LA « MACHINE PNEUMATIQUE »
On désigne sous ce nom, aux 18e et 19e siècles, les pompes utilisées pour raréfier l’air d’un récipient et y établir le « vide« . Aujourd’hui, on l’appellerait pompe à air ou pompe à vide.
Inspirée d’un premier modèle présenté par Francis Hauksbee à la Royal Society de Londres en 1705, la machine décrite ici apparait au début du 19e siècle. Elle cesse d’être fabriquée vers 1900-1910.
Elle assemble une pompe à double corps P et P’, un récipient R dont l’air sera pompé et un baromètre E qui mesurera la pression résiduelle dans ce récipient.
Composition
La pompe comprend deux corps cylindriques identiques, le plus souvent en verre, parfois en métal (laiton). Chacun des cylindres contient un piston formé de rondelles de cuir épais imbibées d’huile et enserrées entre deux disques de laiton.
Les cylindres sont reliés entre eux et au récipient à vider d’air (par exemple une cloche en verre) par une canalisation et un robinet à plusieurs voies (robinet dit de Babinet). Ils sont montés sur un socle en laiton portant à son extrémité un large plateau circulaire, sur lequel sera placée une cloche en verre épais ou toute autre enceinte à vider. Le plateau est percé en son centre et mis en communication par-dessous le socle avec les deux cylindres.
Les pistons possèdent chacun deux soupapes, l’une permettant l’entrée dans le cylindre de l’air provenant du récipient à vider, l’autre son évacuation vers l’extérieur.
Les tiges des deux pistons se terminent par une crémaillère s’engrenant dans une roue dentée. Celle-ci peut être mise en mouvement au moyen d’un double ou quadruple bras de levier. Au sein des corps de pompes, les deux pistons mobiles à frottement doux, se meuvent en sens opposés : quand l’un monte, l’autre descend.
Fonctionnement
Le piston qui monte aspire dans le cylindre une part de l’air du récipient à vider, tandis que, par le jeu des soupapes et la direction d’ouverture du robinet, celui qui descend pousse vers l’extérieur l’air précédemment pompé.
Le cycle s’inverse ensuite et peut être poursuivi. À noter toutefois que quelle que soit la perfection technique de la machine, celle-ci ne pourra jamais atteindre le vide absolu puisque, à chaque mouvement de piston, elle ne prélève qu’une fraction de l’air résiduel du récipient (pour atteindre le vide, il faudrait donc pomper une infinité de fois…).
Pour mesurer la pression au sein de la cloche, on utilise un baromètre à mercure.
Jusqu’aux environs de 1840-1850, il s’agit d’un baromètre type Torricelli (tube t d’environ 80 cm de hauteur et récipient v contenant du mercure), placé à côté de la machine. La partie supérieure du tube est mise en communication avec le plateau p de la machine : à mesure que l’installation du vide progresse, le mercure s’élève dans le tube barométrique.
À partir de 1850, cet encombrant baromètre est remplacé par un baromètre dit « raccourci » ou « tronqué ». Il s’agit d’un tube en verre en forme de U d’une hauteur d’une vingtaine de centimètres, empli de mercure et fermé à l’une de ses extrémités, l’autre étant ouverte et communiquant avec l’espace à vider. Ce baromètre tronqué est généralement placé sur le socle de la machine entre les cylindres et le plateau, il est aussi parfois fixé sur le plateau lui-même (voir photos ci-dessus).
Les catalogues des fabricants et les livres de physique du 19e s. sont peu précis voire muets en ce qui concerne les niveaux de vide atteints, une pression résiduelle de l’ordre de 1 ou 2 millimètres de mercure est parfois citée (la pression atmosphérique en compte environ 760).
Usages
La machine pneumatique est essentiellement un outil didactique. Elle permet de présenter un ensemble d’expériences spectaculaires, et ce dans un domaine qui a toujours suscité beaucoup de curiosité et, antérieurement, de nombreuses controverses à propos de son existence même : le « vide ».
Depuis le 18e siècle (à cette époque, avec une pompe à un seul corps) et durant tout le 19e, les manuels décrivent, avec abondance de détails, la célèbre expérience des hémisphères de Magdebourg (Otto von Guericke, 1654), et mettent en évidence, entre autres phénomènes : l’absence de propagation du son et la chute des corps dans le vide, l’ébullition de l’eau à la température ordinaire sous pression réduite, la porosité de matériaux tels que le cuir, la poussée d’Archimède exercée par l’air, la force résultant de la pression de l’atmosphère qui brise une membrane, … et aussi : « … on placera sous le récipient un oiseau ou un cochon d’Inde ; si l’on fait jouer la machine, on verra ces animaux haleter et bientôt mourir » (C. DESPRETZ, 1840).
Références
Les machines pneumatiques, les hémisphères de Magdebourg et les livres cités font partie de la collection d’objets scientifiques et didactiques anciens de la Fédération Wallonie – Bruxelles, gérée en partenariat par l’asbl ScienceÉchos et le MUMONS.
- Machines, inv. FWB.ScE.0128 – 0344 – 0431 : laiton, verre, cuir, bois, mercure ; 55 cm x 60 cm x 40 cm – 70 cm x 65 cm x 50 cm – 57 cm x 52 cm x 40 cm (h x L x l)
- Hémisphères de Magdebourg, inv. FWB.ScE.0223 : laiton, fer ; 26 cm x 10 cm (L x l)
- GANOT, Traité élémentaire de physique, 5e éd., 1855 et 21e éd., 1894
- POUILLET, Elémens de physique expérimentale, 1836
- DESPRETZ, Traité élémentaire de physique, 1840
- BRUNDTLAND, Francis Hauksbee and his air pump, Arctic University of Norway, Tromsö, 2012
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