Le baroscope statique de Robert Boyle

Robert Boyle (fig. 1), celui qui passa à la postérité, pour tous les lycéens que nous fûmes, par la loi selon laquelle la pression d’un gaz diminue lorsque le volume augmente, fut à l’origine de la Royal Society of London for Improving Natural Knowledge [1], c’est-à-dire de l’Académie des Sciences du Royaume-Uni.

En 1665, Boyle décrit, dans les comptes-rendus de l’académie ou Philosophical Transactions (fig. 2), un baroscope d’un nouveau genre qui fonctionne sans mercure. Il le qualifie de « baroscope statique » et le dit prometteur comme outil de détermination de l’altitude d’une montagne. En effet, le baroscope mesure des variations de pressions, révélatrices d’une variation d’altitude.
 

Boyle conçoit son baroscope comme un instrument de mesure.

D’abord, il faut équilibrer une sphère légère, suspendue d’un côté d’une balance, avec un petit contrepoids [2]. Le fléau est alors bien horizontal.

Au XVII^e siècle, Boyle utilisait une bulle de verre soufflé, aussi grande, fine et légère que possible. Elle avait alors la taille d’une grosse orange. Celle du baroscope de l’Expérimentarium (fig. 3) est une modeste boule de polystyrène.
 

3. Le baroscope statique de l'XP

Au vu de la poussée d’Archimède, Boyle s’attend à ce que la bulle bascule tantôt vers le haut, lorsque la pression atmosphérique augmente, tantôt vers le bas, lorsqu’elle diminue. Élémentaire, n’est-il pas ?

Boyle installe son baroscope à proximité d’un baroscope à mercure, patiente et observe l’évolution de l’équilibre. Il constate que l’équilibre est perturbé à la moindre variation de pression atmosphérique, ce qui révèle la grande sensibilité de son baroscope.

L’on en retrouvera un premier schéma dans le Traité élémentaire de physique expérimentale et appliquée et de météorologie d’Adolphe Ganot (Paris) en 1868 (fig. 4). La bulle en verre y laisse place à une sphère de cuivre creuse, d’un demi-décimètre cube.

4. Le premier schéma du baroscope statique de Robert Boyle

L’instrument est décrit ici comme un outil didactique, une démonstration de la poussée d’Archimède appliquée aux gaz : « Tout corps plongé dans l’atmosphère y perd une partie de son poids, égale au poids de l’air qu’il déplace ». Et ce n’est peut-être pas si élémentaire que cela !

La balance est équilibrée dans l’air. Les deux objets ont-ils pour autant le même poids ?
Voyons cela : plaçons le tout sous une cloche à vide. La grande sphère légère descend, mais pourquoi ?

Revenons dans l’air : la grande sphère a déplacé plus d’air que la petite masse et subit donc une poussée d’Archimède (vers le haut) plus importante. Si la balance est équilibrée, c’est que la force exercée vers le bas sur la grande sphère était également plus importante que sur la petite masse. Cette force exercée vers le bas n’est autre que le poids. La grande sphère légère est donc en réalité plus lourde que le contrepoids si précisément ajusté.

Lorsque l’on fait le vide d’air sous la cloche (fig. 5), les objets sont privés de la poussée d’Archimède assurée par l’atmosphère, ce qui rend visible le déséquilibre des seules forces qui s’y appliquent : leurs poids.
 

5. Le baroscope statique de l'XP sous vide

La balance utilisée pour le baroscope de Boyle de l’Expérimentarium de physique, en laiton, non datée mais marquée du sceau U.B PY., comme le sont nombre d’instruments de la collection de physique, est signée « L.J. SAUVAGE, INGENIEUR MECANICIEN A LIEGE ».

L’Almanach de Liège de 1834 [3] nous en apprend un peu plus ce personnage : L. J. Sauvage est alors bourgmestre de Lambermont, mais également employé à l’Université de Liège, comme conservateur du cabinet de physique et ingénieur mécanicien pour les instruments de physique, arts et sciences.

Notons que l’on retrouve dans cet ouvrage de longues considérations sur les unités de mesures, précieuses pour le commerce, dont celle qui nous occupe, le grain, mais également la verge (yard), petite ou grande, pour les longueurs (fig. 6).

[1] De 1703 à 1727, Newton sera président de la Royal Society.
[2] Boyle précise que le contrepoids est ajusté à l’aide d’une balance sensible au 30^e de grain près. On ne dispose alors pas encore d’un Système International d’unités, mais bien d’une charmante unité de masse qui vaut environ 65 milligrammes, basée sur la masse d’un grain d’orge. Notons que la première tentative d’un système international d’unités naîtra de la Royal Society à peine quelques années plus tard, en 1668.
[3] L’Almanach de la province de Liège et de la cour d’appel et de son ressort contenant les noms des fonctionnaires civils des différentes administrations, les districts de Liège, Verviers, etc. ; différents tarifs pour les monnaies, poids et mesures ; le départ des postes, diligences etc., 1834.

 

Maïté Swaelens
Expérimentarium de physique