C H . D UPIN
C ARNOT
Hydrostatique. De la stabilité des corps flottans; premier mémoire de la seconde partie des développemens de géométrie
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 5 (1814-1815), p. 173-182
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I73
HYDROSTATIQUE.
De la slabilité des corps flottans ;
Premier
mémoire
de laseconde partie
desdéveloppemens de géométrie ;
Par M. CH. DUPIN , correspondant de l’institut de France ,
associé étranger de celui de Naples, capitaine du génie maritime ,
etc.Rapport
sur cemémoire, fait à la première classe de
l’institut de France ,
Par M. CARNOT.
S T A B I L I T É D E S CORPS F L O T T A N S.
M. Sané,
M. Poinsot etmoi,
avons étécharges
parla
classe de lui rendrecompte
d’un rnérnoire sur la stabilité des corpsflottans ,
qui
lui futprésenté
le 10janvier dernier,
par M. CharlesDupin , capitaine
enprelnier
au corps dugénie maritime ,
et aux travauxduquel
la classe adéjà plusieurs
foisapplaudi.
Ce mémoire mêmea été
compose
par unjeune
officierqui
s’attendait àchaque
mo-ment à recevoir
des
ordres pour se rendre aux armées.Le mémoire de M.
Dupin
est lapremière application
des mé-thodes
exposées
par le même auteur d-anscinq
autres mémoiresde
géométrie , approuvés
par laclasse ,
etpubliés
ensuite sous leTom.
V ,
n.°VI, I.er décembre I8I4. 23
I74 STABILITÉ
titre de
Développemens
degéométrie,
pour faire suiteà la géo-
métrie
descriptive
et à lagéométrie analitique
de M.Monge.
En
voyant
cespremières recherches ,
notre illustreLagrange,
dont les
suffrages peuvent
êtreregardés
comme lesplus
beaux titres d’unjeune géomètre,
a fait d’elles cetéloge,
confirmé par lejugement
de laclasse. « L’auteur a trouvé le secret de dire des choses neuves et
»
intéressantes,
sur unsujet
que nouscroyons épuisé.
».Le nouveau
sujet
que M.Dupin
s’estproposé
detraiter ,
dansle mémoire dont nous avons à rendre
compte ,
estplus
difficileencore que celui des mémoires
précédens,
et semblaitpareillement épuisé.
Lathéorie
del’équilibre
des corps flottans sur un fluide2 fait
l’objet
des recherches desplus grands géomètres.
Archirnèdeest le
premier qui
s’en soitoccupé ;
et lelivre
oùil
traite cettematière,
si peu abordable de sontemps,
est, avecraison regarde
comme un des écrits
qui
font leplus
d’honneur à songénie.
EnRéemployant
que la méthodesynthétique
Archimède recherche les conditions del’équilibre
des corpssphériques , cylindriques
et para-boliques.
Il déterminedans’ quel
casl’cqu’ilibre
doit être stable etdans
quel
cas il nedoit
pasl’être. En admirant
la forced’esprit qu’exigeaient
cespremiers
résultats d’une science alors dans l’en-fance
, on nepeut s’empêcher
d’avouerqu’une
méthodequi doit,
à chaque
corps nouveau dont ons’occupe ,
recourir a de nouveauxmoyens de
solution ,
ne soit d’une étude et d’uneapplication
ex-trêmement
pénibles.
M.
Dupin
annonce que , dans un secondmémoire ,
ilreprendra
toutes les
questions
traitées ,parArchimède ,
pour les fairedériver,
comme autant de
corollaires ,
d’un seul et mêmeprincipe:
si cettepartie
estbien traitée ,
ce ne sera pas la moins intéressante deson travail.
Dix - neuf
siècles
sepassèrent
avantqu’on
revînt auxquestions
traitées par
Archimède ,
pour reculer de ce côté les bornes de la science.Deux géomètres l’entreprirent ,
pourainsi dire ,
enmême
temp.s.
I75
DES CORPS FLOTTANS.
Boùguer,
dans le voyage où ilfut ,
avecLacondamine ,
me-surer sous
l’équateur
un arc duméridien , employait
ses loisirs àcomposer le Traité du
navire ;
tandisqu’Euler ,
àPétersbourg,
écrivait son livre intitulé Scientia navalis. Dans ces deux ouvrages,
On voit la
question
del’équilibre
des corps flottans traitée sousun
point
de vuebeaucoup plus général
que ne l’avait faitArchi-
mode. La seule restriction
qu’on s’y permette
encore est de re-garder
les corps commesymétriques
parrapport
à unplan.
Telleest, en
effet,
la forme de nos vaisseaux de guerre ou de com-merce, ces
grands
corps flottans dontl’équilibre
et la stabilité sont d’une considération siirrrportantc.
Bouguer
serapprocha
de la méthode desanciens ;
ilprésenta
ses idées sous une forme
géométrique ;
il les rendit parla plus sensibles ;
et lesingénieurs
maritimes de toutes les nationsadop-
tèrent sa manière de déterminer la
stabilité
des corpsflottans.
Euler n abandonna pas sa méthodeaccoutumée ,
etparvint
au même butpar une analise
simple , élégante
et facile.M.
Dupin
suit une marche différente de cellequ’avaient adoptée
ces deux illustres
géomètres ;
ilemploie
unegéométrie qui n’était
pas connue de leur
temps
et cenouvel
instrument leconduit à
de nouveaux résultats.Au lieu de se tenir
toujours
infinimentprès
dechaque position d’équilibre ,
pour voir ainsi cequi
se passe autourd’elle ,
il con-sidère ,
a lafois ,
toutes lespositions qu’un
corpspeut prendre ,
en flottant sur un même
fluide, lorsque
ce corps est d’unpoids.
constant et d’une forme extérieure
invariable.
Pour que le corps flottant soit en
équilibre ,
ilfaut,
comme onsait,
que son centre degravité
soit sur la même verticale que lecentre de
volume
de sacarène ;
cette carène étant terminéeau
niveau du fluide par un
plan horizontal qu’on appelle
leplan de’
flottaison.
.
Mais .
lepoids
du corps étantsupposé
constant , le volume de la carène l’est aussi. Sidonc ,
par destranspositions dans l’intétieur ,
I76 S T A B I L I T É
on fait
prendre
au centre degravité
ducorps flottant
toutes lespositions possibles,
sans que lafigure
extérieure de ce corpschange
on va trouver , pour ces différens états d’un même corps , une infinité de
plans
de flottaisondifférens,
et une infinité de carènes différentes.Chacune
de ces carènes a son centre de volume en unpoint particulier. Voilà,
parconséquent ,
une infinité de centresde carène. Ils forment une surface : c’est la
Surface
des centresde
carène.
Tous lesplans
de flottaison sonttangens
à une autre surfacequi ,
parrapport
à cesplans,
est du genre de celles que M.Monge
a nommées
enveloppes :
c’est lasurface enveloppe
desflottaisons.
On
n’avait
pas encore eu l’idéed’envisager
ces deuxsurfaces ,
et c’est leur considération
qui
conduit M.Dupin ,
d’abord à desthéorèmes qui
renferment tous ceux que l’on connaitdéjà
surla
stabilité
des corpsflottans ,
et ensuite àbeaucoup
d’autresthéorèmes
nouveaux.
L’auteur observe
premièrement
que la définition de la surfacedes
centres de carène et celle del’enveloppe des
flottaisons étantpurement géométriques ,
la recherche despropriétés générale
de cessurfaces doit
appartenir uniquement
à la science de l’étendue. Ils’occupe
d’abord despropriétés
de lapremière
de cessurfaces ,
etla traite
d’après
lesprincipes qu’il
aexposés
dans sesDéveloppe-
mens
de géométrie :
voici les résultatsauxquels
ilparvient.
La surface
des
centres de carène est nécessairement d’une éten-due finie ;
elle est fermée -de toutesparts. Quelle
que soit la formeirrégulière
du corpsflottant,
la surface des centres de carène esttoujours continue (
en ce sens que sesplans tangens
se succèdentconstamment , par une
dégradation
insensible dans leursdirections
de manière a ne former ni
angles
ni arêtes sur lasurface).
Si l’on
place
le corps flottant dans uneposition d’équilibre y
lecentre de sa carène sera en un certain
point
de la surface lieu des centres, et leplan tangent
à la surface en cepoint
sera néces-sairement
parallèle
auplan
deflottaison ,
c’est-à-direhorizontal.
De là
résulte immédiatement
cette autrepropriété générale.
DansDES CORPS F L O T T A N S. I77
une
position d’équilibre quelconque ,
la droite menée par le centrede
gravité
du corps flottant et par le centre decarène,
est nor-male ,
en ce dernierpoint,
à la surface des centres de carène.Ainsi ,
dès leprincipe,
l’auteur ramène la recherche despositions d’équilibre
d’un corps flottant à la détermination des droites nor- males à la surface des centres decarène,
en ne prenant ,parmi
ces normales que celles
qui passent
par le centre degravité
du corps.Il ne
suffit
pas de déterminer uneposition d’équilibre ,
il fautrassurer de
plus
que cetteposition
est stable.On voit des corps flottans que l’on cherche vainement à
déranger
de leur
position primitive.
Dequelque
côtéqu’on
lesincline,
ilstendent
toujours à
se redresser. On envoit ,
au contrairequi,
dèsqu’on
lesdérange
un peu de leurpremière position ,
dequelque
côté
qu’on
lesincline ,
s’inclinent encoredavantage ,
et ne reviennentplus
à leurpremière
assiette. Enfin on en voit d’autresqui,
pen- chés d’un certaincôté ,
tendent à seredresser, tandis qu’en
lespenchant
dans une autredirection ,
ils s’écartentde plus
enplus
de
la position primitive.
Dans lepremier
cas, on dit quel’équilibre
est
stable ,
dans lesecond , qu’il
estabsolument instable ,
et dansle troisième que cet
équilibre
est mixte.Or ,
rien n’estplus
facile qued’assigner
les caractères de cesdifférens genres
d’équilibre,
en considérant la surface des centresde carène.
Lorsqu’on
inclinetrès-peu
le corpsflottant ,
onpeut concevoir qu’il
tourne autour d’un axe horizontal.Maintenant,
parle centre de la carène
qui correspond
à laposition d’équilibre
con-cevons un
plan perpendiculaire
à cet axe; ceplan
sera vertical etcoupera normalement en ce
point
la surface des centres de carène.Déterminons ,
pour ce mêmepoint ,
le centre de courbure de cettesection ;
il sera sur la même verticale que le centre degravité
ducorps flottant. Cela
posé,
i.° s’il estau-dessus , l’équilibre
est abso-lument
stable ;
2.° s’il estau-dessous , l’équilibre
est absolumentinstable ;
3.0 s’ils seconfondent l’équilibre
est mixte.Ainsi ,
ceI78 S T A B I L I T E
centre de
courbure joue ,
dans la théorie de M.Dupin,
lemême
rôle que le métacentre dans la théorie de
Bouguer.
De ces
principes
résulte ce théorème nouveau etremarquable :
suivant que la
position
d’un corpsflottant
est stable ou non sta-ble,
ladistance
du centre degravité
de ce corps au centre desa
carène
est un minimum ou unmaximum,
parrapport
à toutesles positions voisines
quepeut prendre
le corpsflottant.
En
appliquant
à la stabilité lespropriétés
de la courbure dessurfaces ,
l’auteur conclut d’abord que, si l’on inclinesuccessivement,
autour de tous les axes
possibles ,
un corps enéquilibre
sur unfluide , I.e
la direction de laplus gra.nde
stàbilité est celle où l’axeest
parallèle
à la direction de laplus grande
courbure de la sur-face des centres de
carène,
2.° la direction de la moindre stabilitéést celle où l’axe est
parallèle
à la direction de la moindre cour-bure de la même surface.
De là il suit immédiatement que les directions de
plus grande
et de moindre
stabilité
d’uncorps
flottantquelconque
se croisenttoujours angle
droit.Pour examiner les stabilités
comprises
entre ces deuxextrêmes,
M.
Dupin
se sert encore de la surface des centra decarène ;
ila recours à la courbe indicatrice et aux
tangentes conjuguées
decette surface.. On
peut voir,
dans lerapport
de M.Poisson ;
surles
troispremiers
mémoires de M.Dupin ,
la définition de cettecourbe
et de cestangentes ,
ainsi quel’exposition
de leursprin- cipales propriétés ,
faite avec autant de clarté que deprécision. (*)
Il nous suffit de dire que , si l’on coupe une surface par un
plan
infinimentvoisin
de sonplan tangent
etparallèle à
ceplan,
Ta section est une courbe du second
degré,
que M.Dupin appelle indicatrice ,
parcequ’elle indique
en effet la forme de lasurface,
à
partir
dupoint
où elle est touchée par leplan tangent
que l’on(*)
Consultez aussi la page 368 du4.me
volume de ce recueil-DES CORPS
FLOTTANS. I79
considère. Les diamètres
conjugués
de cette indicatricereprésentent
autant de
systèmes de tangentes conjuguées
de cette surface.Revenons à la surface des centres de carène. Elle a
partout
ses deux courburesdirigées
dans le même sens : son indicatrice est doncconstamment une
ellipse.
Les axes de cetteellipse
sontparallèles
aux ,directions de
plus grande
et de moindre stabilité du corps flottant.Les
degrés
de stabilité du corps flottant sontproportionnels
auxquarrés
des diamètres de1 indicatrice ;
ces diamètres étantdirigés
dans le sens de 1 inclinaison du corps flottant.
Or,
les diamètres d’uneellipse
sontdisposés symétriquement
decôté et d’autre des deux axes ; donc les stabilités intermédiaires
sont aussi
disposées symétriquement
de côté et d’autre des deuxdirections de
plus grande
et de moindrestabilité.
Si l’on
appelle, avec
M.Dupin,
stabilitésconj uguées ,
cellesqui appartiennent
à des inclinaisonsrépondant à
deuxdiamètres
con-jugués
del’indicatrice ,
on verraqu’elles jouissent
de cette pro-prieté générale :
pour une mêmeposition d’équilibre ,
la sommede deux stabilites
conjuguées
est nécessairement constante etégale
à la somme de b
plus grande
et de la moindre stabilités ducorps
bottant.Enfin M.
Dupin,
par le secours de la courbe indicatrice déter-mine,
dans les casd équilibre mixte ,
les limitesqui séparent
lesdirections où
l’équilibre
est stable d’avec celles où il ne l’est pas.Jusqu’ici,
l’auteursupposait
que la forme extérieure du corps flotta.nt dût rester constamment lamème;
il suppose ensuite quecette forme varie d’une manière
très-générale ;
fils’assujettit
seu-lement à laisser constantes les hauteurs des centres de
gravité
ducorps et de sa
carène,
ainsi que lafigure
de laflottaison.
Alorsil examine les transformations infinies que
peut éprouver
la sur-face des centres de
carène ;
il ramène ces transformations a celles dont il a fait l’examen dans sesDéveloppemens
degéométrie.
Il enconclut que les nouvelles surfaces des centrer de carène auront
I80
S T A B I L I T È
toutes un contact, au nioins du second
ordre,
avec la surfacepri- mitive ;
et parconséquent ,
que tous les nouveaux corps flottantauxquels
ces nouvelles surfacesappartiennent
ont la même stabilitéque le
premiers
corps flottant. C’est ainsi que M.Dupin
chercheà utiliser les
principes qu’il
aprésentés
dans sespremiers
mémoires.Telles sont les
principales propriétés
de la surface des centres decarène.
Après
les avoirdéveloppées,
l’auteur considèrespécialement
la surface
enveloppe
des flottaisons et l’aire dechaque
flottaison.Cette seconde surface est , comme la
première,
ferrnée de toutesparts ;
elleprésente
aussipartout
ses deux courburesdirigées
dansle même sens. Elles ont ensemble cette corrélation
singulière qu’elles
ne
peuvent jamais
se couper ; tantôt lapremière
embrassecomplè-
tement la
seconde ;
tantôt la seconde embrassecomplètement
lapremière.
D’après
sadéfinition , l’enveloppe
des flottaisons a pourplans
tangens
tous lesplans
de flottaison.Or,
lepoint
de contact del’enveloppe
et de cesplans
est le centre degravité
de l’aire dechaque flottaison (
cette aire étant terminée par lepérimètre
dacorps flottant
).
Ce théorèmerevient, quant
aufond ,
à celuiqu’on
doit à de
Lacroix ,
membre de l’ancienne académie dessciences ;
Euler enparle
dans lapréface
de son traite : Scientia navalis.M.
Dupin
fait voirgénéralement
que leplus grand
et leplus petit
rayon de courbure de la surface des centres sontégaux
auplus grand
ou auplus petit
moment d’inertie de l’aire de laflottaison ,
divisé par le volume de la carène.
De là il conclut immédiatement
que la
direction de laplus grande
ou de la moindre stabilité du corps flottant est
parallèle
à l’axedu
plus grand
ou duplus petit
moment d’inertie de l’aire de laflottaison
théorème connu.Par une
correspondance
biensingulière,
la courbure de la surface de,centres de carène
dépend
doncspécialement
de iafigure
de la flot-taison ;
mais la courbure de la surfaceenveloppe
des flottaisonsdépend
dequantités plus compliquées. Cependant
, il est intéressantde
DES CORPS FLOTTANS. I8I
connaître les élémens de cette
courbure ;
ilsindiquent
dansquelles
directions les stabilités
primitives
croissent ou décroissent par lesdegrés
lesplus
lents ou lesplus rapides,
etpeuvent
montrer lesétats
prochains
de stabilité d’un corps flottantdérangé
de sa po- sitiond’équilibre.
Cette recherche nepeut
être que d’ungrand
intérêtpour la théorie de la construction des vaisseaux.
Voici ,
à cesujet .,
les résultatsauxquels
l’auteurparvient
ilss’offrent sous une forme
singulière.
Si l’on
charge
le contour de la flottaison par despoids
propor- tionnels à latangente
del’angle
formé par la verticale et laparoi
du corps
flottant ,
les axesprincipaux
duplus grand
et duplus petit
moment d’inertie de cetteligne
pesante serontrespectivement parallèles
aux directions deplus grande
et de moindre courbure del’enveloppe
des flottaisons..Et si
ton
divise par lasuperficie
de la flottaison deux fois ceplus grand
ou ceplus petit
momentd’inertie,
lequotient
sera le rayon de moindre ou deplus grande
courbure de la surface des flottaisons.Après
s’êtreoccupé
de tout cequi peut
caractériser une po- sitiond’equilibre ,
considéréeisolément ,
M.Dupin considère ,
à lafois ,
toutes lespositions d’équilibre
quepeut prendre
un corps flot-tant dont la forme est
Invariable ,
ainsi que sonpoids
et la po- sition de son centre degravités
Cette
partie
de sontravail , quoiqu’elle
neparaisse
pas devoir étïe aussi féconde que lapremière
enconséquences utiles semble peut-être plus originale ,
et par lagénéralité
desrésultats
et par lasimplicité
des moyens de solution.D’après
la théorieprécédemment exposée la
recherche de toutesles
positions d’équilibre
du corps flottant estramenée a
celle de toutesles droites que l’on
peut ,
du centre degravité
de ce corps , mener normalement à la surface des centres de carène.L’auteur prouve d’abord que tout corps
solide ,
flottant sur unfluide, présente
au moinsdeux positions d’équilibre ;
l’une dont la stabilité estabsolue ; l’autre
dont l’instabilité estpareillement
ab-Tom. V. 24
I82
STABILITÉ DES CORPS FLOTTANS.
solue ; principe qui gavait
pas encore été démontré directement.Ensuite
cegéomètre
fait voir que le nombre despositions
d’é-quilibre
d’un corps flottant estgénéralement pair ;
et il prouve que le nombre despositions d’équilibre
dupremier
genre esttoujours égal
au nombre despositions
du second genre.Et si l’on fait tourner la surface des centres de carène autour
d’un axe
quelconque
mené par le centre degravité
du corps flot-tant, puisqu’on
determine la surface de révolutionenveloppe
de l’es-pace parcouru par cette
surface ;
en sedirigeant
ensuite sur la courbede contact de
l’enveloppe
et del’enveloppée ,
on rencontrera suc-cessivement tous les centres de carène
qui appartiennent
aux po- sitionsd’équilibre
, et ces centresappartiendront alternativement
àdes
positions stable, instable, s’able, instable,
etc.S’il y a des
positions d’équilibre rnixtes,
il faudraregarder
cha-cune d’elles comme la réunion de deux
positions d’équilibre ,
l’unestable et l’autre
instable ;
et l’on trouveratoujours,
en marchantsur la courbe de contact dont nous venons de
parler,
que les centres de carènequi correspondent
à despositions d’équilibre, appartiennent
alternativement il des
positions d’équilibre
stable et instable.Ce nouvel ouvrage de M.
Dupin
confirme lesespérances
que cejeune
savant a données par sespremiers
travaux ; et l"on nepeut
qu’applaudir à
ses ef’orts constans pour endiriger
les résultats vers lapratique
dugrand
artauquel
il s’est voué. Nous pensons que le mémoire de M.Dupin
méritel’approbation
de laclasse ,
et nouslui proposons de le faire
comprendre
dans la collection des savansétrangers.
Signé Sané,
Poinsot etCarnot, rapporteur.
Le Secrétaire
perpétuel
pour les sciencesmathématiques
certifieque ce
rapport
est extrait duprocès-verbal
de la séance du mardi 3oaoût