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IV-1-5-1/ Un exemple de découverte scientifique : la « pression atmosphérique » mettant en scène Galilée, Torricelli et Pascal : lecture et analyse.

Vidéo autour de la découverte des fontainiers de Florence :

Fontainiers de Florence

Commentaire de l’expérience qui a conduit à la découverte de la « pression atmosphérique » et donc à l’invention  du baromètre à mercure, notamment.

   Evangelista Torricelli naît à Faenza, en Italie, le 15 octobre 1608. Très jeune, il rentre au collège des Jésuites de Faenza, où il est remarqué pour ses talents exceptionnels en mathématiques. Il est envoyé à Rome, où il devient l'élève de Benedetto Castelli, l'un des disciples de Galilée. Il y perfectionne ses connaissances en mathématiques et découvre peu à peu les travaux de l'astronome Galilée, qui lui inspirent un peu plus tard son premier traité de mécanique. Dans cet ouvrage, Evangelista Torricelli démontre que le centre de gravité d'un solide tend à être le plus bas possible à l'équilibre.

   Devenu célèbre pour ses recherches sur les mouvements des corps, Evangelista Torricelli entame une correspondance avec Galilée, avant de devenir son secrétaire durant les trois derniers mois de sa vie, entre 1641 et 1642. À la mort de son maître, Evangelista Torricelli se voit proposer la place de mathématicien du Grand-Duc de Toscane, ainsi que l'ancienne chaire de mathématiques de Galilée. Avec cette rente à vie, le mathématicien peut se plonger en toute tranquillité dans ses recherches.

   Impliqué dans le problème des fontainiers de Florence qui cherchent à pomper l'eau d’une fontaine, afin de la curer, Evangelista Torricelli découvre un principe fondamental en 1644, qui donnera lieu à l'invention du baromètre à tube de mercure. En effet, le scientifique découvre que pour remplacer l'eau, il est nécessaire d'avoir un liquide avec une plus grande densité. Il publie la même année Opera Geometrica (L’œuvre de géométrie), qui sera le premier pas vers l'invention du calcul intégral.

   Evangelista Torricelli meurt de la typhoïde à Florence, le 25 octobre 1647, sans jamais avoir publié ou revendiqué la paternité du baromètre à mercure.

   Torricelli avait eu l'idée que c'était l'air atmosphérique qui appuyait sur la surface de l'eau et qui la poussait dans le tube, et non "l'horreur du vide" qui la tirait. Dès lors, la force exercée par l'air ne pouvait être que finie.

   Afin de vérifier son hypothèse, il conçut une maquette du problème dans lequel il remplaça l'eau par du mercure (sans aucune bulle d'air) sur une cuve remplie, elle aussi, de mercure. L'expérience lui donna raison. A sa grande joie, du moins on peut l'imaginer, le niveau du mercure dans le tube descendit légèrement, puis se stabilisa à une hauteur d'environ 760 mm au-dessus du mercure de la cuve. Il venait de réaliser la première mesure de la pression de l'air atmosphérique.

   En 1643, Torricelli, assistant très réputé de Galilée, se rend à Florence pour chercher une solution au problème que rencontrent des fontainiers. La même année, Galilée lui-même appelé à l'aide n'avait pas réussi à trouver la vraie réponse à ce problème. Les fontainiers ne parvenaient pas, avec une pompe aspirante, à monter de l'eau à plus de 10 m de hauteur. Jusqu'alors, la théorie aristotélicienne selon laquelle la nature avait "horreur du vide" prévalait et prévoyait qu'en aspirant l'air au sommet d'un tube plongeant dans l'eau, il devait être possible de la pomper depuis n'importe quelle profondeur. De toute évidence, cet exemple démontrait le contraire.

   Mais l’autorité intellectuelle d’Aristote, prolongée par la tradition scolastique, présente en France comme en Italie, dans tous les cercles intellectuels, les lycées de prestige, les universités, n’était pas susceptible d’être « déboulonnée », si aisément. C’est un peu comme si un étudiant en physique, aujourd’hui, réfutait totalement la théorie de la Relativité d’Einstein. Serait-il pris au sérieux ? Il faudrait certainement un certain temps pour accepter de déchoir le maître de son autorité absolue en la matière. Notre pauvre étudiant, si génial soit-il, ne ferait sans doute pas le poids. C’est un peu ce qu’ont vécu à l’époque, Galilée, et surtout son élève et secrétaire, Torricelli. Que le jeune Torricelli encore inconnu ait raison contre Aristote, cela n’était guère concevable.  C’est ce que l’on va appeler à la suite de Bachelard, un obstacle épistémologique : même si la vérité scientifique est éclatante, différentes raisons idéologiques (autorité du clergé, dans le cas de Copernic et Galilée, avec la Révolution héliocentrique ou autorité savante : rappelons-nous, pour faire un bond en avant, des médecins, en 1885, qui refusaient d’entendre parler d’hystérie, de maladie psychosomatique. Cf. cours de psychanalyse) empêchent, ou tout au moins retardent considérablement l’expression de cette vérité, laquelle soit dit en passant, finit toujours par s’imposer. On reparlera, par la suite, de cette notion d’obstacle épistémologique théorisée par Gaston Bachelard.

   Revenons pour le moment à notre expérience autour de la pression atmosphérique.

   C'est Pascal qui eut l'idée de transformer le baromètre en altimètre. Ce dernier fut développé par Mariotte. Intéressé par l'expérience de Torricelli, Pascal devina que si la pression de l'air était responsable de l'élévation du mercure, ces deux grandeurs devaient diminuer en altitude. En 1648, il demanda à son beau-frère, Florin Perrier, de rééditer l'expérience de Torricelli en haut du Puy de Dôme (ce dernier vivait en Auvergne). A 1 000 m d'altitude, la hauteur de la colonne de mercure n'était plus que de 680 millimètres. Preuve était faite que l'hypothèse de Torricelli était juste, que l'on mesurait bien la pression de l'air atmosphérique et qu'à Florence, les fontainiers devraient remonter l'eau au seau !