DIX-HUITIÈME LEÇON.

SOMMAIRE. Considérations sur les théorèmes généraux de mécanique

rationnelle.

Le but et l'esprit de cet ouvrage, aussi bien que son étendue naturelle,

nous interdisent nécessairement ici tout développement spécial relatif à

l'application des équations fondamentales de l'équilibre et du

mouvement, à la solution effective d'aucun problème mécanique

particulier. Néanmoins, on ne se formerait qu'une idée incomplète du

caractère philosophique de la mécanique rationnelle envisagée dans son

ensemble, si, après avoir convenablement étudié la méthode, on ne

considérait enfin les grands résultats théoriques de la science,

c'est-à-dire les principales propriétés générales de l'équilibre et du

mouvement découvertes jusqu'ici par les géomètres, et qui nous restent

maintenant à examiner. Ces diverses propriétés ont été conçues dans

l'origine comme autant de véritables _principes_, dont chacun était

destiné primitivement à procurer la solution d'un certain ordre de

nouveaux problèmes mécaniques, supérieurs aux méthodes connues

jusqu'alors. Mais, depuis que l'ensemble de la mécanique rationnelle a

pris son caractère systématique définitif, chacun de ces anciens

_principes_ a été ramené à n'être plus qu'un simple _théorème_ plus ou

moins général, résultat nécessaire des théories fondamentales de la

statique et de la dynamique abstraites: c'est seulement sous ce point de

vue philosophique que nous devons les envisager ici. Commençons par ceux

qui se rapportent à la statique.

Le théorème le plus remarquable qui ait été déduit jusqu'à présent des

équations générales de l'équilibre est la célèbre propriété,

primitivement découverte par Torricelli, relativement à l'équilibre des

corps pesans. Elle consiste proprement en ce que, quand un système

quelconque de corps pesans est dans sa situation d'équilibre, son centre

de gravité est nécessairement placé au point le plus bas ou le plus haut

possible, comparativement à toutes les positions qu'il pourrait prendre

d'après toute autre situation du système. Torricelli à d'abord présenté

cette propriété comme immédiatement vérifiée par les conditions

d'équilibre connues de tous les systèmes de poids considérés

jusqu'alors. Mais les considérations générales d'après lesquelles il a

tenté ensuite de la démontrer directement sont réellement peu

satisfaisantes, et offrent un exemple sensible de la nécessité de se

défier, dans les sciences mathématiques, de toute idée dont le caractère

n'est point parfaitement précis, quelque plausible qu'elle puisse

d'ailleurs paraître. En effet le raisonnement de Torricelli consiste

essentiellement à remarquer que la tendance naturelle du poids étant de

descendre, il y aura nécessairement équilibre si le centre de gravité se

trouve placé le plus bas possible. L'insuffisance de cette considération

est évidente, puisqu'elle n'explique point pourquoi il y a également

équilibre quand le centre de gravité est placé le plus haut possible, et

qu'elle tendrait même à démontrer que ce second cas d'équilibre ne peut

exister, tandis que, sous le point de vue théorique, il est aussi réel

que le premier, quoique, par le défaut de stabilité, on ait rarement

occasion de l'observer dans la pratique. Ainsi, pour choisir un exemple

très-simple, la loi d'équilibre d'un pendule exige que le centre de

gravité du poids soit placé sur la verticale menée par le point de

suspension, ce qui offre une vérification palpable du théorème de

Torricelli; mais, quand on fait abstraction de la stabilité, il est

évident que ce centre de gravité peut d'ailleurs être indifféremment

au-dessus ou au-dessous du point de suspension, l'équilibre ayant

également lieu dans les deux cas.

La véritable démonstration générale du théorème de Torricelli consiste à

le déduire du principe fondamental des vitesses virtuelles, qui le

fournit immédiatement avec la plus grande facilité. Il suffit, en effet,

pour cela, d'appliquer directement ce principe à l'équilibre d'un

système quelconque de corps pesans, à l'égard duquel il donne aussitôt

l'équation /[/int Pdz = 0,/] où P désigne un quelconque des poids, et z

la hauteur verticale de son centre de gravité. Or, d'après la définition

générale du centre de gravité de tout système de poids, on a évidemment

en nommant P. le poids total du système, et z, l'ordonnée verticale de

son centre de gravité, la relation /[/int Pdz = P_1dz_1./] Ainsi

l'équation des vitesses virtuelles devient, dans ce cas, dz_1 = 0; ce

qui, conformément à la théorie analytique générale des _maxima_ et

_minima_, démontre immédiatement que la hauteur verticale du centre de

gravité du système est alors un _maximum_ ou un _minimum_, comme

l'indique le théorème de Torricelli.

Cette importante propriété, indépendamment du grand intérêt qu'elle

présente sous le point de vue physique, peut même être avantageusement

employée pour faciliter la solution générale de plusieurs problèmes

essentiels de statique rationnelle, relativement aux corps pesans.

Ainsi, par exemple, elle suffit à l'entière résolution de la célèbre

question de la _chaînette_, c'est-à-dire de la figure que prend une

chaîne pesante suspendue à deux points fixes, et ensuite librement

abandonnée à la seule influence de la gravité, en la supposant

parfaitement flexible, et de plus inextensible. En effet, le théorème de

Torricelli indiquant alors que le centre de gravité doit être placé le

plus bas possible, le problème appartient immédiatement à la théorie

générale des isopérimètres, indiquée dans la huitième leçon, puisqu'il

se réduit à déterminer, parmi toutes les courbes de même contour tracées

entre les deux points fixes donnés, quelle est celle qui jouit de cette

propriété caractéristique, que la hauteur verticale de son centre de

gravité totale soit un _minimum_, condition qui suffit pour déterminer

complétement, à l'aide du calcul des variations, l'équation

différentielle, et ensuite l'équation finie de la courbe cherchée. Il

en est de même dans quelques autres questions intéressantes relatives à

l'équilibre des poids.

Le théorème de Torricelli a éprouvé plus tard une importante

généralisation par les travaux de Maupertuis, qui, sous le nom de _loi

du repos_, a découvert une propriété très-étendue de l'équilibre, dont

celle ci-dessus considérée n'est plus qu'un simple cas particulier.

C'est seulement à la pesanteur terrestre, ou à la gravité proprement

dite, que s'applique la loi trouvée par Torricelli. Celle de Maupertuis

s'étend, au contraire, à toutes les forces attractives qui peuvent faire

tendre les corps d'un système quelconque vers des centres fixes, ou les

uns vers les autres, suivant une fonction quelconque de la distance,

indépendante de la direction, ce qui comprend toutes les grandes forces

naturelles. On sait que, dans ce cas, l'expression P/delta p+P'/delta

p'+ etc., qui forme le premier membre de l'équation générale des

vitesses virtuelles, se trouve nécessairement être toujours une

différentielle exacte. Par conséquent, le principe des vitesses

virtuelles consiste alors proprement en ce que la variation de son

intégrale est nulle, ce qui indique évidemment, d'après la théorie

fondamentale des _maxima_ et _minima_, que cette intégrale /int P/delta

p est constamment, dans le cas d'équilibre, un _maximum_ ou un

_minimum_. C'est en cela que consiste la loi de Maupertuis, considérée

sous le point de vue le plus général, et déduite ainsi directement avec

une extrême simplicité du principe fondamental des vitesses virtuelles,

qui doit nécessairement renfermer implicitement toutes les propriétés

auxquelles peut donner lieu la théorie de l'équilibre. Le théorème de

Maupertuis a été présenté par Lagrange sous un aspect plus concret et

plus remarquable, en le rattachant à la notion des _forces vives_, dont

nous nous occuperons plus bas. Lagrange, considérant que l'intégrale

/int P/delta p envisagée par Maupertuis est nécessairement toujours,

d'après la théorie analytique générale du mouvement, le complément de la

somme des forces vives du système à une certaine constante, en a conclu

que cette somme de forces vives est un _minimum_ lorsque l'intégrale

précédente est un _maximum_, et réciproquement. D'après cela, le

théorème de Maupertuis peut être envisagé plus simplement comme

consistant en ce que la situation d'équilibre d'un système quelconque

est constamment celle dans laquelle la somme des forces vives se trouve

être un _maximum_ ou un _minimum_. Il est évident que, dans le cas

particulier de la pesanteur terrestre, cette loi coïncide exactement

avec celle de Torricelli, la force vive étant alors égale, comme on

sait, au produit du poids par la hauteur verticale du centre de

gravité, laquelle doit donc devenir nécessairement un _maximum_ ou un

_minimum_, s'il y a équilibre.

Une autre propriété générale très-remarquable de l'équilibre, qui peut

être regardée comme le complément indispensable du théorème de

Torricelli et de Maupertuis, consiste dans la distinction fondamentale

des cas de _stabilité_ ou d'_instabilité_ de l'équilibre. On sait que

l'équilibre peut être _stable_ ou _instable_, c'est-à-dire que le corps,

infiniment peu écarté de sa situation d'équilibre, peut tendre à y

revenir, et y retourne en effet après un certain nombre d'oscillations

bientôt anéanties par la résistance du milieu, les frottemens, etc., ou

bien qu'il tend, au contraire, à s'en éloigner de plus en plus, pour ne

s'arrêter que dans une nouvelle position d'équilibre stable. Ce que nous

appelons physiquement l'état de _repos_ d'un corps n'est réellement

autre chose que l'_équilibre stable_, car le _repos_ abstrait, tel que

les géomètres le conçoivent, lorsqu'ils supposent un corps qui ne serait

sollicité par aucune force, ne saurait évidemment exister dans la

nature, où il ne peut y avoir que des équilibres plus ou moins durables.

L'équilibre _instable_, au contraire, constitue effectivement ce que le

vulgaire appelle proprement _équilibre_, qui désigne toujours un état

plus ou moins passager et artificiel. La propriété générale que nous

considérons maintenant, et dont la démonstration complète est due à

Lagrange, consiste en ce que, dans un système quelconque, l'équilibre

est _stable_ ou _instable_, suivant que l'intégrale envisagée par

Maupertuis, et qui a été indiquée, ci-dessus, se trouve être un

_minimum_ ou un _maximum_; ou, ce qui revient au même, comme nous

l'avons dit, suivant que la somme des forces vives est un _maximum_ ou

un _minimum_. Ce beau théorème de mécanique, appliqué au cas le plus

simple et le plus remarquable, à celui de l'équilibre des corps pesans

considéré par Torricelli, apprend alors que le système est dans un état

d'équilibre stable, quand le centre de gravité est placé le plus bas

possible, et dans un état d'équilibre instable quand, au contraire, le

centre de gravité est placé le plus haut possible, ce qu'il est aisé de

vérifier directement pour les systèmes les moins compliqués. Ainsi, par

exemple, l'équilibre d'un pendule est évidemment stable, quand le centre

de gravité du poids se trouve être situé au dessus du point de

suspension, et instable quand il est au dessous. De même, un ellipsoïde

de révolution, posé sur un plan horizontal, est en équilibre stable

quand il repose sur le sommet de son petit axe, et en équilibre instable

quand c'est sur le sommet de son grand axe. La seule observation aurait

suffi sans doute pour distinguer les deux états dans des cas aussi

simples. Mais la théorie la plus profonde a été nécessaire pour dévoiler

aux géomètres que cette distinction fondamentale était également

applicable aux systèmes les plus composés, en montrant que lorsque

l'intégrale relative à la somme des momens virtuels est un _minimum_, le

système ne peut faire autour de sa situation d'équilibre que des

oscillations très-petites et dont l'étendue est déterminée, tandis que,

si cette intégrale est, au contraire, un _maximum_, ces oscillations

peuvent acquérir et acquièrent en effet une étendue finie et quelconque.

Il est d'ailleurs inutile d'avertir que, par leur nature, ces

propriétés, ainsi que les précédentes, ont lieu dans les fluides tout

aussi bien que dans les solides, ce qui est également le caractère de

toutes les propriétés mécaniques générales à l'examen desquelles nous

avons destiné cette leçon.

Considérons maintenant les théorèmes généraux de mécanique relatifs au

mouvement.

Depuis que ces propriétés ont cessé d'être envisagées comme autant de

_principes_, et qu'on n'y a vu que des simples résultats nécessaires des

théories dynamiques fondamentales, la manière la plus directe et la plus

convenable de les établir consiste à les présenter, ainsi que l'a fait

Lagrange, comme des conséquences immédiates de l'équation générale de

la dynamique, déduite de la combinaison du principe d'Alembert avec le

principe des vitesses virtuelles, telle que nous l'avons exposée dans la

leçon précédente. On doit mettre au nombre des avantages les plus

sensibles de cette méthode, comme Lagrange l'a justement remarqué, cette

facilité qu'elle offre pour la démonstration de ces grands théorèmes de

dynamique dans leur plus grande généralité, démonstration à laquelle on

ne pouvait autrement parvenir que par des considérations indirectes et

fort compliquées. Néanmoins la nature de ce cours nous interdit

d'indiquer spécialement ici chacune de ces démonstrations, et nous

devons nous borner à considérer seulement les divers résultats.

Le premier théorème général de dynamique est celui que Newton a

découvert relativement au mouvement du centre de gravité d'un système

quelconque, et qui est habituellement connu sous le nom de _principe de

la conservation du mouvement du centre de gravité_. Newton a reconnu le

premier et démontré par des considérations extrêmement simples, au

commencement de son grand traité des _principes mathématiques de la

philosophie naturelle_, que l'action mutuelle des corps d'un système les

uns sur les autres, soit par attraction, soit par impulsion, en un mot

d'une manière quelconque, en ayant convenablement égard à l'égalité

constante et nécessaire entre la réaction et l'action, ne peut nullement

altérer l'état du centre de gravité, en sorte que, s'il n'y a pas

d'autres forces accélératrices que ces actions réciproques, et si les

forces extérieures du système se réduisent seulement à des forces

instantanées, le centre de gravité restera toujours immobile ou se

mouvera uniformément en ligne droite. D'Alembert a, depuis, généralisé

cette propriété, et prouvé que, quelqu'altération que puisse introduire

l'action mutuelle des corps du système dans le mouvement de chacun

d'eux, le centre de gravité n'en est jamais affecté, et que son

mouvement a constamment lieu comme si toutes les forces du système y

étaient directement appliquées parallèlement à leur direction, quelles

que soient les forces extérieures de ce système, et en supposant

seulement qu'il ne présente aucun point fixe. C'est ce qu'il est aisé de

démontrer, en développant, dans la formule générale de la dynamique, les

équations relatives au mouvement de translation, qui, par la propriété

analytique fondamentale du centre de gravité, se trouvent coïncider avec

celles qu'aurait fourni le mouvement isolé de ce centre si la masse

totale du système y eût été supposée condensée, et qu'on l'eût conçue

animée de toutes les forces extérieures du système. Le principal

avantage de ce beau théorème est de pouvoir ainsi, en ce qui concerne le

mouvement du centre de gravité, faire rentrer le cas d'un corps ou d'un

système quelconque dans celui d'une molécule unique. Comme le mouvement

de translation d'un système doit être estimé par le mouvement de son

centre de gravité, on parvient donc de cette manière à réduire la

seconde partie de la dynamique à la première pour tout ce qui se

rapporte aux mouvemens de translation, d'où résulte, ainsi qu'il est

aisé de le sentir, une importante simplification dans la solution de

tout problème dynamique particulier, puisqu'on peut alors négliger, dans

cette partie de la recherche, les effets de l'action mutuelle de tous

les corps proposés, dont la détermination constitue ordinairement la

principale difficulté de chaque question.

On ne se fait pas communément une assez juste idée de l'entière

généralité théorique des grands résultats de la mécanique rationnelle,

qui sont nécessairement applicables, par eux-mêmes, à tous les ordres de

phénomènes naturels, puisque nous avons reconnu que les lois

fondamentales sur lesquelles repose tout l'édifice systématique de la

science ne souffrent d'exception dans aucune classe quelconque de

phénomènes, et constituent les faits les plus généraux de l'univers

réel, quoiqu'on paraisse ordinairement, dans ce genre de conceptions,

avoir seulement en vue le monde inorganique. Aussi est-il à propos, ce

me semble, de faire remarquer formellement ici, au sujet de cette

première propriété générale du mouvement, que le théorème a également

lieu dans les corps vivans comme dans les corps inanimés. Quelle que

puisse être, en effet, la nature des phénomènes qui caractérisent les

corps vivans, ils ne sauraient consister tout au plus qu'en certaines

actions particulières des molécules les unes sur les autres, qui ne

s'observeraient point dans les corps bruts, sans qu'on doive douter

d'ailleurs que la réaction y soit toujours, aussi bien qu'en tout autre

cas, égale au contraire à l'action. Ainsi, par la nature même du

théorème que nous venons de considérer, il doit nécessairement se

vérifier aussi bien pour les corps vivans que pour les corps bruts,

puisque le mouvement du centre de gravité est indépendant de ces actions

intérieures mutuelles. Il en résulte, par exemple, qu'un corps vivant,

quel que soit le jeu interne de ses organes, ne saurait de lui-même

déplacer son centre de gravité, quoiqu'il puisse faire exécuter à

quelques-uns de ses points certains mouvemens partiels autour de ce

centre. Ne vérifie-t-on pas clairement, en effet, que la locomotion

totale d'un corps vivant serait entièrement impossible sans le secours

extérieur que lui fournit la résistance et le frottement du sol sur

lequel il se meut, ou du fluide qui le contient? On peut faire des

remarques exactement analogues, relativement à toutes les autres

propriétés dynamiques générales qui nous restent à considérer, et pour

chacune desquelles je me dispenserai, par conséquent, d'indiquer

spécialement son applicabilité nécessaire aux corps vivans aussi bien

qu'aux corps inertes.

Le second théorème général de dynamique consiste dans le célèbre et

important _principe des aires_, dont la première idée est due à Képler,

qui découvrit et démontra fort simplement cette propriété pour le cas du

mouvement d'une molécule unique, ou en d'autres termes, d'un corps dont

tous les points se meuvent identiquement. Képler établit, par les

considérations les plus élémentaires, que si la force accélératrice

totale dont une molécule est animée tend constamment vers un point fixe,

le rayon vecteur du mobile décrit autour de ce point des aires égales en

temps égaux, de telle sorte que l'aire décrite au bout d'un temps

quelconque croît proportionnellement à ce temps. Il fit voir en outre

que, réciproquement, si une semblable relation a été vérifiée dans le

mouvement d'un corps par rapport à un certain point, c'est une preuve

suffisante de l'action sur ce corps d'une force dirigée sans cesse vers

ce point. Cette belle propriété se déduit d'ailleurs très-aisément des

équations générales du mouvement curviligne d'une molécule, exposées

dans la leçon précédente, en plaçant l'origine des coordonnées au centre

des forces, et considérant l'expression de l'aire décrite sur l'un

quelconque des plans coordonnés par la projection correspondante du

rayon vecteur du mobile. Cette découverte de Képler est d'autant plus

remarquable qu'elle a eu lieu avant que la dynamique eût été réellement

créée par Galilée. Nous aurons occasion de remarquer, dans la partie

astronomique de ce cours, que Képler ayant reconnu que les rayons

vecteurs des planètes décrivent autour du soleil des aires

proportionnelles aux temps, ce qui constitue la première de ses trois

grandes lois astronomiques, en conclut ainsi que les planètes sont

continuellement animées d'une tendance vers le soleil, dont il était

réservé à Newton de découvrir la loi.

Mais, quelle que soit l'importance de ce premier théorème des aires, qui

est ainsi une des bases essentielles de la mécanique céleste, on ne doit

plus y voir aujourd'hui que le cas particulier le plus simple du grand

théorème général des aires, découvert presque simultanément et sous des

formes différentes par d'Arcy, par Daniel Bernouilli et par Euler, vers

le milieu du siècle dernier. La découverte de Képler n'était relative

qu'au mouvement d'un point: celle de d'Arcy se rapporte au mouvement de

tout système quelconque de corps agissant les uns sur les autres d'une

manière quelconque, ce qui constitue un cas, non-seulement plus

compliqué, mais même essentiellement différent, à cause de ces actions

mutuelles. Le théorème consiste alors en ce que, par suite de ces

influences réciproques, l'aire que décrira séparément le rayon vecteur

de chaque molécule du système à chaque instant autour d'un point

quelconque pourra bien être altérée, mais que la somme algébrique des

aires ainsi décrites par les projections sur un plan quelconque des

rayons vecteurs de toutes les molécules, en donnant à chacune de ces

aires le signe convenable d'après la règle ordinaire, ne souffrira aucun

changement, en sorte que, s'il n'y à pas d'autres forces accélératrices

dans le système que ces actions mutuelles, cette somme des aires

décrites demeurera invariable en un temps donné, et croîtra par

conséquent proportionnellement au temps. Quand le système ne présente

aucun point fixe, cette propriété remarquable a lieu relativement à un

point quelconque de l'espace; tandis qu'elle se vérifie seulement en

prenant le point fixe pour centre des aires, si le système en offre un.

Enfin, lorsque les corps du système sont animés de forces accélératrices

extérieures, si ces forces tendent constamment vers un même point, le

théorème des aires subsiste encore, mais uniquement à l'égard de ce

point. Cette dernière partie de la proposition générale fournit

évidemment comme cas particulier, le théorème de Képler, en supposant

que le système se réduise à une seule molécule.

Dans l'application de ce théorème, on remplace ordinairement la somme

des aires correspondantes à toutes les molécules du système par la somme

équivalente des produits de la masse de chaque corps par l'aire qui s'y

rapporte, ce qui dispense de partager le système en molécules de même

masse.

Telle est la forme sous laquelle le théorème général des aires a été

découvert par d'Arcy; c'est celle qu'on emploie habituellement. Comme

l'aire décrite par le rayon vecteur de chaque corps dans un instant

infiniment petit, est évidemment proportionnelle au produit de la

vitesse de ce corps par sa distance au point fixe que l'on considère, on

peut substituer à la somme des aires la somme des _momens_ par rapport à

ce point de toutes les forces du système projetées sur un même plan

quelconque. Sous ce point de vue, le théorème des aires présente,

suivant la remarque de Laplace, une propriété générale du mouvement

analogue à une de celles de l'équilibre, puisqu'il consiste alors en ce

que cette somme des momens, nulle dans le cas de l'équilibre, est

constante dans le cas du mouvement. C'est ainsi que ce théorème a été

trouvé par Euler et par Daniel Bernouilli.

Quelle que soit l'interprétation concrète qu'on juge convenable de lui

donner, il est une simple conséquence analytique directe de la formule

générale de la dynamique. Il suffit, pour l'en déduire, de développer

cette formule en formant les équations qui se rapportent au mouvement de

rotation, et dans lesquelles on apercevra immédiatement l'expression

analytique du théorème des aires ou des momens, en ayant égard aux

conditions ci-dessus indiquées. Sous le rapport analytique, on peut dire

que l'utilité de ce théorème consiste essentiellement à fournir dans

tous les cas trois intégrales premières des équations générales du

mouvement qui sont par elles-mêmes du second ordre, ce qui tend à

faciliter singulièrement la solution définitive de chaque problème

dynamique particulier.

Le théorème des aires suffit pour déterminer, dans le mouvement général

d'un système quelconque, tout ce qui se rapporte aux mouvemens de

rotation, comme le théorème du centre de gravité détermine tout ce qui

est relatif aux mouvemens de translation. Ainsi, par la seule

combinaison de ces deux propriétés générales, on pourrait procéder à

l'étude complète du mouvement d'un système quelconque de corps, soit

quant à la translation, soit quant à la rotation.

Je ne dois pas négliger de signaler sommairement ici, au sujet du

théorème des aires, la clarté inespérée et la simplicité admirable que

M. Poinsot y a introduites en y appliquant sa conception fondamentale

relative aux mouvemens de rotation, que nous avons considérée sous le

point de vue statique dans la seizième leçon. En substituant aux aires,

ou aux momens considérés jusqu'alors par les géomètres, les couples

qu'engendrent les forces proposées, M. Poinsot a fait éprouver à cette

théorie un perfectionnement philosophique très-important, qui ne me

paraît pas encore avoir été suffisamment senti. Il a donné ainsi une

valeur concrète, un sens dynamique propre et direct, à ce qui n'était

auparavant qu'un simple énoncé géométrique d'une partie des équations

fondamentales du mouvement. Une aussi heureuse transformation générale

est destinée, sans doute, à accroître nécessairement les ressources de

l'esprit humain pour l'élaboration des idées dynamiques, en tout ce qui

concerne la théorie des mouvemens de rotation. On peut voir dans le

beau mémoire de M. Poinsot sur les propriétés des momens et des aires,

qui se trouve annexé à sa _Statique_, avec quelle facilité il est

parvenu, d'après cette lumineuse conception, non-seulement à rendre

élémentaire une théorie jusqu'alors fondée sur la plus haute analyse,

mais à découvrir à cet égard de nouvelles propriétés générales

très-remarquables, que nous ne devons point considérer ici, et qu'il eût

été difficile d'obtenir par les méthodes antérieures.

Le théorème des aires a été, pour l'illustre Laplace, l'origine de la

découverte d'une autre propriété dynamique très-remarquable, celle de ce

qu'il a nommé le _plan invariable_, dont la considération est surtout si

importante dans la mécanique céleste. La somme des aires projetées par

tous les corps du système sur un plan quelconque étant constante en un

temps donné, Laplace a cherché la direction du plan à l'égard duquel

cette somme se trouvait être la plus grande possible. Or, d'après la

manière dont ce plan de la plus grande aire ou du plus grand moment est

déterminé, Laplace a démontré que sa direction est nécessairement

indépendante de la réaction mutuelle des différentes parties du système,

en sorte que, par sa nature, ce plan doit rester continuellement

invariable, quelles que puissent jamais être les altérations introduites

dans la situation de ces corps par leurs influences réciproques, pourvu

qu'il ne survienne aucune nouvelle force extérieure. On conçoit aisément

de quelle importance doit être, comme nous l'expliquerons spécialement

dans la seconde partie de ce cours, la détermination d'un tel plan

relativement à notre système solaire, puisque, en y rapportant tous nos

mouvemens célestes, il nous procure l'inappréciable avantage d'avoir un

terme de comparaison nécessairement fixe, à travers tous les dérangemens

que l'action mutuelle de nos planètes pourra faire subir dans la suite

des temps à leurs distances, à leurs révolutions et même aux plans de

leurs orbites, ce qui est une première condition évidemment

indispensable pour que nous puissions exactement connaître en quoi

consistent ces altérations. Malheureusement nous aurons occasion de

remarquer que l'incertitude où nous sommes jusqu'ici relativement à la

valeur exacte de plusieurs données essentielles, ne nous permet pas

encore de déterminer avec toute la précision suffisante la situation de

ce plan. Mais cette difficulté d'application n'affecte en aucune manière

le caractère de ce beau théorème, considéré sous le point de vue de la

mécanique rationnelle, le seul que nous devions adopter ici.

La théorie du plan invariable a été notablement perfectionnée dans ces

derniers temps par M. Poinsot, qui a dû naturellement y transporter sa

conception propre relativement à la théorie générale des aires ou des

momens. Il a d'abord considérablement simplifié la notion fondamentale

de ce plan, de façon à la rendre aussi élémentaire qu'il est possible,

en montrant qu'un tel plan n'est réellement autre chose que le plan du

couple général résultant de tous les couples engendrés par les

différentes forces du système, ce qui le définit immédiatement par une

propriété dynamique très-sensible, au lieu de la seule propriété

géométrique du maximum des aires. Quand une conception quelconque a été

vraiment simplifiée dans sa nature, l'élaboration en étant par cela même

facilitée, elle ne saurait manquer de prendre plus d'extension et de

conduire à des résultats nouveaux: telle est, en effet, la marche

ordinaire de l'esprit humain dans les sciences, que les théories les

plus fécondes en découvertes n'ont été le plus souvent, à leur origine,

qu'un moyen de rendre plus simple la solution de questions déjà

traitées. Le travail que nous considérons ici en a offert une nouvelle

preuve. Car la théorie de M. Poinsot a permis d'introduire un plus haut

degré de précision dans la détermination du plan invariable propre à

notre système solaire, en signalant et rectifiant une importante lacune

que Laplace y avait laissée. Ce grand géomètre, en calculant la

situation du plan du _maximum_ des aires, avait cru ne devoir prendre

en considération que les aires principales, produites par la circulation

des planètes autour du soleil, sans tenir aucun compte de celles dues

aux mouvemens des satellites autour des planètes, ou à la rotation de

tous ces astres et du soleil lui-même. M. Poinsot vient de prouver la

nécessité d'avoir égard à ces divers élémens, sans quoi le plan ainsi

déterminé ne pourrait point être regardé comme rigoureusement

invariable; et en cherchant la direction du véritable plan invariable

aussi exactement que le comporte l'imperfection actuelle de la plupart

des données, il a fait voir que ce plan diffère sensiblement de celui

trouvé par Laplace; ce qu'il est facile de concevoir par la seule

considération de l'aire immense que doit introduire dans le calcul la

masse énorme du soleil, quoique sa rotation soit très-lente.

Pour compléter l'indication des propriétés dynamiques les plus

importantes relatives au mouvement de rotation, il convient maintenant

de signaler ici les beaux théorèmes découverts par Euler sur ce qu'il a

nommé les _momens d'inertie_ et les _axes principaux_, qu'on doit mettre

au nombre des résultats généraux les plus importans de la mécanique

rationnelle. Euler a donné le nom de _moment d'inertie_ d'un corps à

l'intégrale qui exprime la somme des produits de la masse de chaque

molécule par le carré de sa distance à l'axe autour duquel le corps

tourne, intégrale dont la considération doit évidemment être

très-essentielle, puisqu'elle peut être naturellement regardée comme la

mesure exacte de l'énergie de rotation du corps. Quand la masse proposée

est homogène, ce moment d'inertie se détermine comme les autres

intégrales analogues relatives à la forme d'un corps; lorsque, au

contraire, cette masse est hétérogène, il faut de plus connaître la loi

de la densité dans les diverses couches qui la composent, et, à cela

près, l'intégration n'est alors seulement que plus compliquée. Cette

notion étant établie, Euler, comparant, en général, les momens d'inertie

d'un même corps quelconque par rapport à tous les axes de rotation

imaginables passant en un point donné, détermina les axes relativement

auxquels le moment d'inertie doit être un _maximum_ ou un _minimum_, en

considérant surtout ceux qui se coupent au centre de gravité, et qui se

distinguent en ce qu'ils produisent nécessairement des momens moindres

que si, avec la même direction, ils étaient placés partout ailleurs. Il

découvrit ainsi qu'il existe constamment, en un point quelconque d'un

corps, et particulièrement au centre de gravité, trois axes

rectangulaires, tels que le moment d'inertie du corps est un _maximum_ à

l'égard de l'un d'entre eux, et un _minimum_ à l'égard d'un autre. Ces

axes sont d'ailleurs caractérisés par une autre propriété commune qui

leur sert habituellement aujourd'hui de définition analytique, et qui

constitue, en effet, pour l'analyse, le principal avantage que l'on

trouve à rapporter le mouvement du corps à ces trois axes. Cette

propriété consiste en ce que, lorsque ces trois axes sont pris pour ceux

des coordonnées x, y, z, les intégrales /int xzdm, /int xydm, /int yzdm

(m exprimant la masse du corps), sont nulles relativement au corps tout

entier, ce qui simplifie notablement les équations générales du

mouvement de rotation. Mais le principal théorème dynamique découvert

par Euler à l'égard de ces axes, et d'après lequel il les a justement

appelés _axes principaux de rotation_, consiste dans la stabilité des

rotations qui leur correspondent; c'est-à-dire, que si le corps a

commencé à tourner autour d'un de ces axes, cette rotation persistera

indéfiniment de la même manière, ce qui n'aurait pas lieu pour tout

autre axe quelconque, la rotation instantanée s'exécutant en général

autour d'un axe continuellement variable. Ce système des axes principaux

est généralement unique dans chaque corps: cependant, si tous les momens

d'inertie étaient constamment égaux entre eux, la direction de ces axes

deviendrait totalement indéterminée, pourvu qu'on les choisît toujours

perpendiculaires entre eux, ce qui a lieu, par exemple, dans une sphère

homogène, où l'on peut regarder comme des axes permanens de rotation

tous les systèmes d'axes rectangulaires passant par le centre. Il y

aurait encore un certain degré d'indétermination si le corps était un

solide de révolution, l'axe géométrique étant alors un des axes

dynamiques principaux; mais les deux autres pouvant évidemment être pris

à volonté dans un plan perpendiculaire au premier. La détermination des

axes principaux présente souvent de grandes difficultés en considérant

des corps de figure et de constitution quelconques; mais elle s'effectue

avec une extrême facilité dans les cas peu compliqués, que la mécanique

céleste nous présente heureusement comme les plus communs. Par exemple

dans un ellipsoïde homogène, ou même seulement composé de couches

semblables et concentriques d'inégale densité, mais dont chacune est

homogène, les trois diamètres conjugués rectangulaires sont eux-mêmes

les axes dynamiques principaux: le moment d'inertie du corps est un

_maximum_ relativement du plus petit de ces diamètres, et un _minimum_ à

l'égard du plus grand. Quand les axes principaux d'un corps ou d'un

système sont déterminés ainsi que les momens d'inertie correspondans, si

le système ne tourne pas autour de l'un de ces axes, Euler a établi des

formules générales très-simples, qui font connaître constamment les

angles que doit faire avec eux la droite autour de laquelle s'exécute

spontanément la rotation instantanée, et la valeur du moment d'inertie

qui s'y rapporte, ce qui suffit pour l'analyse complète du mouvement de

rotation.

Tels sont les théorèmes généraux de dynamique qui se rapportent

directement à l'entière détermination du mouvement d'un corps ou d'un

système quelconque, soit quant à la translation, soit quant à la

rotation. Mais outre ces propriétés fondamentales, les géomètres en ont

encore découvert plusieurs autres très-générales, qui, sans être aussi

strictement indispensables, méritent singulièrement d'être signalés dans

un examen philosophique de la mécanique rationnelle, à cause de leur

extrême importance pour la simplification des recherches spéciales.

La première et la plus remarquable d'entre elles, celle qui présente les

plus précieux avantages pour les applications, consiste dans le célèbre

théorème de la _conservation des forces vives_. La découverte primitive

en est due à Huyghens, qui fonda sur cette considération sa solution du

problème du centre d'oscillation. La notion en fut ensuite généralisée

par Jean Bernouilli, car Huyghens ne l'avait établi que relativement au

mouvement des corps pesans. Mais Jean Bernouilli, accordant une

importance exagérée et vicieuse à la fameuse distinction introduite par

Leïbnitz, entre les forces _mortes_ et les forces _vives_, tenta

vainement d'ériger ce théorème en une loi primitive de la nature, tandis

qu'il ne saurait être qu'une conséquence plus ou moins générale des

théories dynamiques fondamentales. Les travaux les plus importans dont

cette propriété du mouvement ait été le sujet sont certainement ceux de

l'illustre Daniel Bernouilli, qui donna au théorème des forces vives sa

plus grande extension, ainsi que la forme systématique sous laquelle

nous le concevons aujourd'hui, et qui en fit surtout un si heureux usage

pour l'étude du mouvement des fluides.

On sait que, depuis Leïbnitz, les géomètres appellent _force vive_ d'un

corps le produit de sa masse par le carré de sa vitesse, en faisant

d'ailleurs complétement abstraction des considérations trop vagues qui

avaient conduit Leïbnitz à former une telle expression. Le théorème

général que nous envisageons ici consiste en ce que quelques altérations

qui puissent survenir dans le mouvement de chacun des corps d'un système

quelconque en vertu de leur action réciproque, la somme des forces vives

de tous ces corps reste constamment la même en un temps donné. C'est ce

qu'on démontre aujourd'hui avec la plus grande facilité d'après les

équations fondamentales du mouvement d'un système quelconque, et

surtout, comme l'a fait Lagrange, en partant de la formule générale de

la dynamique exposée dans la leçon précédente. Sous le point de vue

analytique, l'extrême utilité de ce beau théorème consiste

essentiellement en ce qu'il fournit toujours d'avance une première

équation finie entre les masses et les vitesses des différens corps du

système. Cette relation, qui peut être envisagée comme une des

intégrales définitives des équations différentielles du mouvement,

suffit à l'entière solution du problème, toutes les fois qu'il est

réductible à la détermination du mouvement d'un seul des corps que l'on

considère, détermination qui s'effectue alors avec une grande facilité.

Mais pour se faire une juste idée de cette importante propriété, il est

indispensable de remarquer qu'elle est assujétie à une limitation

considérable, qui ne permet point, sous le rapport de la généralité, de

la placer sur la même ligne que les théorèmes précédemment examinés.

Cette limitation, découverte à la fin du dernier siècle par Carnot,

consiste en ce que la somme des forces vives subit constamment une

diminution dans le choc des corps qui ne sont pas parfaitement

élastiques, et généralement toutes les fois que le système éprouve un

changement brusque quelconque. Carnot a démontré qu'alors il y a une

perte de forces vives égale à la somme des forces vives dues aux

vitesses perdues par ce changement. Ainsi le théorème de la conservation

des forces vives n'a lieu qu'autant que le mouvement du système varie

seulement par degrés insensibles, ou qu'il ne survient de choc qu'entre

des corps doués d'une élasticité parfaite. Cette importante

considération complète la notion générale qu'on doit se former d'une

propriété aussi remarquable.

De tous les grands théorèmes de mécanique rationnelle, celui que nous

venons d'envisager est sans contredit le plus important pour les

applications à la mécanique industrielle; c'est-à-dire en ce qui

concerne la théorie du mouvement des machines, en tant qu'elle est

susceptible d'être établie d'une manière exacte et précise. Le théorème

des forces vives a commencé à fournir jusqu'ici, sous ce point de vue,

des indications générales très-précieuses, qui ont été surtout

présentées avec une netteté et une concision parfaites dans le travail

de Carnot, auquel on n'a ajouté depuis rien de vraiment essentiel. Ce

théorème présente directement, en effet, la considération dynamique

d'une machine quelconque sous son véritable aspect, en montrant que,

dans toute transmission et modification du mouvement effectuée par une

machine, il y a simplement échange de force vive entre la masse du

moteur et celle du corps à mouvoir. Cet échange serait complet,

c'est-à-dire toute la force vive du moteur serait utilisée en évitant

les changemens brusques, si les frottemens, la résistance des milieux,

etc., n'en absorbaient nécessairement une portion plus ou moins

considérable suivant que la machine est plus ou moins compliquée. Cette

notion met dans tout son jour l'absurdité de ce qu'on a appelé le

mouvement perpétuel, en indiquant même d'une manière générale à quel

instant la machine abandonnée à sa seule impulsion primitive doit

s'arrêter spontanément; mais cette absurdité est d'ailleurs de sa nature

tellement sensible, qu'Huyghens avait, au contraire, fondé en partie sa

démonstration du théorème des forces vives sur l'évidence manifeste

d'une telle impossibilité. Quoi qu'il en soit, ce théorème donne une

idée nette de la véritable perfection dynamique d'une machine, en la

réduisant à utiliser la plus grande fraction possible de la force vive

du moteur, ce qui ne peut avoir lieu généralement qu'en s'efforçant de

simplifier le mécanisme autant que le comporte la nature du moteur. On

conçoit en effet que si l'on mesure, comme il semble naturel de le

faire, l'effet dynamique utile d'un moteur en un temps donné par le

produit du poids qu'il peut élever et de la hauteur à laquelle il le

transporte, cet effet équivaut immédiatement, d'après les lois du

mouvement vertical des corps pesans, à une force vive, et non à une

quantité de mouvement. Sous ce point de vue, la fameuse discussion

soulevée par Leïbnitz au sujet des forces vives, et à laquelle prirent

part tous les grands géomètres de cette époque, ne doit point être

regardée comme aussi dépourvue de réalité que d'Alembert a paru le

croire. On s'était sans doute mépris en pensant que la mécanique

rationnelle était intéressée dans cette contestation, qui ne saurait en

effet, selon la remarque de d'Alembert, exercer sur elle la moindre

influence réelle. Le point de vue théorique et le point de vue pratique

n'avaient pas été assez soigneusement séparés par les géomètres qui

suivirent cette discussion. Mais, sous le seul point de vue de la

mécanique industrielle, elle n'en avait pas moins une véritable

importance. Elle pourrait même être utilement reprise aujourd'hui, car

les objections qui ont été faites contre la mesure vulgaire de la valeur

dynamique des moteurs méritent d'être prises en sérieuse considération,

vu qu'il semble en effet peu rationnel de prendre pour unité un

mouvement qui n'est point uniforme.

Mais, quelque décision qu'on finisse par adopter sur cette contestation

non-terminée, l'application du théorème des forces vives n'en conservera

pas moins toute son importance pour montrer sous son vrai jour la

destination réelle des machines, en prouvant que nécessairement elles

font perdre en vitesse ou en temps ce qu'elles font gagner en force ou

réciproquement, de telle sorte que leur utilité consiste essentiellement

à échanger les uns dans les autres les divers facteurs de l'effet à

produire, sans pouvoir jamais l'augmenter par elles-mêmes dans sa

totalité, et en lui faisant constamment subir au contraire une

inévitable diminution, ordinairement très-notable. Il est douteux, du

reste, que l'application de ce théorème puisse à aucune époque être

poussée beaucoup plus loin que les indications générales de ce genre,

car le véritable calcul _à priori_ de l'effet précis d'une machine

quelconque donnée présente, comme problème de dynamique, une trop grande

complication, et exige la connaissance exacte d'un trop grand nombre de

relations encore complétement inconnues, pour pouvoir être efficacement

tenté dans la plupart des cas[29].

[Note 29: La véritable théorie propre de la mécanique

industrielle, qui n'est nullement, ainsi qu'on le croit

souvent, une simple dérivation de la _phoronomie_ ou

mécanique rationnelle, et qui se rapporte à un ordre d'idées

complétement distinct, n'a point encore été conçue. Il en

est, à cet égard, comme de toute autre _science

d'application_ dont l'esprit humain ne possède jusqu'ici que

quelques élémens insuffisans, selon la remarque indiquée

dans notre seconde leçon. La mécanique industrielle,

abstraction faite de la formation des moteurs, qui dépend de

l'ensemble de nos connaissances sur la nature, se compose de

deux classes de recherches très-différentes, les unes

dynamiques, les autres géométriques. Les premières ont pour

objet la détermination des appareils les plus convenables,

afin d'utiliser autant que possible les forces motrices

données; c'est-à-dire d'obtenir entre la force vive du corps

à mouvoir et celle du moteur le rapport le plus rapproché de

l'unité, en ayant égard aux modifications exigées dans la

vitesse par la destination connue de la machine. Quant aux

autres, on s'y propose de changer à volonté, à l'aide d'un

mécanisme convenable, les lignes décrites par les points

d'application des forces. En un mot, le mouvement est

modifié, dans les unes, quant à son intensité; dans les

autres, quant à sa direction. Les premières se rapportent à

une doctrine entièrement neuve, au sujet de laquelle il n'a

encore été produit aucune conception directe et vraiment

rationnelle. Il en est à peu près de même pour les autres,

qui dépendent de cette _géométrie de situation_ entrevue par

Leïbnitz, mais qui n'a fait jusqu'ici presqu'aucun progrès.

Je ne connais, à cet égard, d'autre travail réel qu'une

ingénieuse considération élémentaire présentée par Monge, et

qui, quoique simplement empirique, mérite d'être notée ici,

ne fut-ce que pour indiquer la véritable nature de cet ordre

d'idées.

Monge est parti de cette observation, très-plausible en

effet, que, dans la réalité, les mouvemens exécutés par les

machines sont ou rectilignes ou circulaires, chacun pouvant

être d'ailleurs ou continu ou alternatif. Il a, dès lors,

envisagé toute machine comme destinée, sous le rapport

géométrique, à transformer ces divers mouvemens élémentaires

les uns dans les autres. Cela posé, en épuisant toutes les

combinaisons diverses qu'une telle transformation peut

offrir, il en a vu résulter nécessairement dix séries

d'appareils dans lesquelles peuvent être rangées toutes les

machines connues, ainsi que celles qu'on imaginera plus

tard. Les tableaux résultant de cette classification peuvent

donc être envisagés comme présentant au mécanicien les

moyens empiriques de résoudre, dans chaque cas, le problème

de la transformation du mouvement, en choisissant, parmi

tous les appareils propres à remplir la condition proposée,

celui qui présente d'ailleurs le plus d'avantages.]

Le mouvement d'un système quelconque présente une autre propriété

générale très-remarquable, quoique moins importante, soit sous le

rapport analytique, soit surtout sous le rapport physique, que celle qui

vient d'être examinée: c'est la propriété exprimée par le célèbre

théorème général de dynamique auquel Maupertuis a donné la dénomination

si vicieuse de _principe de la moindre action_.

La filiation des idées au sujet de cette découverte remonte à une époque

très éloignée, car les géomètres de l'antiquité avaient déjà fait

quelques remarques qu'on peut concevoir aujourd'hui comme équivalentes

à la vérification de ce théorème dans le cas particulier le plus simple.

Ptolémée, en effet, observe expressément, quant à la loi de la réflexion

de la lumière, que par la nature de cette loi, la lumière en se

réfléchissant se trouve suivre le plus court chemin possible pour

parvenir d'un point à un autre. Lorsque Descartes et Snellius eurent

découvert la loi réelle de la réfraction, Fermat rechercha si on ne

pourrait point y arriver _à priori_ d'après quelque considération

analogue à la remarque de Ptolémée. Le _minimum_ ne pouvant alors avoir

lieu relativement à la longueur du chemin parcouru, puisque la route

rectiligne eût été possible dans ce cas, Fermat présuma qu'il existerait

à l'égard du temps. Il se proposa donc, en regardant la route de la

lumière comme composée de deux droites différentes, séparées, sous un

angle inconnu, à la surface du corps réfringent, quelle devait être

cette direction relative pour que le temps employé par la lumière dans

son trajet fût le moindre possible, et il eut le bonheur de trouver

d'après cette seule considération une loi de la réfraction exactement

conforme à celle directement déduite des observations par Snellius et

par Descartes. Cette belle solution est d'ailleurs éminemment

remarquable dans l'histoire générale des progrès de l'analyse

mathématique, comme ayant offert à Fermat la première application

importante de sa célèbre méthode _de maximis et minimis_, qui contient

le véritable germe primitif du calcul différentiel.

La comparaison de la remarque de Ptolémée avec le travail de Fermat

envisagé sous le point de vue dynamique, devint pour Maupertuis la base

de la découverte du théorème que nous considérons. Quoiqu'égaré, bien

plus que conduit, par de vagues considérations métaphysiques sur la

prétendue économie des forces dans la nature, il finit par arriver à ce

résultat important, que la trajectoire d'un corps soumis à l'action de

forces quelconques devait nécessairement être telle, que l'intégrale du

produit de la vitesse du mobile par l'élément de la courbe décrite fût

toujours un _minimum_, relativement à sa valeur dans toute autre courbe.

Mais Lagrange est avec justice généralement regardé par les géomètres

actuels comme le véritable fondateur de ce théorème, non-seulement pour

l'avoir généralisé autant que possible, mais surtout pour en avoir

découvert la véritable démonstration en le rattachant aux théories

dynamiques fondamentales, et en le dégageant des notions confuses et

arbitraires que Maupertuis avait employées. Il ne subsiste maintenant

d'autre trace du travail de Maupertuis que le nom qu'il a imposé à ce

théorème, et dont l'impropriété est universellement reconnue, quoique,

pour plus de brièveté, on ait continué à s'en servir. Le théorème, tel

qu'il a été établi par Lagrange relativement à un système quelconque de

corps, consiste en ce que, quelles que soient leurs attractions

réciproques, ou leurs tendances vers des centres fixes, les trajectoires

décrites par ces corps sont toujours telles que la somme des produits de

la masse de chacun d'eux, et de l'intégrale relative à sa vitesse

multipliée par l'élément de la courbe correspondante, est nécessairement

un _maximum_ ou un _minimum_, cette somme étant étendue à la totalité du

système. Il importe d'ailleurs de remarquer que la démonstration de ce

théorème général étant fondée sur le théorème des forces vives, il est

inévitablement assujéti aux mêmes limitations que celui-ci.

Outre la belle propriété du mouvement contenue dans cette proposition

remarquable, on conçoit que, sous le rapport analytique, elle peut être

envisagée comme un nouveau moyen de former les équations différentielles

qui doivent conduire à la détermination de chaque mouvement spécial. Il

suffit, en effet, conformément à la méthode générale des _maxima_ et

_minima_ fournie par le calcul des variations, d'exprimer que la somme

précédemment indiquée est un _maximum_ ou un _minimum_ (soit absolu,

soit relatif suivant les cas), en rendant sa variation nulle. Lagrange a

expressément montré comment, d'après cette seule considération, on peut,

en général, retrouver la formule fondamentale de la dynamique. Mais,

quelqu'utile que puisse être en certains cas une telle manière de

procéder, il ne faut point s'exagérer son importance; car on ne doit pas

perdre de vue qu'elle ne fournit par elle-même aucune intégrale finie

des équations du mouvement; elle se borne seulement à établir ces

équations d'une autre manière, qui peut quelquefois être plus

convenable. Sous ce rapport, le théorème de la moindre action est

certainement moins précieux que celui des forces vives. Quoi qu'il en

soit, il convient de remarquer ici avec Lagrange que l'ensemble de ces

deux théorèmes peut être regardé, en thèse générale, comme suffisant

pour l'entière détermination du mouvement d'un corps.

Le théorème de la moindre action a aussi été présenté par Lagrange sous

une autre forme générale, spécialement destinée à rendre plus sensible

son interprétation concrète. En effet, l'élément de la trajectoire

pouvant évidemment être remplacé dans l'énoncé de ce théorème par le

produit équivalent de la vitesse et de l'élément du temps, le théorème

consiste alors en ce que chaque corps du système décrit constamment une

courbe telle que la somme des forces vives consommées en un temps donné

pour parvenir d'une position à une autre est nécessairement un _maximum_

ou un _minimum_.

L'histoire philosophique des travaux relatifs au théorème de la moindre

action est particulièrement propre à mettre dans tout son jour

l'insuffisance complète et le vice radical des considérations

métaphysiques employées comme moyens de découvertes scientifiques. On ne

peut nier sans doute que le principe théologique et métaphysique des

causes finales n'ait eu ici quelque utilité, en contribuant dans

l'origine à éveiller l'attention des géomètres sur cette importante

propriété dynamique, et même en leur fournissant à cet égard quelques

indications vagues. L'esprit de ce cours, tel que nous l'avons déjà

expressément signalé, et tel qu'il se développera de plus en plus par la

suite, nous prescrit, en effet, de regarder, en thèse générale, les

hypothèses théologiques et métaphysiques comme ayant été utiles et même

nécessaires aux progrès réels de l'intelligence humaine, en soutenant

son activité aussi long-temps qu'a duré l'absence de conceptions

positives d'une généralité suffisante. Mais, alors même, les nombreux

inconvéniens fondamentaux inhérens à une telle manière de procéder

vérifient clairement qu'elle ne peut être envisagée que comme

provisoire. L'exemple actuel en offre une preuve sensible. Car, sans

l'introduction des considérations exactes et réelles fondées sur les

lois générales de la mécanique, on disputerait encore, ainsi que le

remarque Lagrange avec tant de raison, sur ce qu'il faut entendre par

_la moindre action_ de la nature, la prétendue économie des forces

consistant tantôt dans l'espace, tantôt dans le temps, et le plus

souvent n'étant en effet ni l'une ni l'autre. Il est d'ailleurs évident

que cette propriété n'a point ce caractère absolu qu'on avait d'abord

voulu lui imposer, puisqu'elle éprouve dans un grand nombre de cas des

restrictions déterminées. Mais ce qui rend surtout manifeste le vice

radical des considérations primitives, c'est que, d'après l'analyse

exacte de la question traitée par Lagrange, on voit que l'intégrale

ci-dessus définie n'est nullement assujettie à être nécessairement un

_minimum_, et qu'elle peut, au contraire, être tout aussi bien un

_maximum_, comme il arrive effectivement en certains cas, le véritable

théorème général consistant seulement en ce que la variation de cette

intégrale est nulle: que devient alors l'_économie_ des forces, de

quelque manière qu'on prétende caractériser l'_action_? L'insuffisance

et même l'erreur de l'argumentation de Maupertuis sont dès lors

pleinement évidentes. Dans cette occasion, comme dans toutes celles où

il a pu jusqu'ici y avoir concours, la comparaison a expressément

constaté la supériorité immense et nécessaire de la philosophie positive

sur la philosophie théologique et métaphysique, non-seulement quant à la

justesse et à la précision des résultats effectifs, mais même quant à

l'étendue des conceptions et à l'élévation réelle du point de vue

intellectuel.

Pour compléter cette énumération raisonnée des propriétés générales du

mouvement, je crois devoir enfin signaler ici une dernière proposition

fort remarquable, qu'on ne place point ordinairement dans la même

catégorie que les précédentes, et qui mérite cependant, à un aussi haut

degré, de fixer notre attention, soit par sa beauté intrinsèque, soit

surtout par l'importance et l'étendue de ses applications aux problèmes

dynamiques les plus difficiles. Il s'agit du célèbre théorème général

découvert par Daniel Bernouilli, sur la _coexistence des petites

oscillations_. Voici en quoi il consiste.

Nous avons vu, en commençant cette leçon, qu'il existe, pour tout

système de forces, une situation d'équilibre _stable_, celle dans

laquelle la somme des forces vives est un des _maximum_, suivant la loi

de Maupertuis généralisée par Lagrange. Quand le système est infiniment

peu écarté de cette situation par une cause quelconque, il tend à y

revenir, en faisant autour d'elle une suite d'oscillations infiniment

petites, graduellement diminuées et bientôt détruites par la résistance

du milieu et les frottemens, et qu'on peut assimiler à celles d'un

pendule d'une longueur convenable soumis à l'influence d'une gravité

déterminée. Mais plusieurs causes différentes peuvent faire

simultanément osciller le système de diverses manières autour de la

position de stabilité. Cela posé, le théorème de Daniel Bernouilli

consiste en ce que toutes les espèces d'oscillations infiniment petites

produites par ces divers dérangemens simultanés, quelle que soit leur

nature, ne font simplement que se superposer, en coexistant sans se

nuire, chacune d'elles ayant lieu comme si elle était seule. On conçoit

aisément l'extrême importance de cette belle proposition pour faciliter

l'étude d'un tel genre de mouvemens, puisqu'il suffit d'après cela

d'analyser isolément chaque sorte d'oscillations produite par chaque

perturbation séparée. Cette décomposition est surtout de la plus grande

utilité dans les recherches relatives au mouvement des fluides, où un

tel ordre de considérations se présente presque constamment. Mais la

propriété découverte par Daniel Bernouilli n'est pas moins intéressante

sous le rapport physique que sous le point de vue logique. En effet,

envisagée comme une loi de la nature, elle explique directement, de la

manière la plus satisfaisante, une foule de faits divers, que

l'observation avait depuis long-temps constatés, et qu'on cherchait

vainement à concevoir jusqu'alors. Telle est, par exemple, la

coexistence des ondes produites à la surface d'un liquide, lorsqu'elle

se trouve agitée à la fois en plusieurs points différens par diverses

causes quelconques. Telle est, surtout, dans l'acoustique, la

simultanéité des sons distincts produits par divers ébranlemens de

l'air. Cette coexistence qui a lieu sans confusion entre les

différentes ondes sonores, avait évidemment été souvent observée,

puisqu'elle est une des bases essentielles du mécanisme de notre

audition; mais elle paraissait inexplicable; on n'y voit plus maintenant

qu'une conséquence immédiate du beau théorème de Daniel Bernouilli.

En considérant ce théorème sous le point de vue le plus philosophique,

on ne le trouve peut-être pas moins remarquable par la manière dont il

résulte des équations générales du mouvement, que par son importance

analytique ou physique. En effet cette coexistence des divers ordres

d'oscillations infiniment petites d'un système quelconque, autour de sa

situation de stabilité, a lieu parce que l'équation différentielle qui

exprime la loi de l'un quelconque de ces mouvemens se trouve être

_linéaire_, et conséquemment de la classe de celles dont l'intégrale

générale est nécessairement la simple somme d'un certain nombre

d'intégrales particulières. Ainsi, sous le rapport analytique, la

superposition des divers mouvemens oscillatoires a pour cause l'espèce

de superposition qui s'établit alors entre les différentes intégrales

correspondantes. Cette importante corrélation est certainement, comme

l'observe avec raison Laplace, un des plus beaux exemples de cette

harmonie nécessaire entre l'abstrait et le concret, dont la philosophie

mathématique nous a offert tant de vérifications admirables.

Telles sont les principales considérations philosophiques relatives aux

différens théorèmes généraux découverts jusqu'ici dans la mécanique

rationnelle, et qui tous dérivent, comme de simples déductions

analytiques plus ou moins éloignées, des lois fondamentales du mouvement

sur lesquelles repose le système entier de la science phoronomique.

L'examen sommaire de ces théorèmes, dont l'ensemble constitue un des

monumens les plus imposans de l'activité de l'intelligence humaine

convenablement dirigée, était indispensable pour achever de déterminer

le caractère philosophique de la science de l'équilibre et du mouvement,

déjà suffisamment tracé dans les leçons précédentes, à l'égard de la

méthode. Nous pouvons donc maintenant nous former nettement une idée

générale de la nature propre de cette seconde branche de la mathématique

concrète, ce qui devait être le seul objet essentiel de notre travail à

ce sujet.

Je me suis efforcé, dans ce volume, de faire sentir, autant qu'il a été

en mon pouvoir, en quoi consiste réellement la philosophie

mathématique, soit quant à ses conceptions abstraites, soit quant à ses

divers ordres de considérations concrètes, soit enfin quant à la

corrélation intime et permanente qui existe nécessairement entre les

unes et les autres. Je regrette vivement que les limites dans lesquelles

j'ai dû me renfermer, vu la destination de cet ouvrage, ne m'aient point

permis de faire passer, autant que je l'aurais désiré, dans l'esprit du

lecteur mon sentiment profond de la nature de cette immense et admirable

science, qui, base nécessaire de la philosophie positive tout entière,

constitue d'ailleurs évidemment, en elle-même, le témoignage le plus

irrécusable de la portée du génie humain. Mais j'espère que les penseurs

qui n'ont pas le malheur d'être entièrement étrangers à cette science

fondamentale pourront, d'après les réflexions que j'ai indiquées,

parvenir à en concevoir nettement le véritable caractère philosophique.

Pour présenter un aperçu vraiment complet de la philosophie mathématique

dans son état actuel, j'ai indiqué d'avance (voyez la 3e Leçon) qu'il

me reste encore à considérer une troisième branche de la mathématique

concrète, celle qui consiste dans l'application de l'analyse à l'étude

des phénomènes thermologiques, dernière grande conquête de l'esprit

humain, due à l'illustre ami dont je déplore la perte récente,

l'immortel Fourier, qui vient de laisser dans le monde savant une si

profonde lacune, long-temps destinée à être de jour en jour plus

fortement sentie. Mais, afin de ne m'écarter que le moins possible des

habitudes encore universellement adoptées, j'ai annoncé que je croyais

devoir ajourner cet important examen jusqu'à ce que l'ordre naturel des

considérations exposées dans cet ouvrage nous ait conduits à la partie

de la physique qui traite de la thermologie. Quoiqu'une telle

transposition ne soit point véritablement rationnelle, il n'en saurait

résulter cependant qu'un inconvénient secondaire, l'appréciation

philosophique que je présenterai ayant d'ailleurs exactement le même

caractère que si elle eût été placée à son véritable rang logique.

Considérant donc maintenant la philosophie mathématique comme

complétement caractérisée, nous devons procéder à l'examen de son

application plus ou moins parfaite à l'étude des divers ordres de

phénomènes naturels suivant leur degré de simplicité, application qui,

par elle-même, est d'ailleurs évidemment propre à jeter un nouveau jour

sur les vrais principes de cette philosophie, et sans laquelle, en

effet, ils ne sauraient être convenablement appréciés. Tel sera l'objet

du volume suivant, en nous conformant à l'ordre encyclopédique

rigoureusement déterminé dans la seconde leçon, d'après la nature

spéciale de chacune des classes principales de phénomènes que nous avons

établies, et, par conséquent, en commençant par les phénomènes

astronomiques à l'étude approfondie desquels la science mathématique est

éminemment destinée.

Cours de philosophie positive. (1/6) · 第 23 / 39 题