G ERGONNE
Statique. Sur quelques démonstrations du principe du parallélogramme des forces
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 18 (1827-1828), p. 72-82
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72
STATIQUE.
Sur quelques démonstrations du principe du
parallélogramme des forces ;
Par M. GERGONNE.
PÂRÀLLELOGRAM ME
L’AUTEUR
de la démonstration duprincipe
duparallélogramme
des forces que l’on rencontre
aujourd’hui
dans la presque totalitédes traités élémentaires de
statique,
nous a souventtémoigné
leregret
de n’avoir puparvenir
à son but sansdéplacer,
et même.
plus
d’unefois,
lepoint d’application
descomposantes.
Sansdoute,
cela n’infirme en rien ni la vérité du
théorème
ni la validité desa
démonstration ;
mais lesesprits méthodiques
peuventdésirer ,
lorsqu’ils s’occupent
d’aborduniquement
des forcesqui agissent
surun même
point ,
de n’avoir pas à considérer des forcesqui agis-
sent tantôt sur un
point
d’unplan
et tantôt sur un autre. D’ail-leurs, quelque
incontestable quepuisse paraître
leprincipe qui
au-torise
ledéplacement ,
sur la direction d’uneforce ,
de sonpoint d’application,
ceprincipe
n’en a pas moins été mis en doute parun
géomètre
dont on ne sauraitcertainement
contester le mérite(*) ;
et c’est dire assez
qu’il peut
être bon de ne pastrop
s’enpréva-
loir vis-à-vis des commençans, surtout dès le début.
, Dans un mémoire sur la
composition
des forcesappliquées
à un mêmepoint, qui
faitpartie
de la deuxième livraison dupremier
volume de ses(-) Voy. ~nnat~s , tom. ~ ,
pag. 215 et tom.VI,
pag. 201.PARALLELOGRAMME. 73
Exercices de
~nat~aér~c~~l~~~s (
pag.29
iNI.Cauchy
vient récem-ment d’éluder cette difficulté d’une manière fort
ingénieuse
et bien.propre à prouver
qu’on
peutquelquefois
ne pas se trouver moins bien enmécanique qu’en géométrie
du recours aux trois dimen- sions del’espace,
pour la démonstration des théorèmesqui
n’enembrassent que deux seulement. Comme
peut-être beaucoup
de pro- fesseurs de noscolléges pourraient
ne pas songer à aller cherchercette démonstration dans le savant recueil
qui
lacontient,
et commed’ailleurs nous y avons introduit
quelques simplilications ,
nouscroyons faire une chose
agréable
pour eux en laprésentant
ici telleque nous l’avons
adoptée
pourrenseignement qui
nous est confié.Mais
auparavant
il est nécessaire que ncusrappellions
briève-ment ici diverses
propositions préliminaires qui
setrouvent
établiesdans la
plupart
des traités destatique ,
ou du moinsqui peuvent
être facilement déduites de celles
qu’on
y rencontre, afin de n’a- voirplus qu’à
yrenvoyer à
mesure que nous aurons besoin denous en appuyer.
i.
Lorsque
des forces sontappliquées
à unmême point
de l’es-pace, ou bien elles se font
équilibre ,
ou bien elles ont une résul-tante
unique
dont la direction passe par cepoint.
2. Si elles se font
équilibre ,
chacune d’elles estégale
et direc-tement
opposée
à la résultante de toutes les autres.3. Plusieurs
systèmes
enéquilibre
autour d’un rnêrnepoint
neforrnent
qu’un système unique
enéquilibre
autour de cepoint.
4.
Et comme laproposition
ne cesse pas d’être vraielorsque
lesforces sont
égales
chacune à chacune dans ces diverssystèmes,
etque les directions des forces
homologues coïnciderrt ,
il s’ensuitqu’on
’
ne trouble pas
l’équilibre
deplusieurs forces, appliquées
à un mêmepoint, lorsque ,
sanschanger
leurdirection,
y on les rend toutes mfois
plus grandes quel
que soit d’ailleurs le nombre entier m.Donc aussi
(2) si s
sanschanger
les directions deplusieurs
forcesqui
ne sont pas enéquilibre
autour d’unpoint ,
on les rend tout-~ c~ ~. ~~ ~L~~‘ Il
74
. _ ~1~ARALLETIC~URA~~~.
- - - ~- ._ __tes m fois
plus grandes,
leurrésultante,
sanschanger
de direc-tion,
deviendra aussi m foisplus grande.
5. Donc aussi on ne troublera pas
l’équilibre
deplusieurs
for-ces,
appliquées
à un mêmepoint , si ,
sanschanger
les directionsdes forces du
système ,
on les rend toutes n foisplus petites, quel
que soit d’ailleurs
le
nombre entier n. Carsi,
par cette transfor-mation ,
on leur faisaitacquérir
unerésultante ,
ilarriverait ,
con-trairement à
l’hypothèse ,
que lesystème primitif,
au lieu d’êtreen
équilibre,
aurait une résultante n foisplus grande
que celle- là. Donc aussi(2), si ,
sanschanger
les directions deplusieurs
for-ces
qui
ne sontpoint
enéquilibre
autour d’unpoint
y on les rendtoutes n fois
plus petites ,
leurrésultante,
sanschanger
dedirection,
deviendra
également n
foisplus petite.
6.
Donc (5,6)
on ne troublera pasl’équilibre
deplusieurs
forces autour d’un
point, si,
sanschanger
leursdirections,
on les mul-tiplie
toutes par lafraction - ~ quels que soient d’ailleurs
les deux
n
nornbres entiers m et n. Donc aussi
(.2) , si ,
sanschanger
les di-rections de
plusieurs
forcesqui
ne sont pas enéquilibre
autourd’un
point ,
on lesmultiplie
toutes par la fraction2013 ~
n leur ré-sultante ,
sanschanger
dedirection ,
se trouvera aussimultipliée
m .
par 2013.
’
’
" a n
7. Et comme on
peut toujours
choisir m et n de telle sorteque
la dISérence entre lafraction m
et un nombreincommensu-
n
rable donné soit moindre
qu’une quantité donnée,
sipetite qu’on
la suppose, t on
peut dire ,
yplus généralement,
que des forces enéquilibre
autour d’unpoint
demeurenttelles, lorsque,
sans chan-ger leurs
directions,
on lesmultiplie-toutes
par un nombrequel-
conque ; et que , si les forces ne sont pas en
équilibre,
leurrésultante ,
sans
changer
dedirection,
se trouveramultipliée
par ce même nombre.8. Des forces
appliquées
à un mêmepoint
et situées dans unPARA LLE L 0 G RA ~-,NIME. 75
même
plan,
ont leur résuitantecomprise
dans ceplan.
Si ces for-ces sont au nombre de deux seulement leur résultante
agira
dansl’angle
formé par leursdirections ;
si enfin elles sontégales ,
ladirection de leur résultante divisera cet
angle
en deuxparties égales.
Ces
préliminaires
ainsiétablis,
nous allons démontrerque la
r~- ,sultante de deux
forces rectangulaires, appliquées
à unmême point,
est
représentée ,
tant en intensitéqu’en direction ,
par ladiago-
nale du
rectangle
construit sur les droitesqui représentent
lescomposantes,
tant en intensitéqu’en
direction.1.0 Démontrons d’abord que cette
diagonale représente
la résul-tante en intensité.
Soient P
et Q
deux forcesperpendiculaires
l’une àl’autre ,
ap-pliquées
à un mêmepoint;
soit Rieurrésultante, d’intensité
et dedirection
inconnues ,
et que nous savons seulement(8)
êtredirigée
dans
l’angle
descomposantes.
Soient aet ~
lesangles
que formecette résultante avec elle. Ces
angles
serontcomplémens
l’un del’autre.
A la force P nous pourrons en substituer deux autres , y l’une
P2
Jdirigée
suivant 7~ et l’autrePQ perpendiculaire
à celle-là. En’
iî- , u il
effet
(7)
ces deux dernières forces se trouvantrectangulaires,
commeP
et Q ,
et n’étant autre chose que ces forces Pet Q, multipliées
p toutes deux
par 2013 ~
leur résultantedevra ,
commeR,
former desR ,a
angles
ceet ~
avec lescomposantes
etconséquemment
êtredirigée
jp
suivant
,et
son intensité devra être .-
==jP.JR
Par une semblable
raison ,
nous pourronsremplacer
laforce Q
Qs PQ
par deux autres, l’une
2013 ~
Hdirigée
b suivant et l’autre2013 ,
R ~ per-ppendiculaire à
la direction de cette résultante. Nous auronsainsi ,
76
PARALLELOGRAMME.au lieu des deux forces P et
Q , quatre
autres forces dont R de-vra
toujours
être la résultante.Mais,
de cesquatre forces ,
= deux sontégales
etdirectement
op-posées,
tandis que les deux autresagissent
dans le sens de’R ;
donc R doit être
simplement égale
à la somme de ces deux der-nières, c’est-â-dire , qu’on
doit avoirce
qui
démontre lapremière partie de
laproposition.
Cette démonstration est au fond celle de la
mécanique
céleste,que M.
Cauchy
n’a faitsimplement
que rendreindépendante
ducalcul
diflérentiel qui , comme
l’onvoit,
y avait été introduit biengratuitement.
°
2.° Prouvons
présentement
que ladiagonale
durectangle des forces , qui déjà représente
la résultante enintensité,
lareprésente
aussi en direction.
Prouvons d’abord que, si cette
proposition
était reconnue vraiepour deux forces P et
M,
elle le seraitégalement
pour deux au-tres forces P et
~pI+M~.
:Pour le
démontrer ,
concevons trois forcesP, P ,
Jtfdirigées
suivant les trois arêtes d’un même
angle
d’unparallélipipède
rec-tangle.
Pour en avoir larésultante ~
il faudra d’abord déterminer la résultante de deuxquelconques
d’entreelles, puis
la résultante de cette résultante et de la troisième.Or,
par1liypothèse ,
larésultante
~ p ~l~zx ,
de M et de l’une des deux forcesP,
est di-rigée
suivant ladiagonale
de la facequi
contient les deux compo- santes ; d’où il suit(8)
que la résultante des trois forces sera dans leplan qui
contient cettediagonale
de face et l’arêtequi
lui estopposée.
Mais il existe deux telsplans
dans leparallélipipède,
etdans
lesquels conséquemm-ent
la résultante des trois forces doit sePARA LI, EL 0 GRAM ME.
77trouver à la
fols ;
cette résultante sera doncdirigée
suivant leurintersection diagonale
duparallélipipède , laquelle
est aussidiago-
nale du
rectangle
des deux forces P et~p~.~.M2 ;
il est doncprouvé
que la
proposition
sera vraie pour deux telles forcesrectangulaires,
si elle l’est pour les forces
rectangulaires
P et M.En
posant ~. ~P~/~
etsubstituant
on conclura de là que , si laproposition
est vraie pour deux forcesrectangulaires
P etP~/ ~ ,
elle le sera aussi pour les deux forces P et
~)/~+i , quel
que soit le nombre entier k.Or,
laproposition
est vraie(8)
pour les deux forces P etjP~/x , puisque
ce sont des forceségales ;
donc elle seravraie aussi pour les forces
rectangulaires
P etP~/2 ,
P etP1/3 ,
P et
~‘~/~ ,
... P etP~/k ;
et comme k est iciquelconque ,
enposant ~~mZ,
il demeureraprouvé
que laproposition
est vraie pour deux forcesrectangulaires multiples
l’une de l’autre P etmP ;
et il en serait évidemment de même pour deux forces
rectangulai-
res P et
nP, quels
quepussent
être les nombres entiers m et n.Prouvons encore que , si la
proposition
est vraie pour deux for-ces
rectangulaires
P etM,
et pour deux autres forcesrectangulai-
res P et
N,
elle le seraégalement
pour les deux forcesrectangu-
laires M et N.En
effet ,
soient trois forcesP, M,
Nagissant
sur un mêmesommet d’un
parallélipipède rectangle,
etdirigées
suivant les arê-tes de ce
parallélipipède,
que nous supposons lesreprésenter
en in-tensité. Pour en obtenir la
résultant
on pourra d’abordchercher
la résultante~% p~+M~
des deux forces P etl~l , laquelle,
parhy- pothèse,
seradirigée
suivant ladiagonale
de la facequi
contientles deux
composantes ,
et composer ensuite cette résultante avecN
ou bien on pourra chercher d’abord la resultante
~/P~-2V~
desdeux forces P et
N, laquelle
J parhypothèse,
seradirigée
suivantla
diagonale
de la facequi
contient les deuxcomposantes,
et com-poser ensuite cette résultante avec M.
Il suit de là que la résultante des trois forces se trouvera à la fois située dans le
plan qui
contient ladiagonale ‘/ p~+
et l’arête78 PARALLELOGRAMME.
,opposée N,
et dans leplan qui
contient ladiagonale t/P2,+N2
etl’arête
opposée M ;
cette résultante sera doncdirigée
suivant l’inter-section de ces deux
plans , laquelle
n’est autre chose que la dia-gonale
duparallélipipède.
Mais on
peut
aussi chercher d’abord la résultante des deux for-ces M et N pour
la
composer avecP ;
et , comme l’on doit re-tomber
également
sur ladiagonale
duparallélipipède ,
il faut(8)
que cette
diagonale
soit dans leplan
de P et de la résultante de 31 etN;
cequi
nepeut
avoir lieuqu’autant
que cette résultantesera
dirigée
suivant ladiagonale
de la fdcequi
contient ces deuxforces.
D’après
cequi
a été démontréci-dessus,
laproposition
est vraiepour P et M et pour P et
N , lorsqu’on
a ~l-mP et N n~’ ,donc , d’après
cequi
vient d’êtreprouvé ,
elle est vraie aussi pour M etN, lorsqu’on
a M=mP et2V=:~.P;
c’est-à-direqu’elle
estvraie pour deux forces
rectangulaires
commensurablesquelconques.
Il est facile de démontrer
qu’elle
estégalement
vraielorsque
lesdeux forces
rectangulaires
sont Incommensurables. ,.Ainsi la résultante de
deux
forcesrectangulaires quelconques, agissant
sur un mêmepoint, est représentée
à lafois,
en intensitéet en
direction,
par ladiagonale
durectangle
construit sur les deuxdroites qui représentent
lescomposantes
tant en intensitéqu’en di-
rection.
Soient
présentement
deux forces Pet Q agissant
sur un mêmepoint
dans des directionsquelconques ,
et soit construit unparal- lélogramme
sur les droitesqui représentent
ces forces en intensitéet en direction. Soient considérées P
et Q
comme lesdiagonales
de deux
rectangles ayant
un de leurs côtésdirigé
suivant la dia-.
gonale
duparallélogramme ;
il est aisé de voir que cettediagonale
sera
égale
à la somme ou à la différence de ces mêmescôtés,
sui-vant
qu’ils
serontdirigés
dans le même sens ou en senscontraire,
tandis
que’,
dans tous les cas, les autres côtés des deux"rectangles
seront
égaux
etdirigés
en sens contraire. Sidonc ,
ondécomposé
PARALLELOGRAMME.
79respectivement
Pet Q
suivant les côtés de ces deuxrectangles
ces forces se trouveront
remplacées
parquatre
autres , dont deux sedétruiront,
t tandis que les deux autres secomposeront
en uneseule, représentée
en intensité et en direction par ladiagonale;
cequi
cons-titue le théorème
qu’il s’agissait
d’établir.Dans la
quatrième
livraison du Journal demathématiques
deM.
Crelle (
pag.3~g ~ ,
M. le docteurBurg
a d~Ijraé une démonstra-tion du
principe
duparallélogramme
desforces, qui n’occupe
quequelques lignes,
maisqui
n’est malheureusementqu’un très-spirituel paralogisme ; paralogisme
que nous croyons d’autantplus
nécessairede
signaler ici,
que le mérite éminent du recueil sous lagarantie- duquel
il se trouvepublié , pourrait
séduirequelques jeunes
lec-teurs. Voici le fond du raisonnement de M.
Burg.
Soient données les intensités de
deux
forcesagissant
sur un mêmepoint P ,
etl’angle
quecomprennent
entre elles leursdirections ;
l’intensité et la direction de leur résultante se trouveront
complè-
tement déterminées. En menant les droites PA et
PB, qui repré-
sentent ces
composantes
en intensité et endirection ,
la droite PCqui
doitreprésenter
leur résultante en intensité et en direction se trouvera tout à fait déterminée. Si donc l’on mène les droites CAet
CB,
lequadrilatère
APBC se trouveracomplètement
déterminépar ces trois données
PA ,
PB etl’angle
APB.Ce
quadrilatère
sera/r~/?~z~ ~ trapèze
ouparallélogramme ;
or,il ne saurait être un
trapézoïde ,
yqui
ne se détermine que parcinq
conditions;
il ne saurait être nonplus
untrapèze , qui
enexige
y~-80 PARALLELOGRAMME.
tre ; ce sera donc un
parallélogramme qui
n’en demande que trois seulement.Pour faire bien ressortir le vice
logique
de ceraisonnement,
sup- posons, pour un momentqu’il
aitplu
auxgéomètres,
~ comme ilsen avaient certes bien le
droit ,
y de classer lesquadrilatères .,
nonpas
d’après
leparallélisme
ou le nonparallélisme
de leurs côtés op-posés,
maisd’après
laperpendicularité
ou la nonperpendicularité
de leurs côtés consécutifs. On aurait eu ainsi des
quadrilatères
obli-~!/~/2~~ ~ rectangles, bi-rectangles
etiri~-rectân~~’es , dépendant
res-pectivement
decinq, quatre,
trois et deuxconditions ;
et, en leurappliquant
littéralement le raisonnement de M.Burg,
on aurait étéconduit à conclure que le
quadrilatère
APBC doit être bi-rectan-glo,
etqu’ainsi
lepoint
C doit être déterminé par le concours desperpendiculaires
menéesrespectivement
à AP etBP,
par lespoints
A et
B ,
cequi
estgénéralement
faux.Si l’on nous
objectait
que,parmi
lesquadrilatères
que nous ap-pelons obliquangles
et que nous disons nepouvoir
être déterminés que parcinq conditions ,
se trouventcompris
desparallélogram-
mes
qui
n’enexigent
quetrois,
nous observerions à notre tour queparmi
lestrapézoïdes, qu’on
nous ditexiger cinq conditions
1 setrouvent
compris
desquadrilatères hi-rectangles , qui
n’en exi-gent également
quetrois ;
de sortequ’il
y a. exacteparité
entreles deux raisonnemens.
De ce que le
quadrilatère
APBC nedépend
que de trois condi- tionsseulement ,
tout cequ’on
est fondé à enconclure ,
c’est quela nature du
problème doit, Indépendamment
des trois donnéesqui
varient d’une
question
àl’autre, l’assujettir
à deux autresconditions ,
sans
qu’il
soitpossible d’assigner
ces deux autres conditions àpriori.
Mais en voilà
peut-être déjà beaucoup trop
sur une démonstra- tionqui
occupe àpeine
unedemi-page
du recueil de M.Crelle
1et à
laquelle
nous ne pensons pas que l’auteur attache unegrande
importance.
Il est mêmejuste
de dire que , si M.Burg
s’est mé-PARALLELOGRAMME.
8Ipris
en cette rencontre , il n’estpeut-être
pas donné àbeaucoup
demonde de faillir d’une manière aussi
ingénieuse.
Dans les Transactions de la société
~hzl~~so,~l~i~~~e
del~arnbric~~e (
tom.11~
1. repartie ,
pag.~5 )
on trouve aussi une démons-tration fort courte et fort
élégante
duprincipe
duparallélogranlme
des forces. On sait que tout se réduit à démontrer le théorème pour deux forces
égales,
formant entre elles unangle quelconque (*) ;
etvoici comment
l’auteur ,
~’I. J.King,
yparvient.
Soient ces deux forces
égales
àP,
29l’angle qu’elles
forment etR leur
résultante
y dont la direction doit évidemment diviser l’an-gle
29 en deuxparties égales.
Cette résultante devra être nulle pourtoutes les valeurs de 0
comprises
dans la double série.c’est-à-dire,
3qu’elle
devra être nulle en nlimetemps
que chacune desquand tés
et ne pourra d’ailleurs l’être que dans ces seuls cas ; d’où
l’auteur
conclutqu’ou
doitavoir
IÉ étant un coefficient
indépendant
de P et6;
or, celarevient 1
comme l’on
sait,
à(--)
Voy. la Mécanique
de M. Franc0153ur.?~.~777
1282 PARALLELOGRÀ MME.
et comme, pour
9:~o~
on doit avoir7?===2~~
il s’ensuitque ~’~~ ;
ce
qui
donne PaiementIl resterait seulement à
expliquer pourquoi
onn’aurait pas
a, (3,
y , ""’ étant des nombres entierspositifs
différens de l’unité.Nous avons
employé
un tour de raisonnementanalogue,
à la page 1 18 de notrepremier volume;
mais nous avons eu soin(
pag.i 19 )
de nous mettre à couvert de cetteobjection.
Au
surplus ,
si l’onrenonçait
à tenir lastatique
dans un isole-ment
complet
de ladynamique ,
isolementbeaucoup
moinsphilo- sophique peut-être qu’on
se lefigure ,
ons’épargnerait
bien des dif-ficultés. En
appelant
forceségales
cellesqui
sontcapables d’impri-
mer des vitesses
égales
àune
même masse , forces doubles cellesqui
sontcapables
de luiimprimer
des vitessesdoubles,
et ainside
suite ,
leprincipe
duparallélogramme
des forces deviendrait ce-lui du
parallélogramme
desvitesses,
si facile à établir nettement à la manière de d’Alembert dans saDynamique.
Il resteraitplus
tardà prouver que des forces
qui impriment
les mêmes vitesses à desmasses
inégales
sontproportionnelles
à ces masses. Mais il semblequ’on
seplaise
à serner desépines
sur les pas des commençans,de
peur sans doutequ’ils
neprennent trop
degoût
pour lesscien-
ces , et