La reconstitution de l'expérience des liqueurs de Blaise Pascal
Armand Le Noxaïc, M. de Conférences à l'IUT d'Orsay et membre du GHDSO, se propose de répliquer une expérience célèbre de Pascal. Armand Le Noixaïc est l'auteur de "Les métamorphoses du vide" (Belin-Pour la science, 2004).
Compte-rendus des expériences menées les 17 décembre 2010 et 11 février 2011
Rappel de l'expérience de Pascal : À Rouen, en 1647, Pascal raconte : "un tube en verre de 15 m de haut, fermé en haut, plein d'eau et dont la base plonge dans un bassin d'eau, est dressé contre la façade d'un immeuble, plus ou moins incliné. Le niveau de l'eau se stabilise à 10 m environ, laissant un espace "vide" au-dessus. Un autre tube identique (ou le même, peu importe) est rempli de vin. Pascal dit que le vin monte un peu plus haut, ce qui est cohérent avec sa moindre densité."
Est-ce vrai ? Des japonais ont tenté de répliquer l'expérience, ils disent avoir obtenu le résultat inverse ! Ils ont obtenu un franc succès lors d'un congrès "Pascal" en France il y a quelques années en ridiculisant quelque peu Pascal. Cependant, leur article est si mauvais que de nombreux doutes subsistent. Et d'abord il faudrait comprendre par où et par quoi il peut y avoir problème.
Une piste : dans la partie supérieure du tube, il n'y a pas le vide absolu mais la pression de vapeur saturante de l'eau à la température de l'expérience dans le premier cas ; et celle de eau + alcool dans le second cas. Or la tension de vapeur de l'alcool est très supérieure à celle de l'eau (l'alcool et plus volatil), et cela peut jouer un rôle dans le sens inverse de celui "naïvement" attendu, d'autant plus grand que la température est élevée. Noter que la densité de l'alcool diffère de celle de l'eau de 20% environ, et qu'il n'y a que 15% d'alcool dans le vin. L'effet attendu est donc faible, et le raisonnement "naïf" sur les densités conduit à une différence maximale de 3%, soit 30 cm environ. Mais cela peut faire moins, pour la raison que l'on a dite -- mais aller jusqu'à s'inverser ? That is the question. Ce qui est derrière tout cela est notamment, comme pour Galilée, une mise en doute par Koyré (donc bien avant nos japonais) de la "réalité" de cette expérience de Pascal.
Armand Le Noixaïc a fait des estimations de tout cela. Je n'ai pas encore suivi le détail des calculs, mais il est clair que, pour répliquer l'expérience de Pascal, il faut se placer dans des conditions similaires de température. Pascal a opéré en janvier. Voilà pourquoi il a choisi la période hivernale(*) ! J'ajoute que, pour des raisons pratiques, ses tubes ne sont probablement pas en verre, en principe cela ne devrait pas jouer de rôle.
(*) espérons qu'il ne gèlera pas trop fort tout de même !
Jeudi 17 décembre 2010
L'expérience doit avoir lieu à l'IUT de mesures physiques d'Orsay (sur le plateau). Naturellement, l'expérience peut rater, et il y a de nombreuses raisons pour cela (fuites, problème d'arrimage et de levage etc.). Elle peut aussi réussir. Mais peu importe, l'essentiel est de jouer, et on recommencera s'il le faut !
Lieu : IUT de Mesures physiques, bat 608
Résultat : L'expérience, effectuée avec un vin standard proche du clairet de l'époque, a donné une résultat inverse de celui rapporté par Roberval (de même que la manip japonaise).Une question se pose : est-ce que Pascal n'aurait pas essayé de mettre toutes les chances de son côté, d'une part en filtrant le vin (ce qui l'allège notablement de résidus solides lourds), voire même en l'enrichissant en alcool ? L'expérience "peut-elle" alors réussir ?
Jeudi 11 février 2011
Une seconde tentative de réplication de la manip "eau-vin" attribuée à Pascal par Roberval, a eu lieu à l'IUT d'Orsay le 11 février, pilotée par Armand Le Noxaïc ;
Lieu : labo du vide, IUT, bat 608 (entrée façade nord).
Installation : comme le 17 décembre, le long de l'escalier extérieur au bâtiment, façade ouest.
Objectif : il s'agit toujours d'essayer de savoir, non pas avec certitude si Pascal a vraiment réussi l'expérience comme la rapporte Roberval (en l'absence de nouveaux documents), mais de savoir s'il "aurait pu" la faire et obtenir ce résultat.
Armand Le Noxaic, raisonnant à l'envers, a calculé la densité du vin nécessaire pour obtenir le résultat rapporté à l'époque, à savoir :
- rapporté par Roberval : lors d'une expérience comparative, le vin monte 2/3 pied plus haut que l'eau ;
- rapporté par Pascal : en rapportant les manips de Rouen, dit que de l'eau est montée à 31 pieds, et dit ailleurs que "du vin" est monté à 32 pieds (il se pourrait que que Pascal ait arrondi, voulant mettre en évidence l'essentiel du phénomène, ce qui lui arrivait). Il ne parle pas de mesure comparative, les deux manips semblent indépendantes.
Le calcul montre que, pour réussir l'expérience comme la décrit Roberval, il faudrait un vin de densité 0,982 (alors que celle des des "vrais" vins tourne autour de 0,991 à 0,994) . Il filtre le vin, et l'enrichit en alcool jusqu'à avoir cette densité. "Le vin a été enrichi en armagnac pour atteindre une densité de 0.982 (correspond à 20° d'alcool). Pour arriver à cette densité j'ai mis 1/3 d'armagnac pour 2/3 de vin tout rond! J'ai rempli les tuyaux ce matin avec encore plus de soin que la dernière fois. Demain matin je sortirai le dispositif à l'avance pour que les fluides soient entre 5 et 10°C. La température est toujours un facteur important (le vin est maintenant plus riche en alcool, donc sa Pvsat a augmenté également)."
Que verrons nous ?
Remarque : curieusement, la météo est exactement la même que le 17 décembre !
Qui dirige tout ça en catimini ? En tous cas c'est une bonne chose, car Pascal a opéré et a fait les manips de Rouen en hiver, et la température est un facteur important pour les pressions de vapeur au-dessus du liquide.
Résultat : Dès le départ le vin est nettement plus haut que l'eau, et, après une période d'équilibrage assez longue (env. 15 mn), le vin se stabilise à 29 cm plus haut que l'eau.
En opérant par temps froid (comme Pascal, et pas comme la manip japonaise), et en utilisant un vin enrichi en alcool, on retrouve bien le résultat rapporté à l'époque.
Alors Pascal a-t-il utilisé un vin enrichi en alcool ? Nous ne le savons pas. Mais la manip prouve que, s'il l'a fait, alors le résultat rapporté est plausible.
L'aurait-il fait ? Nous avons un indice : selon Roberval, Pascal voulait "confondre les demi-savants" qui prétendaient que, le vin étant plus chargé en "esprits" (vapeurs) que l'eau, ceux-ci, se rassemblant au-dessus du liquide l'empêcheraient de monter ausssi haut que l'eau. Le but de Pascal, selon Roberval, était de montrer que les "esprits" n'empêchaient pas le vin de monter plus haut que l'eau. Pascal aurait-il fait une manip en forçant volontairement sur les "esprits", persuadé qu'il était que l'espace au-dessus du liquide était, pour l'essentiel, vide ?
En tous cas, la présente manip confond une seconde fois les "demi-savants" du 17e siècle : la pression de vapeur saturante d'un vin volontairement enrichi en alcool, et donc en "esprits", ne peut pas contre-balancer la réduction de densité, et de loin, du moins par temps froid. Les "demi-savants" auraient prédit que le vin enrichi monterait encore moins haut que le clairet !
Evidemment, personne ne connaît, à l'époque, le phénomène de pression de vapeur saturante. Les "demi-savants" ont une intuition qui s'avèrera juste en pensant que l'espace "vide" est rempli des vapeurs du liquide. Mais Pascal en a une plus juste encore en jugeant que, au moins à la température de ses expériences hivernales, ce phénomène, s'il existe, ne doit pas inverser les effets de densité. Et il va à l'essentiel.
On en reparlera !
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Vulgarisation scientifique
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