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Submitted on 1 Jan 1907
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Recherches comparées sur les forces de gravitation dans les gaz et les liquides
V. Crémieu
To cite this version:
V. Crémieu. Recherches comparées sur les forces de gravitation dans les gaz et les liquides. J. Phys.
Theor. Appl., 1907, 6 (1), pp.284-298. �10.1051/jphystap:019070060028401�. �jpa-00241211�
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Le procédé que je signale permettrait de réaliser les conditions voulues.
Sans doute serait-il préférable de remplacer l’arc chantant par un alternateur d’un grand nombre de périodes.
Grâce à l’obligeance de M. Villard, j’ai pu voir fonctionner l’al- ternateur de 500 périodes du laboratoire de l’École normale et constater la facilité avec laquelle il se prête à la réalisation des
phénomènes de résonance. Un pareil alternateur conviendrait vrai- semblablement pour l’alimentation du Tesla d’émission, et la fré- quence des trains (1 .000 par seconde) aurait déjà une valeur assez
élevée pour accroître dans une proportion notable les effets enregis-
trés par le bolomètre.
RECHERCHES COMPARÉES SUR LES FORCES DE GRAVITATION DANS LES GAZ ET LES LIQUIDES;
Par M. V. CRÉMIEU (1).
Dans un précédent article (2~, j’ai exposé les idées directrices de
mes recherches et les expériences de vérification déjà entreprises.
.T’ai donné, de plus, les résultats déjà obtenus, dont quelques-uns,
sans confirmer nettement mes hypothèses, sont cependant de nature
à laisser espérer une confirmation.
A la fin de 1905, je m’étais aperçu que les appareils dont je me
servais présentaient plusieurs défauts très graves. Lie plus grave de tous consistait en ce que l’eau employée comme milieu dans les expériences était contenue dans une enveloppe en fer étamé, au con-
tact de laquelle elle dissolvait de l’oxyde de fer colloïdal qui ne
tardait pas à rendre tout mouvement de la balance de torsion im-
possible.
Pour remédier à cet inconvénient, voici les différentes opérations qui ont été effectuées :
1° lB1odifications à la double enveloppe.
--La plaque supé-
rieure FF a été doublée d’une plaque de nickel poli de 1 millimètre
(1) Communication faite à la Société française de Physique, séance du 1°r fé-
vrier 1907.
(2) J. cle 4, série, t. V, p. 25; 1906.
Article published online by EDP Sciences and available at
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019070060028401
285
d’épaisseur, vissée sur FF et percée de trous correspondant à ceux déjà existants, qui laissent passer les différentes parties de l’appa-
reil.
FIG. 1.
Un cylindre de nickel, vertical, de hauteur supérieure due 2 centi- mètres à FS, vient se fixer sur la plaque de nickel du fond, à l’aide
d’un joint pratiqué dans une gouttière circulaire de nickel. Le dia- mètre de ce cylindre est très légèrement supérieur à celui du cylindre CC, de sorte que, lorsqu’on ferme la double enveloppe, le cylindre de nickel rentre dans CC, et le fond de la double enveloppe
se trouve ainsi entièrement doublé de nickel.
D’autre part, toutes les pièces métalliques de cuivre ou de bronze
qui, au cours des expériences, plongent aussi dans l’eau SS, ont été
nickelées, sous une assez forte épaisseur.
286
Dans ces conditions, la couche d’eau SS ne touchait plus que du
nickel, du verre ou du platine.
2° Modifications à l’électro-dynamomètre téînoin.
-Au cours des
mesures dans l’eau, la balance de torsion n’oscille plus ; elle est
presque apériodique par le frottement des sphères immergées
contre le liquide. Or il est toujours à craindre que, l’eau devenant
impure, ou sa surface se couvrant de fines poussières, la sensibilité de l’appareil diminue. Il est donc indispensable, pour des expé-
riences comparées, de disposer à l’intérieur de l’appareil un couple témoin autre que celui dû aux attractions newtoniennes et
réglable à distance, de façon à pouvoir commander les mouvements de la balance de torsion. Dans l’appareil de 1905, ce couple était pro- duit entre les bobines B, B~, l’une B solidaire du levier de la balance de torsion, l’autre B4, maintenue fixe au centre de B à l’aide d’une
tige convenablement placée. En faisant circuler dans ces bobines
un courant convenable, on obtenait un couple qui agissait sur le
levier EE. Mais cette disposition, qui avait paru la plus simple,
était très défectueuse. Le moindre décentrage relatif des deux bobines modifiait la sensibilité de l’électro-dynamomètre qu’elles
constituent.
De plus, pour opérer à des distances différentes entre les
sphères G et les cylindres K, on tourne le goniomètre 1 d’angles égaux à ceux des facettes successives du miroir II, de façon à ob-
server le mouvement par réflexion dans ces différentes facettes. La bobine B, solidaire du levier, tourne aussi d’angles égaux à ceux
dont. on tourne le goniomètre, tandis que la bobine B’ reste fixe. Ces deux bobines faisaient, par suite, des angles très différents pour
chaque série d’opérations, ce qui exigeait à chaque changement de
distance un nouvel étalonnage.
Pour remédier à ces inconvénients, on a remplacé les deux bo- bines concentriques par deux bobines plates de même diamètre,.
L’une est fixée par une petite tige sur l’axe d’oscillation du levier,
son plan dirigé parallèlement au fil de suspension. Cette bobine suit
les mouvements du levier, son centre décrivant une circonférence
,
de 7 centimètres de rayon. L’autre bobine est fixée à l’extrémité d’une tige solidaire de l’axe L du goniomètre de torsion 1 ; de sorte que, lorsqu’on tourne ce goniomètre, la bobine fixe tourne d’un
angle égal sur un cercle de 7 centimètres de rayon. La distance
entre les deux bobines qui constituent l’électromètre demeure donc
287 constante. De plus, un léger décentrage influe beaucoup moins,
dans cette disposition, sur la sensihilité de l’électro-dynamomètre.
On a donc un couple témoin toujours comparable à lui-même.
On envoie dans la bobine mobile un courant d’intensité constante, 1 milliampère en général. Dans la bobine fixe circule un courant
indépendant du premier et dirigé de façon que les bobines se repoussent. C’est sur ce courant qu’on agit pour commander les mou- vements de la balance de torsion.
On ne change jamais l’intensité du courant circulant dans la bo- bine mobile, parce que ce courant arrive par le fil de suspension qu’il importe de soumettre à des actions aussi constantes que pos-
sible.
,31 J.1fodi{ications aux sphères attirées G, G.
-Les sphères mobiles employées en 1905 étaient en bronze platiné et pesaient 1 kilogramme
chacune.
Je les ai remplacées par des sphères creuses en bronze. Chaque sphère est constituée par deux hémisphères se vissant l’un sur
l’autre. Vissés à fond, ils forment une enveloppe sphérique inté-
rieurement et extérieurement, au 1/20 de millimètre, les centres des
deux sphères étant concentriques avec la mème précision. L’épaisseur
de l’enveloppe est de 2 millimètres et demi. Les surfaces extérieures et intérieures sont platinées.
Le diamètre de la cavité intérieure est de 70 millimètres,. Chaque sphère peut contenir, à 160, 2444 grammes de mercure ou 180 grammes d’eau distillée.
Le poids de chaque enveloppe est de 422 grammes.
Ces sphères, dont la fabrication a été fort délicate, 111’ont permis
d’effectner de précieuses vérifications. On verra en effet qu’en opé-
rant avec du mercure, puis de l’eau à l’intérieur des sphères, leur
surface extérieure delneurant la même, j’ai pu acquérir la certitude
que les effets observés sont bien dus à la masse et non à quelque phénomène superficiel accessoire.
41 Fabrication des rubans d’acier. - Le fil de suspension LLI était,
pour les expériences de 1905, un ruban d’acier de d’épaisseur
et de largeur, obtenu par laminage de cordes à piano de
de diamètre.
Le laminage de ces fils présente de grandes difficultés, parce que
l’acier du fil est presque aussi dur que celui des cylindres du lamai-
noir ; par suite, le fil s’iiiertiste partiellement dans le cylindre.
288
Pour arriver à des épaisseurs de 0’~’~,06, on est obligé de recuire fortement l’acier entre les passes successives qu’on lui fait subir.
Mais ces recuits ont l’inconvénient de modifier beaucoup la téna-
cité du métal, et on constate que sa force portante diminue dans de
très fortes proportions.
Du reste, le même inconvénient existe, à un degré encore plus élevé, pour les fils de platine iridié et ceux d’argent. Ces métaux
ont, d’ailleurs, l’inconvénient d’être plus mous que l’acier et de
s’allonger considérablement au lanlinage, tandis que l’allongement
de l’acier est très faible. Je m’en suis donc tenu à l’acier.
Mais tout ce qu’on peut obtenir, si on lamine sans recuire, c’est
de descendre à 0~,09 ou omm,08 d’épaisseur. Et encore cette épais-
seur n’est pas constante; elle varie d’environ 1/8 sur des longueurs égales à la circonférence des cylindres du laminoir; en sorte qu’on a,
sur un morceau de 1 mètre de long, des épaisseurs successives variant périodiquement de 0,09 à 0,08 par exemple.
Si on part de fils d’acier de omm,2 de diamètre, on voit qu’on gagne peu, au point de vue du couple de torsion, en descendant seulement à 0--,09 d’épaisseur.
Il y a, de plus, un inconvénient assez grave. Les rubans obtenus
sans recuit conservent leur force portante, mais ils ne sont jamais plans. Ils constituent, en réalité, des hélices à pas très allongés,
par suite d’écrouissages irréguliers produits en différentes régions
des bords du ruban. Sous l’action des poids qu’ils supportent, ces rubans se détordent très lentement, et les effets de cette détorsion
s’ajoutent aux effets perturbateurs, déjà assez graves, de la torsion résiduelle.
Je suis arrivé à supprimer ces différents inconvénients de la façon
suivante :
On prend un morceau de ruban laminé sans recuit, de longueur
double de celle qu’on veut utiliser, et on attache les extrémités à deux pinces solides; puis, on soumet le ruban à une tension voisine
de la charge élastique maximum pendant vingt-quatre heures. On produit alors dans le fil, à l’aide d’une force électromotrice conve-
nable, un courant électrique juste suffisant pour le porter à envi-
ron 250-3000.
Dans ces conditions, les parties minces du fil s’échauffent plus et
deviennent bleues ; les parties épaisses s’échauffent moins et passent
seulement au jaune.
289 On a ainsi donné à la fois au ruban un recuit très modéré, et ins-
crit sur sa longueur ses variations d’épaisseur.
On tend alors le ruban sur une planche de bois dur bien poli et,
à l’aide de papier émeri fin, ou mieux d’une pierre dite « d’Arkan-
sas » mouillée de pétrole, on use les parties jaunes aussi régulière-
ment que possible. Au bout de quelques heures on redonne un recuit électrique, on laisse en suspension quelques heures, et on recom-
mence à user avec la pierre; on répète ces opérations jusqu’à ce que le recuit produise une couleur bleue sensiblement uniforme tout le
long du ruban. Il faut seulement de la patience. L’usure doit être faite à petits coups, aussi réguliers que possible.
J’ai pu ainsi, en partant de rubans dont l’épaisseur primitive était
de à obtenir des rubans de 0--,065 d’épaisseur, 0~,48
de large, parfaitement réguliers et presque complètement dénués de
torsion résiduelle.
Leur charge élastique maximum est voisine de 9 kilogrammes.
Dans les expériences, ils supportent 7 kilogrammes ; le fil cylindrique
de 0~,2~5, dont le laminage avait produit les rubans, avait pour
charge élastique ~0~~,~00. La perte est donc négligeable, si on tient compte de la diminution de section.
Quant à la suppression de la torsion résiduelle, je l’attribue à l’usure régulière et continu..e, qui constitue une sorte de repassage
prolongé.
J,l1ode operatoire.
-Le montage de l’appareil est, par ailleurs,
identique à celui de 1905.
Le mode opératoire consiste, après’ avoir fermé la double enve-
loppe et l’avoir remplie de liquide, à observer d’abord la position d’équilibre très stable que l’appareil ne tarde pas à prendre.
Cette position une fois connue, on envoie dans les cylindres fixes, supposés vides, le mercure qui doit produire l’attraction. Il est néces- saire de faire circuler ce mercure avec beaucoup de précautions.
Une circulation trop rapide amène par frottement et choc du liquide
contre les tubes et les parois, un échauffement de quelques dixièmes
de degré, suffisant pour provoquer des courants d’air au sein de la double enveloppe ; il en résulte des mouvements irréguliers de la
balance de torsion.
Du reste, malgré tout le soin que j’ai pu apporter au remplissage
des cylindres, il y a toujours un échauffement de 2 à 3 dixièmes de
degré. Les ditférents moyens que j’ai employés pour éviter cet
290
inconvénient, tels par exemple que de plonger les tubes d’amenée du mercure dans un bain liquide communiquant avec le liquide de
la double enveloppe, n’ont pu réussir à le supprimer entièrement.
Mais, en attendant un temps suffisant, trois à quatre heures en général, la balance de torsion prend une seconde position d’équilibre
bien stable. On lit alors la déviation prise par rapport à la première position d’équilibre.
Puis, on vide les cylindres. La balance retourne à sa première position ou à une position très voisine. S’il y a un petit écart, il est dû en général à des torsions résiduelles, et s’élimine dans les
moyennes.
A la vidange, le mercure est remplacé par de l’air à l’intérieur des
cylindres fixes. Celui-ci s’échauffe légèrement aussi ; mais sa capa- cité calorifique est si faible que les effets ne se font pas sentir sur la
balance, si bien que celle-ci prend de suite sa nouvelle position d’équilibre.
On fait ainsi plusieurs séries de remplissage de vidange pour
chaque position des sphères G, et cela au sein de l’air. On passe ensuite à une seconde valeur de la distance entre les sphères G et les cylindres K, en tournant le goniomètre 1 d’un angle de IOD égal à l’angle que font entre elles les facettes du miroir M. On fait à cette nouvelle distance une seconde série de mesures. On a opéré ainsi
, pour quatre facettes successives du miroir, par conséquent pour
quatre valeurs de la distance GK.
On remplit alors le fond de l’appareil d’eau distillée, ce liquide baignant les sphères et les cylindres et immergeant tout l’appareil jusqu’au niveau SS. On a déterminé dans l’eau les déviations obte-
nues par remplissage et vidange, pour les quatre distances succes- sives. Puis, on a de nouveau vidé l’eau distillée et refait les séries de ,détermination dans l’air.
L’appareil a été alors démonté, et on a installé deux cuves en
:zinc recouvert de vernis du Japon. Des tubes de verre, adaptés aux
tubes RTZ, permettaient de remplir ou de vider ces cuves. L’appa-
reil a été refermé, et on a répété toutes les séries précédentes, dans
l’air d’abord, puis les cuves pleines d’eau, puis dans l’air. Cette fois,
les sphères seules baignaient dans l’eau, les cylindres restant dans
l’air.
Dans toutes ces opérations, à cuves séparées ou à cuve unique, on
a étalonné une fois pour toutes l’électro-dynamométre témoin en
291 fonction d’une intensité de courant circulant dans les bobines, et
d’une torsion du fil du même ordre de grandeur que la torsion pro-
voquée par l’attraction newtonienne à mesurer.
Lorsqu’on passe de l’air à l’eau, on peut s’assurer ainsi que la sen- sibilité de l’appareil n’a pas varié, ce qui est tout à fait indispensable ;
dans le liquide, en effet, les sphères reçoivent une poussée qui dimi--
nue la tension du fil LL4, et on pourrait craindre une variation con-
sécutive du couple de torsion.
D’autre part, la balance est sensiblement apériodique dans l’eau,
et il faut pouvoir s’assurer qu’elle est demeurée cependant tout à
fait libre.
Enfin, chaque mesure de déviation est accompagnée, dans l’air,
d’une mesure de la période d’oscillation.
En troisième lieu, on a démonté de nouveau l’appareil; les sphères
,
mobiles ont été vidées de leur mercure, et remplies d’eau distillée.
On a supprimé les cuves. Enfin, on a vissé sous le fléau EE, et dans
le prolongement du fil LL ~ , un cylindre de plomb soigneusement
tourné et pesant à peu près la différence entre le poids du mercure
et celui de l’eau qui remplit les sphères mobiles, soit 4 536 grammes.
L’adjonction de ce cylindre m’a obligé de supprimer le fil de pla-
tine qui, plongeant dans une capsule pleine de mercure, assurait le retour du courant envoyé dans la bobine B par le fil de suspen- sion LL ~ , de sorte que, pour cette troisième série, je n’ai pas eu le contrôle électro-dynamométrique. Mais je ne crois pas qu’il ait été
bien nécessaire.
L’appareil a été alors refermé, et j’ai déterminé pour les quatre
distances les déviations et périodes dans l’air et les déviations dans l’eau.
Indépendamment de ces opérations, j’ai mesuré d’abord toutes
les distances géométriques de l’appareil, puis la distance 1B. du mi- roir M à l’éclielle et à la lunette d’observation.
De plus, en amenant les sphères juste au contact des cylindres, j’ai déterminé, par une lecture directe, la position correspondant à
ce contact. On conçoit que, connaissant la distance et les angles
que font entre elles les facettes du miroir, on peut en déduire les distances successives entre les surfaces des sphères G et des cylindres K, et les distances des centres de G aux axes des cylindres K.
L’appareil est réglé de façon que le contact ait lieu exactement à la
fois pour les deux sphères et les deux cylindres.
292
11 faut noter, en passant, que, pour les mesures, les lectures se
font à travers les deux glaces M, 3I’ et la couche d’eau qui les sépare.
Si ces glaces étaient rigoureusement parallèles entre elles, elles in-
troduiraient une correction, la même dans tous les cas, et qu’on pourrait déterminer une fois pour toutes en lisant le contact avant de mette les enveloppes G, G et après les avoir mises. Le calcul
indique que cette correction serait de l’ordre de 1 millimètre.
Malheureusement l’appareil n’est pas assez parfait pour qu’on puisse régler le parallélisme de l~l et 1B1/. Ces glaces font entre elles
un angle de vingt à quarante minutes d’arc, qui varie, du reste, d’un remontage à un autre. Dans ces conditions, les déviations lues sont entachées d’une erreur qui varie un peu suivant la région de l’échelle
d’observation réfléchie, et qu’il est indispensable de connaître exac-
tement. Tout ce que je puis affirmer, c’est que cette erreur n’excède pas 1j50e de la déviation lue.
Mais il en résulte que l’on ne peut pas, à l’aide de ces déviations,
calculer exactement la valeur de la constante newtonienne.
D’ailleurs, comme les mesures dans l’air et dans l’eau que l’on compare sont toujours obtenues sans démontage intermédiaire, cette
correction de réfraction n’invervient heureusement pas sur leur corn-
parabilité.
Il faudra évidemment modifier ce point de l’appareil pour les me- sures futures.
Constantes de
-Voici un tableau qui réunit la valeur
de toutes les constantes de l’appareil :
293
294
Le tableau de la page 293 résume les résultats obtenus au cours des différentes séries effectuées. Les nombres de ce tableau
sont affectés de poids p calculés d’après la formule :
dans laquelle 12 est le nombre de lectures dont ~ est la moyenne, et
e l’écart maximum entre cette moyenne et les membres qui la com- posent.
FiG. 2.
D’autre part, les déviations obtenues dans les séries à sphères pleines d’eau permettent de connaître la correction à faire subir aux
déviations ô dans l’air, à sphères pleines de mercure pour pouvoir
calculer la valeur du coefficient fi de Newton, à l’aide des constantes de l’appareil. Toutefois, pour les raisons que j’ai exposées plus haut, il y a des corrections de réfraction que l’on peut faire. J’ai ce-
pendant fait le calcul pour six séries.
Le calcul de l’attraction entre les sphères et les cylindres est fait à
l’aide d’une formule de quadrature mécanique que je dois à l’obli-
geance de M. Andoyer.
L’attraction exercée sur un point 0 de masse ~ par un cylindre plein, de révolution, homogène, de densité p, de rayon R, de hau-
teur 2h, le point étant placé dans la section médiane du cylindre, à
l’extérieur, à une di stance a de l’axe, a pour expression:
295
qui se ramène à :
En envisageant alors la fonction
et un nombre entier p , on fera :
et l’on aura :
avec d’autant plus d’approximation que p sera plus grand.
En faisant p = 6, on a déjà une approximation. très supérieure
au millième.
Pour chaque distance, il faut calculer à la fois l’attraction des deux cylindres sur une sphère ; les effets de ces deux attractions se
retranchent. Voici le tableau des valeurs obtenues. Les numéros
correspondent à ceux du tableau précédent.
On voit que les valeurs particulières, aussi bien que la moyenne,
se rapprochent assez du nombre de Boys (6,67 X 10-8) pour . qu’on puisse affirmer qu’aucune erreur systématique grave n’entache les mesures de comparaison. Les valeurs obtenues pour le rapport -z à z,
r
peuvent donc être considérées comme exemptes elles-mêmes de
graves erreurs.
296
Or on sait que, dans la théorie du potentiel newtonien et en vertu
du principe d’Archimède, si d est la densité des sphères mobiles, d’
celle du liquide qui les baigne, on devrait avoir :
Dans le cas des sphères pleines de mercure, d d d 1 = 0,919.
Dans le cas des sphères pleines 0,61.
’