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jeudi, 11 juin 2020 16:09

Les Baromètres à Biron

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Les Baromètres à BironBaromètre Thermomètre d'époque Louis XIV

Le baromètre est un instrument de mesure utilisé en physique et en météorologie. Il sert à mesurer la pression atmosphérique. Il peut également servir d'altimètre de façon approximative, pour ainsi déterminer l’altitude.

 

Les origines

Vers 1635, les ingénieurs et les fontainiers de Florence sont chargés de construire de gigantesques installations hydrauliques dans les jardins des palais d'Italie. Ils installent donc des pompes aspirantes mais découvrent avec stupéfaction qu'elles sont incapables d'aspirer l'eau de plus de 6 brasses, soit une dizaine de mètres. Galilée est sollicité pour régler le problème, mais il meurt en 1642, sans en avoir eu le temps : pourquoi ne peut-on pas aspirer l'eau au-delà d'une certaine hauteur ? On retrouva plus tard dans ses notes qu'il avait songé que l'air devait avoir un poids, mais il n'en avait tiré aucune conclusion. L'idée que le liquide n'est pas aspiré par la pompe, mais refoulé vers elle par l'effet d'une pression extérieure, était en totale contradiction avec les dogmes admis à cette époque, qui voulaient que l'eau s'élève dans les tubes parce que la nature a horreur du vide.

 

L'arrivée du mercure

Torricelli succède à Galilée comme physicien à la cour du Duc de Toscane. Reprenant les notes de son prédécesseur, il fait des expériences pour prouver que la pression atmosphérique est responsable de la montée de l'eau dans un espace vide. Pour éviter d'utiliser des colonnes d'eau d'une dizaine de mètres de hauteur, il a l'idée de faire des essais avec du mercure, qui est 13,6 fois plus dense que l'eau. Il en remplit un long tube de verre, le bouche avec le doigt et le retourne sur un bassin rempli lui aussi de mercure. Il observe que le tube ne se vide que partiellement dans le bassin et qu'il y reste toujours une colonne de mercure d'environ 76 centimètres de hauteur, quel que soit l'enfoncement du tube dans le bassin. Il en déduit que la pression de l'air sur la surface du bassin contrebalance le poids de la colonne de mercure et que c'est elle qui permet de faire monter l'eau dans les pompes d'une hauteur d'environ 10 mètres, mais pas davantage.

C'est ainsi que Torricelli invente le baromètre en 1643. Il remarque également que la hauteur du mercure dans le tube varie avec les changements climatiques et qu'une baisse précède généralement une période de mauvais temps.

Le réservoir ouvert n'est cependant pas très pratique si l'on veut transporter l'instrument. Diverses solutions sont imaginées : on réalise par exemple des réservoirs en cuir poreux, fixés au tube et contenant une petite quantité de mercure. Sir Robert Boyle imagine de replier le tube barométrique vers le haut, ce qui donne le "tube siphon", encore utilisé aujourd'hui. Le physicien et philosophe français René Descartes améliore le système de Torricelli en ajoutant une graduation en papier. Il est le premier à émettre l'idée que la pression atmosphérique doit diminuer avec l’altitude.

Le "baromètre à cuvette" est directement déduit du tube de Torricelli. Sans dispositif approprié, la lecture précise de la hauteur de la colonne de mercure n'est pas très facile. On a donc disposé au dessus de la cuvette une vis à deux bouts pointus, l'inférieur venant juste tangenter la surface libre du métal dans la cuvette. À l'aide d'un cathétomètre, on vient mesurer la différence de hauteur entre la pointe supérieure de la vis et la surface libre dans le tube. La longueur de la vis, mesurée une fois pour toutes, est ajoutée à l'indication du cathétomètre et l'on obtient ainsi la hauteur de la colonne de mercure.

baro 5Blaise Pascal et la pression atmosphérique

La pression atmosphérique contraint ainsi le mercure à monter dans le tube sur une colonne d'environ 76 centimètres de hauteur, mais elle n'est pas suffisante pour combler le vide qui se forme dans la partie supérieure. Dans les années 1640, l'une des questions les plus discutées parmi les savants est : l'air a-t-il un poids ?

Blaise Pascal, homme de science précoce, mais aussi excellent expérimentateur, vient à cette époque d'inventer à 22 ans une machine à calculer. Il refait l'expérience de Torricelli et pense, comme Descartes, que si l'air a un poids, alors le mercure doit monter moins haut dans le tube si l'on fait l'expérience en altitude. C'est bien ce qu'il vérifie, mais avec une précision trop faible, au sommet de la Tour Saint-Jacques à Paris, qui fait 52 mètres de haut. Grâce à son beau-frère qui habite au pied du puy de Dôme, le 19 septembre 1648, il refait l'expérience à diverses altitudes et constate qu'en effet, la hauteur du mercure diminue bien au fur et à mesure que l'on s'élève.

Le mot "baromètre" apparaît donc seulement quelques années plus tard, créé par le physicien et chimiste irlandais Robert Boyle. Il est formé sur le mot grec "baros"; qui signifie "poids", "pesanteur". Mais il faudra attendre le milieu du XIXème siècle pour que les constructeurs d'instruments, tels que les opticiens et les horlogers commencent à produire des baromètres, à des fins scientifiques d'abord, puis à des fins domestiques. À partir de 1870, les graduations s'accompagnent d'indications météorologiques.

La dénomination "baromètre" ne s'impose en France qu'après la publication en 1676 de l'Essai sur la nature de l'air par Edme Mariotte.

Plus tard, on donnera le nom de pascal (sans majuscule) à l'unité internationale de pression.Baromètre fin XIXème siècle

En 1675, l'abbé Picard qui transportait de nuit un baromètre à mercure, fait une curieuse découverte. À chaque mouvement brusque du métal, une lueur bleuâtre illumine le tube. Ce phénomène est étudié entre autres par un élève de Robert Boyle, Francis Hauksbee. Naturellement, aucune explication satisfaisante n'est trouvée à l'époque, mais c'est ainsi que débutent les premières recherches sur les décharges électriques dans les gaz raréfiés. L'intendant du Roi, Monsieur du Fay, découvrit que la cause de cette luminescence est le frottement du mercure sur le capillaire en verre. Cette explication, qui mit un terme à la notion de baromètre lumineux, valut à du Fay sa nomination comme adjoint à l'Académie des sciences.

 

On distingue plusieurs types de baromètres, dont principalement :

  • le baromètre à mercure (ou "baromètre à colonne de mercure", "baromètre de Torricelli") : la pression atmosphérique est équilibrée par une colonne de mercure surmontée d'un espace clos et vide ;
  • les baromètres à eau : produits de 1792 à 1793, ils sont très peu précis et sont généralement utilisés à des fins décoratives ;
  • les baromètres à gaz : créés en 1818 par Alexandre Adie, ils utilisent la variation de volume d'un certain volume de gaz sous l'effet des variations de la pression atmosphérique ;
  • le baromètre anéroïde : créé par Lucien Vidie en 1844 puis repris par Eugène Bourdon en 1849, la pression atmosphérique s'exerce sur une enceinte métallique, hermétiquement close et partiellement vide d'air, il est cependant moins précis que le baromètre à mercure ;
  • les baromètres électroniques : ils traduisent en valeurs numériques les déformations d'une capsule à vide, évitant l'utilisation des pièces mobiles d'un baromètre anéroïde classique.

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