, de tout celui du volume d'air que ce corps remplace ou déplace *; diminution à peine appréciable pour les liquides et les solides dont la densité ($5) surpasse généralement 500 fois celle de l'air atmosphérique , mais qui l'est à coup sûr beaucoup pour les fluides élastiques dont le poids , sous l'unité de volume , est très-comparable ou même moindre (40) que celui de cet air. Il en résulte, en effet , que certains gaz ou des corps creux remplis de ces gaz , au lieu de tomber ou de peser, s'élèvent ou font effort pour s'élever; tout comme cela a lieu pour les corps plongés dans l'eau , lorsque leur densité est moindre que celle de cette eau, et comme on en a un exemple immédiat dans les aérostats ou ballons en taffetas verni , qui , enflés par le gaz hydrogène , s'élèvent jusque dans les * nues , en vertu de la pression de l'air extérieur sur leur enveloppe.

Nous devons d'ailleurs faire remarquer que les poids et les densités des liquides , des gaz et des corps solides , qui se trouvent indiqués dans les tables précédentes , sont les densités et les poids absolus tels qu'on les obtiendrait en pesant ces corps dans le vide ; ce qui résulte de la méthode même par laquelle on les a obtenus , méthode exposée dans tous les Traités de physique.

* Nous pouvons, dès à présent, faire sentir la vérité de ce fait par un raisonnement fort simple, et qui s'applique à un corps plongé dans un fluide quelconque , par exemple dans l'eau. D'abord , puisque la pression du fluide diminue à mesure qu'on s'élève dans son intérieur (37), et qu'elle est la même pour tous les points d'une même couche de niveau, on conçoit que le corps doit être plus pressé par le bas que par le haut, et qu'il l'est à peu près également par les côtés; mais c'est ce qu'on aperçoit plus rigoureusement en observant i° que le corps tient la place d'une certaine masse de fluide , qui, étant terminé au même contour, à la même surface extérieure, serait, si elle existait, pressée de toutes parts par le fluide environnant , précisément comme l'est ce corps ; a° que cette masse faisant partie intégrante de la masse totale du fluide, serait en repos malgré ces pressions et l'action de la pesanteur sur ses parties ; 3° que par conséquent l'effet de ces pressions extérieures se réduit à soutenir son poids ; 4° qu'enfin ces pressions étant les mêmes pour le corps , ont aussi uniquement pour effet de diminuer te poids , gu'it aurait dan* le vide, du poids du volume de fluide qu'il déplace, ou de le pousser verticalement, de bas en haut, avec un effort égal à ce dernier poids.

42. Conclusion. Telles sont donc les circonstances principales où il faudra avoir égard aux effets de la pression de l'air ; pour toutes les autres , nous pourrons supposer que les choses se passent dans l'air comme dans le vide, ou comme si l'air n'existait pas. Nous en dirons tout autant des effets des tractions ou des pressions quelconques, de la chaleur, de l'humidité , etc., lorsqu'ils se réduiront à changer la forme, le volume ou la densité des corps, d'une manière peu sensible ou qui aurait peu d'influence sur les résultats pratiques; niais nous n'oublierons pas d'en tenir compte et d'en apprécier les effets quand cela sera nécessaire ; et nous le pourrons d'après les documents qui précèdent , et les documents plus étendus ou plus précis que nous recueillerons en traitant chaque question spéciale. Enfin , non-seulement il nous arrivera quelquefois de ne pas tenir compte de certaines propriétés physiques des corps, peu influentes; mais nous pourrons même , par instants , les dépouiller tout à fait de leur poids ou de telle autre qualité essentielle de la matière, afin d'isoler et d'étudier séparément les effets dus à chacune d'elles, et d'être d'autant mieux en état d'en apprécier ensuite ou d'en cal* caler les effets combinés.

Au surplus, nous n'avons point encore fait l'énumération complète des propriétés physiques de la matière , ni des effets qui se produisent sur les corps dans différentes circonstances et par différentes causes. Nous n'avons rien dit, par exemple, de V inertie des corps , ni de la résistance qu'ils éprouvent à se mouvoir dans les fluides , à glisser , à rouler , à se plier sur d'autres corps , ou à s'en séparer dans certains cas , résistances qu'on nomme roideur, frottement , adhérence , et qu'il importe surtout de considérer dans le calcul des machines ; mais l'étude de ces propriétés, de ces effets, reviendra plus tard ; il nous suffit pour le moment de les avoir indiqués, afin qu'on ne soit pas tenté de faire de fausses applications des principes de la Mécanique aux arts industriels, et c'est aussi, en partie, le but que nous avons cherché à remplir dans ce qui précède.