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Histoire des découvertes
successives qui ont amené
définir la grandeur physique
"Pression"

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Préambule

Pourquoi cette page aborde-t-elle la grandeur physique nommée "pression" sous l'angle historique ?

L'exposé d'une loi physique à partir de la situation dans laquelle elle fut découverte
aide à mieux comprendre son ancrage dans la réalité.

De plus, son expression première est souvent la plus simple.
Car souvent, par la suite, elle sera réadaptée, complétée, diversifiée
pour s'ajuster à des cas particuliers, devenant ainsi plus complexe.

Le langage courant a même emprunté à cette notion de pure physique
pour qualifier des sensations émotives comme "mettre la pression" ou "faire pression" sur quelqu'un".

La première prise de conscience de l'existence même de la pression
et son interprétaion en tant que phénomène physique
eut lieu à une époque très particulière de l'histoire
celle qui succéda immédiatement au Moyen-âge tardif .

Période située approximativement du XVII° au XVIII° siècles.
que certains historiens qualifient de "Période des grandes découvertes".

En fait, ce qui caractérise cette période c'est un changement de paradigme
dans les démarches visant à la compréhension du monde.

De tous temps les hommes ont cherché à comprendre les phénomènes naturels qu'ils observent.
Par crainte de leur dangerosité ou pour les exploiter à leur profit.

  • La mytologie dans la Grèce antique, imagine des Dieux tout-puissants
    habitant un lieu inaccessible aux hommes : l'Olympe
    et qui gèrent arbitrairement les phénomènes terrestres :
    • Eole, maître des vents
    • Poseidon, maître des mers
    • Hadès maître du feu
    • etc...
  • A moyen-âge les religions monothéistes proposent un monde dominé par un Dieu unique tut-puissant créateur du Ciel et de la Terre.

  • Un changement de paradigmeintervient au XVIII° Siècle La

Expliquer un phénomène

Celle pendant laquelle la Science (Sapientia s'est faite la transition entre des croyances d'origines diverses,
traditions, imagination romanesque et anthropomorphisme
... et une nouvelle manière de penser, basée sur une interprétation pragmatique des faits
et une réflexion logique liant la cause à l'effet observé.

C'est vers le milieu du XVIII° siècle, c.à.d. à la fin du moyen-âge
qu'apparaît une notion physique nouvelle : la pression.
Issue d'une observation paradoxale pour les ouvriers fontainiers de la ville de Florence,
incompréhensible à l'époque,
mais très vite interprétée par des penseurs pragmatiques tels que Torricelli et Pascal.



Notion établie expérimentalement et définie rigoureusement par une équation mathématique.


C'est l'une des nombreuses marques de l'émancipation

 

Préambule : De quoi va-t-il être question dans les pages qui suivent ?

Le terme de "pression" apparaît souvent dans le discouirs commun,
principalement en météorologié où il est souvent question de ""pression atmosphérique" .
Les bulletins d'informations météorologiques
dans lesquels on indique les pressions en hectoPascal...???
et qui font souvent référence à des "zônes de haute pression atmosphérique"
(dites zônes "anticycloniques" )

La "pression atmosphérique" et sa répartition sur la planète
ont en effet une grande influence sur nos décisions à divers niveaux.


Cette notion de "pression" apparaît dans bien d'autres domaines.
Ne serait-ce que celui du gonflage des pneus des engins roulants dont nos automobiles?
mesurée tantôt en "bar", en "atmosphères", et même en psi

 

Cette page et celles qui vont suivre ont pour but
de préciser comment la physique définit la grandeur nommée "pression".
Et en les unités en lesquelles on l'exprime.

Mais, avant cela, un peu d'histoire...


Définition de la grandeur physique nommée "pression"

Commençons par un exemple.

Les skis s'enfoncent très peu dans la neige, alors que le skieur s'y enfoncerait profondément
s'il y marchait avec des chaussures ou pieds-nus !.

La profondeur d'enfoncement dépend donc non seulement de la force appliquée
(ici le poids du skieur, de son équipement, dont ses skis),
mais également de la surface de contact -: ici la surface totale de contact au sol des skis.

A poids de skieur égal : plus la surface de contact au sol est faible, plus on s'enfonce.
Un skieur de grand poids s'enfoncera davantage qu'un maigre avec des skis de meme surface au sol.


De nombreux phénomènes physiques dépendent de ce rapport
entre la force F avec laquelle on applique un corps sur un autre
et la surface S de contact entre ces deux corps.

Intuitivement, l'enfoncement sera d'autant plus grand que la force sera grande
et que la surface de contact sera petite.

Autre exemple :
Comparons la force nécesaire pour enfoncer une poiinte bien éguisée,
( dons à surface de contact très faible),
à celle nécessaire lorsque la pointe est émoussée.

Ou encore :
Aiguiser un couteau consiste à faire en sorte que la partie coupante (le fil du couteau ou d'un rasoir)
soit la plus mince possible.

De nombreux autres cas dépendent à la fois de la force et de la surface sur laquelle elle s'applique.
C'est pourquoi les physiciens sont convenus d'une grandeur susceptible de mesurer cet effet.
Cette grandeur est la pression.

Définition de la grandeur "pression" en physique

La pression P qui s'exerce sur deux corps en contact est définie
comme le rapport de la force F
supposée appliquée uniformément.

nt à la surface de contact S.


Les diverses unités de pression

La formule précédente montre que la grandeur "pression" s'exprime en unités de force par unités de surface.

Anciennement, en Europe, l'unité de force était le kilogramme-force (kgf).
Un bar correspond à la pression de 1 kgf par m2
on utilisait alors le bar qui en dérivait.
Le bar est une unité de pression : 1 bar = 105 Pa.
Le bar est approximativement égal à la pression atmosphérique normale : 1 bar ˜ 1 atm.

Outre l'unité officielle internationale de pression (Le Newton (N) )
Il est bon de connaître d'autres définitions d'unités que l'on peut rencontrer.
Soit que ces définitions appartiennent au passé...qui perdure chez certainss.
Soit qu'elles soient couramment en vigueur dans d'autres pays suite à d'autres traditions.

Par exemple,
les Anglais utilisent couramment le psi (pounds per square inch), livres-force par pouce carré.
C
e que vous pourrez vérifier si vous faites gonfler vos pneus chez nos voisins britanniques, ou que vous acquerriez une automobile construite dans un pays anglo-saxon.

Système international d'unités (dit système SI )

Dans ce système SI l'unité de pression reçoit le nom de Pascal (Pa)
la force F est exprimée en Newton et la surface de contact en mètres carrés m2.

Rappel de la définition de l'unité de force dans le système international :

http://arsene.perez-mas.pagesperso-orange.fr/physique/mecanique/gravitation.htm#PoidsMasse


Nous sommes à Florence autour des années 1600...


Les édiles de cette ville riche en histoire, décident d'y installer des fontaines
pour divers usages des Florentins et Florentines
.
L'eau devait être puisée dans la rivère (l'Arno) à l'aide de pompes aspirantes...



Mais voilà qu'ils découvrent qu'à partir d'une certaine hauteur au-dessus de la rivière,
les pompes ne parviennent plus à aspirer l'eau : elles se désamorcent !

Cette hauteur limite est de 10,33 m en unités actuelles.

Pourquoi ?

D'abord, comment étaient faites les pompes de cette époque ?

La pompe aspirante à clapet était (et reste aujourd'hiu) le type le plus simple de pompe.

Voici comment elle fonctionne :

 
Lorsque le fontainier pousse vers le bas sur la poignée (image de gauche),
le mécanisme tire le piston (gris) vers le haut.

L'eau s'élève dans le tuyau vertical en « collant » audit piston.
Ceci tant que son niveau n'atteint pas le niveau du robinet.

Le clapet anti-retour du robinet laisse passer l'eau dans le sens "de bas en haut"
et se ferme lorsque l'eau tente de redescendre.

Les fontainiers de Florence observèrent que l'eau ne pouvait s'élever dans le corps de pompe
que jusqu'à une hauteur limite de Hmax = 10,33 m (traduit en l'unité de longueur actuelle)
par rapport au niveau de la rivière (l'Arno : ) dans laquelle ils tentaient de puiser cette eau.

Et ce, quelque fut l'endroit de la ville où ils tentaient ce puisement.

 

«La nature a horreur du vide» !

D'abord, ce qui étonna beaucoup les contemporains,
c'est que l'eau puisse monter en "collant" au piston !


Ils pensèrent que s'il en était ainsi, c'est parce que la «Nature a horreur du vide» !
elle ne peut donc pas laisser sz former un vide entre le piston et la surface de l'eau !

C'est une affirmation qui illustre bien l'état d'esprit de l'époque (avant la Renaissance)

On prêtait à la Nature des émotions humaines : ici la peur, l'horreur...
Cette manière de penser se nomme l'anthropomorphisme .

La démarche scientifique, au contraire, observe des faits et en recherche des causes matérielles.
c.à.d. des faits qui produisent invariablement les mêmes conséquences.

Evangelista Torricelli


Torricelli eut l'idée de remplir entièreùent de mercure un tube en verre (fermé d'un seul côté)
en le plongeant entièrement dans une cuvette.
Il mit ensuite le tube debout en ayant soin de laisser l'extrémité ouverte constamment plongée dans le mercure.
Et voici, schématiquement, ce qu'il obtint.


Le mercure laisse un vide dans l'extrémité fermée du tube.
Un vide, car rien d'autre ne peut s'y être introduit pendant la manoeuvre.

L'explication rationnelle est la suivante.

Toute masse a un poids sur Terre.
L'atmosphère enveloppe la Terre jusqu'à environ 50 km (Stratosphère)
Cette haute colonne d'air a un poids qui s'exerce sur tout objet à la surface de la Terre.
Ce poids est figuré sur le schéma ci-dessus par les flèches notée Pa.

C'est ce poids atmosphérique qui refoule le mercure vers le haut du tube.

Mais...pourquoi alors, ne le remplit-il pas entièrement ?
Tout simplement parce que le mercure aussi a un poids.
Sa masse volumique est de 13,546 g/cm3 (20 °C)
Et bien plus élevé que celui de l'air à volume égal.  
La masse volumique du mercure est proche de 13,6 grammes par cm3
c.à.d. 13,6×kg/l = 13,6

 

g/l alors que celle de l'air est de 1,22 kg/m3.

 

Blaise Pascal sur les traces de Torricelli

Blaise Pascal

Blaise Pascal 1623-1662

Expérience de mise en évidence de la dépendance de la pression atmosphérique
visà-vis de l'altitude par ascension du Puy-de-Dôme le 19 septembre 1648.

Descartes comprit le mécanisme d'équilibre des poids
entre celui de la colonne de mercure dans le tube et celui de l'atmosphère pesant sur la surface libre de la cuvette.

En précurseur de la science moderne, il proposa une expérimentation.

L'expérience fut faite 19 septembre 1648
en transportant un dispositif de Torricelli de la base au sommet du Puy de Dôme.
La hauteur de la colonne de mercure au-dessus de la surface libre de la cuvette
était plus faible en altitude.
Mettant ainsi en lumière la notion de pression atmosphérique.


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