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Pompe pneumatique , suspension , bulle , esprit de vin , cause , plaques , siphon

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No 1899

### Christiaan Huygens à J. Gallois

Juillet 1672

La lettre a été publiée dans le Journal des Sçavants du 25 juillet 1672 [p. 133-140, fig.].

Extrait d'une lettre de M. Hugens

de l'Academie Royale des Sciences à l'Auteur de ce Journal,

touchant les phenomenes de l'Eau purgée d'air. 1)

Avant que de vous communiquer ce que j'ay observé touchant la suspension de l'eau dans le vuide, j'en ay voulu reiterer les experiences pour verifier les remarques que j'ay faites autrefois, & pour tâcher de penetrer les causes d'un effet si surprenant. Je vous feray premierement le recit de mes observations, & ensuite je passeray aux conjectures que j'ay faites pour en rendre raison. Les experiences que l'illustre M. Boyle mit au jour l'an 1661 avec la description de la pompe pneumatique 2), me donnerent déslors occasion d'examiner cette matiere. L'une de ces experiences estoit que mettant un tuyau de verre de quatre pieds plein d'eau, dans le recipient ou vaisseau d'où l'on tire l'air, & le bout ouvert de ce tuyau trempant par embas dans d'autre eau contenüe dans un verre; aprés avoir vuidé l'air du recipient autant qu'il estoit possible par le moyen de sa machine, l'eau du tuyau descendoit dans le verre jusqu'à ce qu'il n'en restast plus qu'environ la hauteur d'un pied, tout le haut du tuyau demeurant vuide d'eau & d'air. Il jugea fort bien que cette hauteur d'un pied d'eau qui restoit par dessus le niveau de celle où trempoit le bout ouvert, demeuroit suspenduë, parce qu'il estoit resté dans le recipient quelque peu d'air que la pompe, faute de justesse, n'avoit pû vuider. J'avois fait construire une machine pareille; & quoyque je ne me fusse pas encore avisé, d'y apporter le changement que j'y ay pratiqué depuis, je l'avois pourtant si bien ajustée, qu'en faisant la même experience que je viens d'expliquer, je faisois descendre toute l'eau du tuyau jusqu'a ce qu'elle fust de niveau avec celle du verre où trempoit le bout ouvert. Je n'avois pas besoin aprés cela de si longs tuyaux pour faire cette experience. J'en pris un de neuf pouces avec une boule creuse au bout, comme on voit dans cette figure. 1) Huygens s'est occupé de cette expérience, depuis décembre 1661 [<]. Voir, au Tome III, la Lettre No. 937 [p. 432] et aux Tomes IV, V et VI, les passages indiqés dans les "Tables des matières traitées dans ces Lettres", sous l'article: "Retardement de la formation du vide de Torricelli". [ Cette publication se trouve aussi dans Hist. de l'Ac. ed. 1730 (Mem. T. X) 529-536 (fig.); en Latin: Opera varia (1724) T. IV, 769; en Anglais: Phil. Trans. 86, 5027-30, 'An extract of a Letter of M. Hugens to the author of the Journal des Scavans of July 25. 1672. attempting to render the cause of that odd phaenomenon of the Quicksilvers remaining suspended far above the usual height in the Torricellian experiment'.] 2) Consultez l'ouvrage cité dans la Lettre No. 863, note 9. [New experiments Physico-Mechanicall, touching the Spring of the Air, and its Effects, etc. (1660) — Summary]

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Il faut concevoir que le verre marqué CC est tout remply d'eau & que son extremité ouverte trempe dans l'eau du verre D. Par dessus l'un & l'autre est posé le vaisseau B, dont l'embouchure ouverte est appliquée sur un certain ciment mol [<], étendu sur la platine AA, laquelle est percée d'un petit trou au milieu, par où sort l'air quand on fait agir la pompe. Quand j'employois donc de l'eau fraîche, tout le vaisseau C se vuidoit jusqu'à ce qu'elle fût de niveau avec celle du verre D. I. Experience. L'eau demeure suspenduë dans un tuyau, sans estre pressée par l'air. Mais sur la fin du mois de Decembre de la même année 1661, ayant laissé cette eau dans le vuide pendant 24 heures (ce qui la purge entierement des bulles d'air qu'elle jette, quand on l'employe fraische) & en ayant remply le matras C, je fus surpris de voir que nonobstant que j'eusse fort bien tiré l'air du vaisseau B, l'eau ne descendoit aucunement du matras, qui demeura parfaitement plein. Je ne pouvois guerre soupçonner qu'il y eust aucun defaut dans ma pompe, ni que le vaisseau B fust mal bouché: mais pour m'en éclaircir tout à fait, j'ostay la phiole C de dessous le vaisseau, & aprés y avoir fait entrer une fort petite bulle d'air, je la remis comme auparavant; & ayant fait agir la pompe, je vis qu'à la fin toute l'eau descendoit jusque fort prés du niveau de celle du verre D. Cela m'asseura qu'il n'y avoit point eu de faute de la machine, & que l'eau purgée d'air demeuroit suspenduë sans descendre, quoyque le vaisseau B fust tout vuide d'air, ou du moins autant qu'il l'estoit lors que l'eau fraische descendoit de la phiole. Je fis pour la seconde fois descendre l'eau, ayant fait entrer dans le col de la phiole une bulle si petite qu'elle estoit à peine visible. II. Experience. Accident remarquable dans la descente de l'eau purgée d'air. Mais il m'arriva une autrefois une chose remarquable. C'est que n'ayant point fait entrer de bulle d'air, il s'en forma un au bas du col de la phiole en dedans, aprés que j'eus vuidé l'air du recipient. Cette bulle s'estant peu à peu augmentée jusqu'à la grosseur d'un petit pois, elle se détacha du verre & commença à monter dans le col de la phiole: Mais lors qu'elle fut parvenuë à la hauteur d'un pouce par dessus le niveau de l'eau du verre D, elle ne monta plus, mais s'étendit delà subitement vers en haut, & en un moment elle occupa toute la phiole, de laquelle en même temps l'eau descendit par ce peu d'espace qui restoit entre la surface interieure du col & la bulle qui s'y estoit étenduë, & se mit toute dessous cette hauteur d'un pouce où la bulle avoit commencé de s'étendre. Toutes ces mêmes choses m'arriverent ensuite en faisant l'experience avec des tuyaux de deux pieds & davantage, où l'eau demeuroit suspenduë de même qu'à celuy de neuf pouces.

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Je communiquay cette experience 3) à Messieurs de la Société Royale d'Angleterre, qui ne voulurent pas la croire d'abord, & me mandèrent 4) qu'apparemment l'eau de la phiole n'avoit point descendu faute d'avoir bien vuidé l'air du recipient. Mais je leur répondis qu'il n'y avoit pas lieu de soupçonner cela, attendu la suite de l'experience que j'avois marquée, & que de plus par la frequente reïteration j'éstois tres-assuré du bon estat de ma machine 5). Enfin l'an 1663 estant en Angleterre on fit la même experience en ma presence dans l'assemblée de la Societé Royale, & avec le même succés; quoy que les tuyaux fussent de quatre & de cinq pieds. M. Boyle s'avisa en suite de la faire sans l'aide de la machine, simplement avec du vif-argent enfermé dans un tuyau de verre dont le bout ouvert trempoit dans d'autre vif-argent, ayant trouvé moyen de purger parfaitement d'air le mercure pendant 3 ou 4 jours. Enfin l'essay reüssit, & au lieu que dans l'experience de Toricelli le mercure descend dans le tuyau de verre jusqu'à ce qu'il n'y en reste que 27 ou 28 pouces au dessus du niveau du mercure dans lequel le tuyau trempe, M. Boyle, & en même temps aussi M. le Vicomte Brounker President de la Societé Royale d'Angleterre le firent tenir premierement à la hauteur de 34 pouces, puis à celle de 52, de 55, & à la fin jusqu'à la hauteur de 75 pouces 6), le tuyau demeurant toûjours plein, sans que l'on sçache encore jusqu'où peut aller la plus grande hauteur possible. M. Boyle remarqua aussi qu'en ostant le tuyau hors du vif-argent où son extremité ouverte trempoit, & le tenant dans l'air libre sans estre bouché, le mercure ne laissoit pas de se tenir suspendu dans le tuyau. Au reste il arriva dans ces experiences de même que dans celles qui se font avec de l'eau, que la moindre bulle de l'air s'estant engendrée dans le tuyau, soit d'elle-mesme, ou par la secousse qu'on luy eust donnée en frappant contre le tuyau, elle faisoit descendre subitement le mercure jusqu'à la hauteur ordinaire de 27 ou 28 pouces.
3) En juillet 1662. Voir la pièce No. 1033. 5) Voir la Lettre No. 1080. | 4) Consultez la Lettre No. 1056. 6) Voir les pièces Nos. 1163 et 1171.
III. Experience. Esprit de vin employé au lieu d'eau. Pour revenir à mes experiences, je ne les ay pas seulement faites de nouveau avec de l'eau, mais aussi avec de l'esprit de vin rectifié, & j'ay trouvé que pour le purger d'air il ne faut que le laisser une heure de temps dans le vuide, quoy qu'il engendre plus d'air que l'eau, comme l'on peut juger par les circonstances de cette operation que je vay vous raconter & que sont assez considerables. Aprez que le vaisseau B est à peu prés épuisé d'air par le moyen de la pompe, l'on voit sortir de gros bouillons de l'esprit de vin & en si grande quantité qu'ils en font repandre une partie par dessus les bords du verre D; ce qui arrive de même à l'eau un peu échauffée; mais non pas à celle qu'on y met toute froide.

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Ce boüillonnement diminüe peu à peu; ensorte qu'on ne voit plus sortir de l'esprit de vin qu'une grosse bulle d'air de temps en temps, & à la fin il n'en sort plus rien du tout. Cependant les bulles qui sont montées dans la boule C, s'y dilatent tellement qu'elles la remplissent entierement, & encore toute la longueur du col, de maniere que tout l'esprit de vin en est chassé, & que même il sort plusieurs grosses bulles d'air par l'ouverture du col: ce qui marque manifestement qu'il y a de l'air dans la boule ou quelque matiere qui fait ressort comme l'air, puis qu'elle chasse l'esprit de vin plus bas que n'est la surface de celuy qui est contenu dans le verre D. Aussi en laissant rentrer l'air dans le vaisseau B, & l'esprit de vin remontant par là dans la boule C, l'on voit qu'il ne la remplit pas entierement, mais qu'il y demeure en haut une assez considerable bulle d'air. IV. Experience. L'air qui est sorty de l'Esprit de vin & de l'eau, y rentre. Mais ce qui est remarquable en cecy, c'est qu'ayant laissé ainsi cette bulle pendant l'espace d'une heure ou deux, j'ay toûjours trouvé qu'elle s'evanoüit & rentre dans l'esprit de vin d'où elle estoit sortie. J'ay aussi experimenté qu'y ayant fait entrer ensuite une bulle d'air veritable, de la grosseur d'un pois, elle se perdit de même aprés l'y avoir laissée une nuit. La même chose arrive encore dans de l'eau, mais il faut beaucoup plus de temps pour faire évanoüir la bulle. [ Cause.] Pour ce qui est de la cause de nostre principal phenomene qui est la suspension de l'eau & du mercure, voicy ce que jusqu'icy j'ay pû m'imaginer de plus vraysemblable. Outre la pression de l'air qui soûtient le mercure suspendu à la hauteur de 27 pouces dans l'experience de Toricelli, & de laquelle nous sommes convaincus par une infinité d'autres effets que nous voyons, je conçois encore une autre pression plus forte que celle-là, d'une matiere plus subtile que l'air, laquelle penetre sans difficulté le verre, l'eau, le mercure & tous les autres corps que nous voyons impenetrables à l'air. Cette pression étant ajoutée à celle de l'air est capable de soûtenir les 75 pouces de mercure & peut-estre encore davantage, tant qu'elle n'agit que contre la surface d'embas ou contre celle du mercure dans lequel trempe le bout ouvert du tuyau: Mais aussi-tost qu'elle peut agir aussi de l'autre costé (ce qui arrive lors qu'en frappant contre le tuyau ou en y faisant entrer une petite bulle d'air, on donne moyen à cette matiere de commencer son effet) sa pression devient égale des deux costez, de sorte qu'il n'y plus que la pression de l'air qui soustient le mercure à la hauteur ordinaire de 27 pouces. Par la même raison il arrive dans l'experience de l'eau purgée d'air, qu'aprés qu'on a osté la pression de l'air en vuidant le recipient B, cette autre pression de la même matiere agit encore comme auparavant sur la surface de l'eau du verre D, & empêche ainsi l'eau qui est dans la phiole C, de descendre: Mais lors qu'il entre la moindre bulle d'air dans cette phiole, la matiere que je viens de dire qui passe au travers du verre & de l'eau, enfle subitement cette bulle, & faisant une pression égale à celle qui agit de l'autre costé sur la surface de l'eau du verre D, toute l'eau de la phiole s'écoule & se met de niveau avec celle qui est dans le verre.

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On demandera pourquoy l'eau suspenduë dans la phiole C, & le mercure dans le tuyau de M. Boyle, ne sentent point la pression de cette matiere, même pendant que ces vaisseaux sont encore pleins, puis que j'ay supposé qu'elle penetre sans difficulté le verre aussi bien que l'eau & le mercure? Et pourquoy les particules de cette matiere, ne se mettent pas ensemble & ne commencent pas la pression, puis qu'elles vont & viennent par toute l'estenduë de l'eau & du mercure & que le verre n'empêche point leur communication avec celles de dehors? Pour satisfaire à cette difficulté, qui en effet est fort grande, l'on peut dire que quoyque les parties de la matiere que j'ay supposée, trouvent passage entre celles qui composent le verre, l'eau, & le vif argent; elles n'y en trouvent pas d'assez larges pour passer plusieurs ensemble, n'y pour s'y remuër avec la force qu'il faut pour faire écarter les parties du vif-argent ou de l'eau qui ont quelque liaison ensemble. Et cette même liaison fait que bien que du costé de la surface interieure du verre qui touche l'eau ou le mercure suspendu, plusieurs de leurs parties soient pressées par des particules de cette matiere, toutefois comme il y en a aussi une grande quantité qui ne sentent point de pression à cause des parties du verre derriere lesquelles elles se trouvent placées; les unes retiennent les autres, & toutes demeurent suspenduës à cause qu'il y a beaucoup moins de pression sur la surface de l'eau ou du vif argent qui est contiguë au verre, que sur celle d'embas qui est toute exposée à l'action de la matiere qui fait cette seconde pression. J'avoüe que la solution que je viens de donner, ne me satisfait pas si pleinement qu'il ne me reste encore quelque scrupule; mais cela n'empeche pas que je ne me tienne tres assuré de la nouvelle pression que j'ay supposée outre celle de l'air, tant à cause des experiences cy-dessus rapportées, qu'à cause de deux autres que vous allez voir. V. Experience. Deux plaques polies de metail demeurent fortement attachées dans le vuide sans qu'il y ait rien entre deux. Quand deux plaques de métail ou de marbre, dont les surfaces sont parfaitement planes, sont appliquées l'une sur l'autre, elles se tiennent en sorte que celle de dessus estant élevée, celle de dessous la suit sans la quitter: & l'on en attribuë la cause avec raison à la pression de l'air contre leurs deux surfaces externes. J'ay deux plaques dont chacune n'a qu'environ un pouce en quarré, qui sont de la matiere dont on faisoit anciennement les miroirs, & qui se joignent si bien ensemble, que sans mettre rien entre deux, celle de dessus soûtient non seulement l'autre, mais quelquefois encore trois livres de plomb attachées à celle de dessous, & elles demeurent en cet état aussi long-temps que l'on veut. Les ayant ainsi jointes & chargées de trois livres, je les ay suspenduës dans le recipient de ma machine, & j'en ay vuidé l'air jusqu'à ce qu'il n'y en restast pas assez pour soutenir, par sa pression, seulement un pouce de hauteur d'eau: & neantmoins mes plaques ne se sont point separées. [ T. 19, p. 332, figuur: 2 plaatjes met haken. Zie J. C. Scaliger over twee koperplaatjes van Dürer, in Beeckman, Journal, T. 1, p. 281, en Zucchi over een koperplaatje op een marmeren tadelblad hier.]

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J'ay fait aussi la même experience en mettant de l'esprit de vin entre les deux plaques, & j'ay trouvé que dans le recipient vuidé d'air elles soutenoient, sans se separer, le même poids, que lors qu'il estoit plein d'air. Il me semble que cela marque assez clairement qu'il faut qu'il reste une assez grande pression dans le recipient aprés que de l'air en est ostée, & qu'il n'y a pas plus de raison de la revoquer en doute, que la pression de l'air même. Mais voicy pour la confirmer encore davantage. VI. Experience. L'effet du siphon se fait dans la vuide. Vous sçavez que l'effet du siphon à jambes inégales, par lequel on vuide l'eau d'un vaisseau par dessus ses bords, ne s'attribue plus à la fuite du vuide, mais au poids de l'air qui pressant sur la surface de l'eau du vaisseau, la fait monter dans le siphon, pendant que de l'autre costé elle descend par sa pesanteur. J'ay trouvé moyen de faire couler l'eau du siphon aprés que le recipient étoit vuide d'air, & j'ay vû qu'avec de l'eau purgée d'air il faisoit son effet de même que hors du recipient. La plus courte des jambes du siphon étoit de huit pouces; & l'ouverture, de deux lignes. Et il ne faut pas revoquer en doute si le recipient a esté bien vuidé d'air, car je puis m'en assurer, tant parce que je vois qu'il ne sort plus aucun air par la pompe, que par d'autres marques encore plus certaines. C'est donc encore icy une confirmation de nostre hypothese d'une matiere pressante plus subtile que l'air. Que si l'on se donne la peine de chercher jusqu'à quel point monte la force de cette pression, ce qui ne se peut mieux faire qu'en poursuivant l'experience avec des tuyaux pleins de mercure encore plus longs que ceux dont M. Boyle s'est servy, l'on trouvera peut-estre que cette force est assez grande pour causer l'union des parties du verre & d'autres sortes de corps, qui tiennent trop bien ensemble pour n'être jointes que par la contiguité & par le repos, comme a voulu M. Descartes. [ Cf. T. XIX, p. 214, 242.] Alice Stroup, 'Christiaan Huygens & the Development of the Air Pump', Janus 68 (1981) 129-158. Chr. Huygens, Discours de la cause de la pesanteur, 1690, p. 457:
une matiere invisible qui pese là où il n'y a point d'air; puis qu'elle y soutient l'eau suspendue dans un tube de verre, dont le bout ouvert est plongé dans d'autre eau.
Too simple is the explanation with water vapour and defective pumps: Michael Nauenberg, 'Solution to the long-standing puzzle of Huygens' "anomalous suspension"', in Archive for History of Exact Sciences, 69 (2015), p. 327-341.
To support the weight of a 4-foot column of airless water, including the effect of water vapor, requires a residual air pressure greater than .15 of atmospheric pressure which evidently must have been the limit reached by the early rudimentary vacuum pumps.
(Vapour pressure of water: 6 cm H2O at 0 °C; 12 cm at 10 °C; 23 cm at 20 °C.) Huygens with his first air pump drew purged mercury to "een halven duijm of weijnigh min" (a half inch or a little less) above level (T. 17, p. 327), that is about 15 cm H2O; and purged water to an inch above level (maybe at a temperature of about 10 °C) and he had found that tepid water descends lower than cold water. Nauenberg did an experiment with purged water, but it is not persuasive enough for his 'solution' (or rather blowing up) of the puzzle: he used only "water previously boiled to release some of the dissolved air", but Huygens had his water purged for a whole day, "Had het noch een dagh te purgeren gestaen" (p. 325). In note 9 Nauenberg says without commentary: "Claims were also made for anomalous suspension of mercury, e.g., Boyle and Brouncker reported that well-purged mercury would stand at a height of 52 in. without using an air-pump (Shapin and Schaffer 1985d, p. 254)." T. 4, p. 439-440: Boyle kept mercury suspended at 75 inch, in a thin tube. Precise remark in a beautiful essay about a complex subject: Harvey R. Brown, 'The theory of the rise of sap in trees: some historical and conceptual remarks', arXiv (2014), p. 15:
In 1661, Christian Huygens realised that water could exist metastably at a pressure lower than vapour pressure. Aware of Huygens' discovery, Robert Boyle in 1663 showed that mercury could stick to the glass in a barometer and support a tension of two atmospheres. These phenomena were known to Thomas Young and Pierre-Simon Laplace, who independently at the start of the 19th century were to develop theories of surface tension and cohesion of liquids.66) M. F. Donny's 1846 experiments and observations on the tensile nature of liquids were similar to those of Huygens and Boyle, but it seems Donny was unaware of these precedents. In fact the history of the science of liquids under negative pressure appears to be one of repeated rediscovery.67) 66) For an account of their work, particularly related to capillarity, see Rowlinson (2002). 67) Details of the early work in the field can be found in Kell (1983).
- T. Young, 'An essay on the cohesion of fluids', Phil. Trans. 95 (1805) 65-87. - P.-S. Laplace, 'Sur la théorie des tubes capillaires', Jour. Physique 62 (1806) 120-8, Oeuvres, t. xiv (1912), 217-227. - Idem, 'Supplément au 10me livre du Traité de mécanique céleste. Sur l'action capillaire', 1806 (W). - M. F. Donny, 'On the cohesion of liquids and their adhesion to solid bodies', Philosophical Magazine Series 3, 28: 187 (1846), 291-294. - George S. Kell, 'Early observations of negative pressures in liquids', in American Journal of Physics 51 (1983), 1038-1041. (Abstract). - J. S. Rowlinson, Cohesion. A Scientific History of Intermolecular Forces (2002, 2005), p. 83. [ Other work of Harvey R. Brown (& Simon Saunders) in: The Philosophy of Vacuum, 1991 (contents), 2002.]

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