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Expériences démontrant que ce qui est propre à l’air n’est pas son poids, mais surtout son élasticité raréfactive. [1][1][2]

Je donnerais à la pesanteur de l’air la place qui lui revient (comme on dit), si ce sujet n’était pas bien connu de tous : ne voit-on pas en effet l’air s’enfoncer dans les creux et dans les trous, et même jusqu’au centre de la Terre (si tu creusais jusque là) ? Qui ignore qu’une vessie est d’autant plus dure qu’elle est gonflée ? S’il a soupesé un fusil (une arquebuse ou canne à vent, en français) chargé d’air comprimé (qu’on appelle pneumatique), qui n’a pas constaté qu’il devient plus léger après avoir tiré son coup ? [2][3][4] Et enfin qui ignore que le poids d’un éolipyle chaud, dont la flamme a extrêmement raréfié l’air, n’est jamais égal à celui qu’il a quand il est froid ? [3][4]

Tu ne songeras pas à me contredire non plus si je juge que cette pesanteur de l’air se dissipe en vapeurs atmosphériques : je comprends l’air comme étant l’atmosphère, ma philosophie ne sachant grimper plus haut que cela aujourd’hui. [4][6]

Imagine-toi donc la masse qui pèse sur le globe terraqué comme semblable à celle d’une éponge ou d’une poignée de laine : par la compression progressive qu’elles exercent, ses parties supérieures sont soutenues par les inférieures, en sorte que plus une chose est proche de la Terre, plus elle est [Page 50 | LAT | IMG] écrasée par la force et le poids de ce qui la surmonte. Cet amas s’appesantit [5] ainsi sur toute matière qui lui est soumise ; mais si elle en est libérée, elle est poussée à se détendre sous l’effet de sa dilatation spontanée (que j’appelle son élasticité).

J’en déduis que toute chose qui est sujette à cette charge, jusqu’à sa plus petite partie, acquiert une forme extrêmement condensée ; et que toute chose qui existe à la surface de la sphère terraquée est comprimée non seulement par la pesanteur, [6][7][8] mais aussi sous l’effet de sa propre élasticité.

Il ne s’agit pourtant là que de mots dont je te farcis les oreilles, mais il me faut les soumettre au jugement de tes yeux. Je devancerai ton désir en illuminant le nébuleux secret de l’air par l’expérimentation (qui me guide en toute occasion).

Je présenterai surtout quelques expériences sur le vide qui, à ma connaissance, n’ont pas encore été imprimées. Ce ne sont certes pas les brillantes productions de ma propre ingéniosité, et je suis loin de vouloir m’arroger la gloire d’avoir dévoilé des merveilles dont l’évidence m’avait jusqu’ici presque entièrement échappé. Tout le soigneux travail que j’ai accompli (tenaillé par la crainte de m’égarer) pour m’attaquer de plus près à une question de si grande importance a procédé par imitation et non par périlleuse expérimentation. [7]

Je ne citerai pas d’auteurs de livres car, à ce que je sache, il n’en circule aucun sur le sujet, [8] me contenant de ceux dont les expériences suivent, et dont l’éminente autorité égale le respectable renom. [Page 51 | LAT | IMG]

Expériences anatomiques
physico-mathématiques
sur le Vide.

expérience i. [9]

Le fait qu’une petite vessie s’affaisse spontanément quand le mercure chute, en se raréfiant dans l’ampoule qui a été façonnée en haut d’un tube, démontre l’élasticité raréfactive de l’air. [1]

Roberval, [9][10] très méritant professeur de mathématiques au Collège royal de Paris, a ainsi procédé, non sans succès et en ma présence, pour chercher à savoir comment l’air se dilate spontanément.

Figure i, chapitre viii [10]

Roberval a fait faire un tube de verre (AB) ouvert des deux côtés, dont la base (B) était évasée en forme d’ampoule (C), et prolongée par un col (A) long d’au moins trois pieds. Par l’orifice de la base (B), il a introduit verticalement en (C) l’une des deux vésicules gonflées qu’on trouve dans le ventre des carpes, après l’avoir vidée de son air aussi complètement que possible, puis avoir lié son embouchure à l’aide d’un fil très serré. [11][11] Il l’avait bien sûr laissée sécher, afin que sa membrane glissante n’empêche pas d’en chasser l’air en la tortillant un peu, mais sans violence. Cela fait, il l’a placée dans l’ampoule (C) en laissant pendre son fil à l’extérieur. La vessie de porc a une paroi épaisse qui, en la rendant plus solide que celle d’autres animaux, est capable de résister à la poussée du mercure ; elle a donc a été utilisée pour obturer l’orifice inférieur (B) du tube (AB), qui a ensuite été rempli jusqu’à l’extrémité (A) de son col en y faisant couler du mercure. [Page 52 | LAT | IMG] Après avoir bouché avec son index l’orifice supérieur (A), il a retourné verticalement le tube en tenant l’ampoule (C) dans son autre main, puis l’a plongé dans un réservoir (D) préalablement rempli de mercure, en même temps qu’il a doucement écarté son doigt qui fermait l’orifice (A) ; la masse du mercure emprisonné en haut du tube s’est alors ruée vers le bas pour évacuer l’ampoule (C) et après quelques oscillations, il s’est stabilisé au niveau (E) du tube qui, à vue d’œil, ne semblait pas dépasser vingt-sept pouces au-dessus de la surface du mercure qui stagnait dans le réservoir (D).

Sous les yeux absolument ébahis et émerveillés de ceux qui étaient présents, la vésicule de carpe, [Page 53 | LAT | IMG] attachée dans l’ampoule (C) à la membrane obstruant son orifice supérieur plus étroit (B), se regonfla spontanément. La soudaine éruption de ce petit météore, [12][12] dans ce qu’on appelle le vide ambiant, [13][13] aurait dû profondément me sidérer (si mon esprit n’avait corrigé les errements de ma vue), mais elle m’apprenait que l’entortillement de la vésicule n’avait pas entièrement chassé l’air contenu dans sa cavité, et que l’élasticité du peu qu’il en restait, devenu libre de toute contrainte extérieure, l’avait fait passer de l’état comprimé à l’état dilaté.

La raison que d’aucuns en donnent est pourtant frivole quand ils disent qu’un air subtil a pénétré l’épaisseur du verre, s’est répandu en tous sens autour de la vésicule repliée et s’est insinué dans ses pores [14] pour lui faire reprendre son ancien volume ; mais en affirmant cela, ils oublient que si le verre était ainsi perméable, l’air se répandrait partout dans l’ampoule (C) avec la même force, et donc tout autour de la vessie, ce qui aboutirait plutôt à la comprimer et à l’écraser, sans capacité à la dilater pour la regonfler. De plus, si les parois de la vésicule étaient perforées en quelque endroit que ce soit elle serait incapable de retenir l’air qui y a pénétré et de s’en remplir.

Ceux-là ne me mettent pas non plus dans l’embarras quand ils prétendent que les pores permettent à l’air d’entrer, mais l’empêchent de sortir : ces valvules devraient l’y piéger, en sorte qu’une fois cet air admis dans la vésicule, elle serait forcée de le garder et de demeurer dilatée ; mais ils constateront que cela est faux, en la voyant se dégonfler quand on incline un peu le tube (AB) ou quand on y laisse pénétrer un tout petit peu d’air. Cela contredit aussi ceux qui affirment que ce sont les émanations [Page 54 | LAT | IMG] du mercure qui ont permis à la vésicule de se regonfler. [14]

De toute évidence, sous l’effet de sa qualité élastique intrinsèque, l’air que le tortillement de la vésicule n’avait pas chassé de ses replis intimes en est sorti et s’est dilaté au moment où le mercure a vidé l’ampoule. L’air que le poids de ce métal avait écrasé contre la surface interne de l’ampoule, ou qui était resté piégé dans les rides extérieures de la vésicule, par sa susdite élasticité, a pu se détendre et se répandre dans tout l’espace de l’ampoule.

Et que ceux qui ne sont pas du même avis n’aillent pas penser que quand le mercure a rempli l’ampoule, sa pesanteur en a fait entièrement sortir l’air : il n’est pas chassé quand on l’écrase contre un objet sec, seule la présence de colle l’élimine alors complètement ; en d’autres termes, quand leurs surfaces n’ont pas été soudées l’une à l’autre, il existe de l’air entre deux objets contigus. Ainsi les enfants mouillent-ils la lanière de leur fronde avant de la faire tourner en l’air puis de projeter les très pesants cailloux dont ils frappent leur cible. La pression n’évacue pas entièrement les liquides : si fort que tu appuies l’une contre l’autre les paumes de tes mains humides, tu ne parviendras pas à faire sortir l’eau qui s’est insinuée dans les plis de leur peau. Bien que le verre soit naturellement lisse, des artisans parviennent à le polir ; en revanche, le mercure n’est pas parfaitement uni, en dépit de ce que laisse croire l’éclat un peu mat de sa clarté argentée. Comme j’ai dit, le poids du métal qui s’est appliqué à l’ampoule de verre a écrasé l’air, et quand elle s’est vidée d’un coup dans le tube, il s’est déployé sous l’effet de sa propre élasticité et a rebondi contre les parois. [15]

Peut-être alors en déduiras-tu que, frotté par la chute brutale du mercure, l’air s’est échauffé jusqu’à se dilater. Je serais de ton avis sinon que, me semble-t-il, l’immuable fixité des parois de verre aurait dû amortir la chute du mercure en retenant celui qui était à leur contact pour le laisser descendre obliquement vers le centre du tube, [Page 55 | LAT | IMG] et non pas verticalement d’un seul bloc, comme il a fait. Tu te souviendras d’avoir constaté que les berges ralentissent le torrent s’engouffrant dans une cascade, ou que les liquides forment un tourbillon autour du centre des entonnoirs avant d’en sortir, de la même manière que le grain s’écoule dans la trémie d’un moulin.

J’aurais dû m’étonner des sautillements que nous avons observés dans le tube, car l’air extérieur appuyait alors sur le mercure du récipient (D) et avait la capacité d’amortir sans difficulté l’impulsion engendrée par la masse du corps plus lourd que lui qui se ruait hors de l’ampoule (C) et de lui ménager la place qu’il fallait pour le recevoir ; mais je présume que l’élasticité de l’air emprisonné à l’intérieur du tube devait faire ainsi osciller le mercure qui s’y trouvait jusqu’à atteindre la pression requise pour stabiliser le poids de la colonne de métal. [16]

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expérience ii. [15]

La chute du mercure varie avec la hauteur du lieu où on l’observe, ce qui prouve que les couches basses de l’air deviennent graduellement plus compactes que celles qui les surplombent.

Quand je déclare que la Terre est comprimée par l’air, ne va pas penser que je m’appuie sur des mots creux. J’en appelle à l’éminent témoignage du très ingénieux fils Pascal : [17][16] le premier en notre chère France, il a réalisé des expériences sur le vide créé par le mercure, mais aussi par divers liquides ; elles furent d’abord à peine connues des étrangers et presque étouffées dès le berceau ; mais le succès de son admirable ingéniosité a depuis été si heureux que, par toute l’Europe, il a [Page 56 | LAT | IMG] incité les adeptes de l’authentique savoir à travailler sur le vide. [18]

Voilà peu, il a réalisé son expérience du mont qu’on appelle en français le puy de Dôme, près de la ville de Clermont en Auvergne. [17] D’abord, au pied de cette montagne, de manière presque semblable à ce que nous avons montré plus haut, il a versé du mercure dans un tube long de quatre pieds, qui a stagné à une hauteur de vingt-sept pouces et trois lignes et demie au-dessus de la surface du réservoir contenant le mercure. Après avoir gravi le mont jusqu’à environ cent cinquante-six pieds au-dessus de sa base, la hauteur du mercure dans le tube s’abaissa à vingt-cinq pouces. Au sommet, soit à une altitude d’au moins cinq cent six pieds, le niveau du mercure se stabilisa à une hauteur de vingt-quatre pouces et deux lignes : ainsi du plus bas au plus haut point du mont, le mercure avait descendu de trois pouces et une ligne et demie ; le raccourcissement progressif de la colonne à mesure de l’ascension du puy veut dire que l’air exerce une pression plus légère au sommet du mont qu’à son pied et à mi-pente.

Dans cette expérience, ne t’étonne pas que la hauteur de mercure ne soit pas la même que dans celles que nous avons faites à Paris, parce que (selon ce que j’ai soigneusement observé) le pied d’Auvergne dépasse de quelques lignes la longueur du nôtre, et que, comme tu sais, les deux endroits ne sont pas à égale distance du centre de la Terre, ce qui a pu également provoquer une différence entre les mesures qui y ont été recueillies. [19] [Page 57 | LAT | IMG]

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expérience iii. [18]

Il est montré que le poids du mercure contenu dans le tube est égal à celui de l’air extérieur.

Pour que tu ne t’obstines pas dans l’opinion des Anciens et n’ailles pas maugréer contre les arguments selon lesquels le poids du mercure contenu dans le tube est égal à celui de l’air, j’ai le plaisir de te présenter aussi l’expérience du vide dans le vide, que j’ai pour la première fois tentée grâce à la sagacité du très subtil Auzout. [19]

Prends une ampoule prolongée par un long col (AB), identique à celle de la première expérience, hormis qu’un petit conduit (G) est inséré près de sa base (B), dont l’orifice permet de faire pénétrer de l’air dans l’ampoule, autant que nécessaire. Une fois le tube retourné, introduis dans l’ampoule, par son extrémité supérieure (B), une cuvette (C) de forme parallélépipédique, [20] de façon que la face supérieure de son fond soit tournée vers le haut de l’ampoule (B) et que sa face inférieure soit perpendiculaire au col sous-jacent du tube (AC). Par ses quatre angles, la cuvette (C) repose à l’intérieur de l’ampoule et les bords de celle-là forment bien sûr avec la paroi de celle-ci des arcs autorisant le passage des fluides. Enfonce verticalement dans la cuvette (C) un tube (CF), lui aussi en verre, de longueur adéquate et ouvert à ses deux extrémités ; puis lie-le très soigneusement avec un fil et de la vessie de porc, qui obturera l’orifice (B) (en faisant de même pour celui du conduit G) de manière que l’air ne puisse pas passer autour de lui. Tu inviteras ensuite ton assistant à boucher l’orifice inférieur (A) de la colonne en y appuyant un doigt [Page 58 | LAT | IMG] jusqu’à ce que tu aies rempli l’appareil en versant du mercure par le sommet ouvert du tube (F) qui en dépasse ; quand la membrane de vessie de porc aura fait saillie sous l’effet de la pression, comme lors de la première expérience, ton aide plongera son doigt, obstruant toujours le tube en A, dans la cuve (D) remplie de mercure, puis quand il le retirera, tu verras l’air et le mercure se stabiliser dans la colonne, après s’y être équilibrés, à une hauteur de vingt-sept pouces (AE) ; l’ampoule supérieure se sera vidée, mais la cuvette (C), dont elle retient les parois, restera pleine de mercure. Et si alors tu perfores, à l’aide d’une aiguille très fine, la membrane du petit orifice (G), non sans permettre que de l’air s’y glisse pour se mélanger à celui qui est dilaté dans la fiole en augmentant son élasticité, sa poussée déjà très forte s’exercera alors [Page 59 | LAT | IMG] en tous sens, elle écrasera sous lui le mercure dans la colonne (AE), dont le niveau s’abaissera nettement, et comprimera celui qui stagne dans la cuvette (C) et le forcera à monter dans le tube (CF) pour y former une colonne remarquable. La quantité d’air qui pénètre allant augmentant, tu la verras même s’élever peu à peu jusqu’à la hauteur de vingt-sept pouces en direction de l’orifice (F), en même temps que le mercure sera entièrement chassé du tube inférieur (EA).

L’air repousse le mercure vers le bas dans ce tube en raison du changement d’équilibre des poids entre le mercure qui y est enfermé et du complément d’air, venu de l’extérieur de l’appareil, qui a pénétré dans l’ampoule par l’orifice (G) ; lequel, en outre, fait monter le mercure dans le tube (CF), parce qu’il a retrouvé toute sa force de compression et cherche à s’équilibrer aussi à l’intérieur de l’appareil.

Quelle conclusion doit-on tirer de ces observations ? Le poids de l’air venu du dehors égale celui du mercure qui était contenu dans la colonne (AE), même dans sa propre sphère, comme on dit, l’air est donc pesant. [21]

Les particules d’air contenues dans le tube et dans la vésicule de carpe se sont distendues par dilatation spontanée, l’élasticité propre qui caractérise la substance aérienne, qui lui permet de se disperser, imite la nature de l’éponge et de la laine.

Ainsi donc, les expériences de la montagne et du vide dans le vide prouvent que, grâce à son élasticité, plus l’air est dense, plus il comprime la surface du globe terraqué. [Page 60 | LAT | IMG]

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expérience iv. [20]

L’eau ne comprime le globe terrestre que par son poids ; l’air agit de même, non seulement par son poids, mais aussi par son élasticité.

Une expérience simple ajoute un argument irréfutable. [22][21]

Soit un tube de verre cylindrique AB, dont la longueur dépasse au moins trois pieds et le diamètre est d’environ quatre lignes (à ton bon vouloir). Son extrémité A est ouverte, mais celle qui est en B est hermétiquement close par le verre. On le remplit entièrement en y versant du mercure jusqu’à sept pouces (CA) [Page 61 | LAT | IMG] au-dessous de son col, puis de l’eau pour combler le vide restant. On retourne verticalement le tube après l’avoir obturé avec un doigt qu’on maintient jusqu’à ce que l’eau, plus légère, se soit mêlée au mercure, puis ait pris sa place en montant dans l’extrémité B. Le tube et le doigt qui retient son contenu sont alors plongés dans la cuve D, remplie de mercure. Quand le doigt cesse doucement d’appuyer, le métal descend du tube AE dans le réservoir D mais se stabilise environ six lignes au-dessous des vingt-sept pouces ordinaires, car il subit le poids des sept pouces d’eau qui le surmontent. Cela n’a rien de surprenant puisque leurs densités relatives font que sept pouces d’eau pèsent aussi lourd qu’environ un demi-pouce de mercure. [23]

De là se déduit clairement que l’eau, comme elle fait sur la Terre, pèse de sa seule masse sur le mercure qui est au-dessous d’elle dans le tube, sans intervention de quelque élasticité que ce soit.

Le pouvoir de l’air est en revanche beaucoup plus remarquable car si tu recommences l’expérience, mais en remplaçant les sept pouces (CA) d’eau qui sont au-dessus du mercure (BC) par la même hauteur d’air, puis en bouchant le tube avec ton doigt avant de le retourner, quand tu l’auras plongé dans la cuve (D), tu auras la surprise de voir que le niveau de la colonne de mercure (AE) se stabilise sept pouces au-dessous des vingt-sept ordinaires. À l’évidence, l’air pèse donc bien moins par son poids que pas sa très puissante élasticité sur le mercure qui est au-dessous de lui, comme il fait sur le globe terraqué. [24]

Je voudrais attirer ton attention sur le fait que, quand j’ai dit ici que le niveau du mercure dans la colonne [Page 62 | LAT | IMG] se situe à vingt-sept pouces, je me référais au résultat des plus classiques observations, car la colonne agit comme un thermomètre, [22] et son point d’équilibre est influencé par la dilatation ou la contraction de l’air qui la surplombe. [25]