Baromètre

Baromètre

  Le baromètre est un instrument de mesure, utilisé en physique et en météorologie, qui sert à mesurer la pression atmosphérique. Il peut, de façon secondaire, servir d'altimètre pour déterminer, de manière approximative, l'altitude.
On distingue principalement :

• le baromètre à mercure : la pression atmosphérique est équilibrée par une colonne de mercureEvangelista Torricelli en 1643 ; surmontée d'un espace clos et vide. Il a été inventé par
• les baromètres à gaz : ils utilisent la variation de volume d'un certain volume de gaz sous l'effet des variations de la pression atmosphérique ;
• le baromètre anéroïde : la pression atmosphérique s'exerce sur une enceinte métallique, hermétiquement close et partiellement vide d'air. Celle-ci se déforme de façon élastique et un système mécanique permet d'amplifier les mouvements qui résultent des variations de pression pour les rendre visibles sur un cadran ou les enregistrer sur une bande de papier millimétré ;
• 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.

• HISTOIRE

  Les origines

  À l'époque de Galilée, vers 1635, les ingénieurs et fontainiers de Florence sont chargés de construire de gigantesques installations hydrauliques dans les jardins des palais. Ils installent des pompesbrasses, soit une dizaine de mètres. Galilée est sollicité mais il meurt en 1642 sans avoir eu le temps de résoudre ce problème : 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. aspirantes mais découvrent avec stupéfaction qu'elles sont incapables d'élever l'eau de plus de 18
  

  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 (hydrargyre, vif-argent…) qui est 13,6 fois plus dense. 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 cm 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 m, 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 (pluie).
  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 français René Descartes (1596-1650) 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.
  

  Torricelli inventant le baromètre à mercure, gravure figurant dans les livres de Camille Flammarion (1923)

  Baromètre à cuvette

  Baromètre à siphon ordinaire

  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.
  

  Blaise Pascal et la pression atmosphérique

  La pression atmosphérique contraint le mercure à monter dans le tube sur une colonne d'environ 76 cm 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 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 Paris52 m). 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 quelques années plus tard, créé par le physicien et chimiste irlandais Robert Boyle (barometer, 1665-1666). Il est formé sur le grec baros (poids, pesanteur). Mais il faudra attendre le milieu du XIX^esiècle pour que les constructeurs d'instruments, les opticiens, 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 (« beau temps », « variable »…). 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, qui vaut un newton par mètre carré. Le hasard peut amener à une découverte. En 1675, l'abbé Picard, transportant 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 électriquesfrottement du mercure sur le verre est la cause de cette luminescence. dans les gaz raréfiés… On sait maintenant que le
  

  Le baromètre à mercure[

  Le tube de Torricelli, baptisé par la suite baromètre, est un tube en U lié à une graduation de référence permettant de mesurer la différence de niveau entre les deux surfaces libres du mercure.
  Le baromètre à mercure présente de nombreux inconvénients :
• le tube de verre est encombrant et fragile ;
• le mercure est un métal cher et toxique (de nos jours il est interdit pour de nombreuses applications comme les thermomètres médicaux) ;
• la très forte tension superficielle du mercure rend sa surface libre convexe et fait que dans les tubes étroits, le niveau du mercure s'établit un peu au-dessous de sa valeur théorique ; il faut donc non seulement faire une visée tangentielle mais aussi corriger la valeur obtenue en fonction du diamètre du tube ;
• une autre correction doit être pratiquée en fonction de la température, pour compenser la dilatation du métal et donc la variation de densité qui l'accompagne, c'est pourquoi tout bon baromètre est associé à un thermomètre et aux tables de correction adéquates.

Bien que l'origine en soit controversée, on attribue au physicien hollandais Christian Huygens un important perfectionnement du tube de Torricelli, en 1672. Un tube en U contient du mercure comme précédemment et une zone de vide du côté fermé, mais la branche ouverte contient un liquide non volatil de plus faible densité dont le niveau dépend de celui du mercure. Descartes avait déjà réalisé des appareils de cette sorte. En choisissant convenablement les sections des tubes, on peut ainsi obtenir une amplification de l'ordre de 10, ce qui rend la lecture beaucoup plus facile et précise. Cette technique permet en outre d'éviter l'oxydation lente du mercure par l'oxygène de l'air.

Principe du baromètre de Huygens

Principe du baromètre à cadran

Baromètre de Hooke, vers 1660

Baromètres à siphon de Gay-Lussac et Bunten

Le premier baromètre à cadran a été construit en 1663 par l'astronome anglais Robert Hooke. Un flotteur reposant sur le mercure suit les variations du niveau et actionne une aiguille qui indique la pression sur un cadran. La lecture est plus facile et plus précise qu'avec le baromètre de Torricelli mais, selon Privat-Deschanel et Focillon, « le baromètre à cadran est toujours un appareil assez grossier, quel que soit le luxe de sa présentation ».
Dans les baromètres à siphon construits sur le modèle imaginé par Louis Joseph Gay-Lussac, la branche courte a la même section que la branche longue, dont elle est séparée par un tube très fin destiné à empêcher l'air de pénétrer dans la chambre à vide. L'ouverture O laisse passer l'air mais elle est suffisamment petite pour empêcher le mercure de sortir facilement. Bunten y a ajouté un réservoir de garde CD destiné à piéger les bulles d'air qui pourraient, par accident, franchir le siphon.
Le français Jean Fortin (1750-1831) réalisa un baromètre à mercure transportable qui porte son nom. Afin de diminuer le volume du mercure dans la cuvette inférieure et de faciliter la lecture, Fortin imagina, en collaboration avec le mécanicien Ernst, un système de vis et de membrane de cuir permettant d'amener la surface libre au niveau d'un repère de hauteur fixe par rapport au tube. Un curseur lié à celui-ci permet la mesure directe de la hauteur de la colonne barométrique. On notera la conception du trépied, dont les branches repliées constituent des protections pour le tube de verre.

Baromètre de Fortin, détails

Baromètre de Fortin

C’est au XVIII^e siècle qu’apparurent les premiers baromètres de marine à mercure. Leur développement fut freiné par les marins eux-mêmes, très attachés aux méthodes ancestrales de prévision du temps.
L’amiral britannique Fitzroy eut l’idée, en 1858, d’équiper tous les ports de pêche d’un baromètre.

Les baromètres à eau

Selon un document de 1619, un Hollandais, Gijsbrecht de Donckere, aurait inventé un baromètre à eau. L'air enfermé dans une partie de l'appareil se dilate ou se contracte selon la pression qu'il subit, produisant une variation de niveau relativement importante dans le tube fin relié à l'air libre. Johann Wolfgang von Goethe, vers 1792-93, aurait réinventé un appareil de ce type, à partir des principes de Torricelli. Lorsque la pression atmosphérique augmente, le niveau du liquide dans le tube descend. Inversement, lorsque la pression baisse, il y a moins d'appui sur l'eau et le liquide monte.
Les indications des baromètres à eau sont évidemment très liées à la température, et on ne se sert plus de ces appareils qu'à des fins décoratives.

• Baromètres à eau de Goethe
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Les baromètres à gaz

Le baromètre Eco-Celli est un instrument dont la précision peut être comparée avec celle d'un baromètre de Torricelli. Son fonctionnement est totalement différent puisqu'il ne contient pas de mercure. Comme les baromètres à eau, cet instrument mesure la pression atmosphérique grâce à la compressibilité d'un volume de gaz enfermé qui se comprime ou se détend en fonction de la pression atmosphérique. Le volume du gaz dépend également de la température ambiante et il faut donc faire une correction. Celle-ci est réalisée très simplement en déplaçant l'échelle d'un curseur jusqu'à ce que l'index métallique soit au même niveau que le liquide bleu du thermomètre. Par rapport à un baromètre à mercure simple, le baromètre Eco-Celli permet une amplification de 4 fois, ce qui rend la lecture plus précise et surtout plus facile.
Le baromètre inventé par le Britannique Alexandre Adie en 1818 est nettement plus petit qu'un baromètre de Torricelli. Il est composé de deux éléments, un tube en forme de U (liquide rouge) et un thermomètre (liquide bleu) qui sont mis en parallèle. Une baisse de pression fait monter le liquide rouge du baromètre et une hausse le fait descendre. Le thermomètre permet de faire les corrections nécessaires.

Les baromètres anéroïdes

Le baromètre anéroïde fut mis au point par le Français Lucien Vidi qui en déposa le brevet en 1844 (en collaboration avec Antoine Redier, inventeur du réveille-matin). Les parois d'une capsule vide d'air, dite « capsule de Vidi » sont maintenues écartées par un ressort. La pression atmosphérique appuie plus ou moins sur la boîte (capsule) anéroïde et fait ainsi tourner l'aiguille sur le cadran, grâce à un mécanisme de précision.
L'idée a été reprise par Eugène Bourdon en 1849 qui utilisa la déformation que subit un tube aplati vide d'air sous l'effet des variations de la pression extérieure. « Ce joli baromètre de cabinet ne pourrait pas remplacer le baromètre à mercure dans les observations de précision : mais, associé à ce baromètre, il peut rendre de grands services dans les excursions scientifiques » (Privat-Deschanel et Focillon).

Baromètre de Bourdon

Baromètre anéroïde, début XXe s.

Baromètre anéroïde, début XXe s., on voit la capsule de Vidi et les leviers amplificateurs

Le principe de cet appareil avait été proposé en 1700 par le savant allemand Gottfried Wilhelm Leibniz ; le grand mérite de Vidi a été de le transformer en un objet pratique et peu onéreux. Le baromètre anéroïde est moins précis que le baromètre à mercure mais il permet en contrepartie de fabriquer des instruments compacts, beaucoup plus robustes et facilement transportables, surtout en mer.