MÉCANIQUEHistoire de la mécanique

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La mécanique classique

On peut appeler classique la mécanique issue des grandes œuvres ci-dessus évoquées. C'est elle qui jusqu'à une époque toute récente faisait le fond de l'enseignement. Telle qu'elle s'enseignait cependant, elle résultait encore d'une maturation étendue sur l'ensemble du xviiie et du xixe siècle.

Il serait chimérique de vouloir rendre compte de cette maturation d'une manière à la fois brève et exhaustive : elle est liée étroitement au progrès des mathématiques, puis à celui de toutes les sciences physiques, et une part très importante de son histoire appartient aux interactions devenues fréquentes entre théorie et technique. L'histoire à grands traits doit choisir plus encore que précédemment, pour un schéma compréhensif.

Quelques noms en fixent l'essentiel. En premier lieu celui de D'Alembert (1717-1783). Auteur d'un Traité de dynamique original (1743), ce fut aussi le directeur des articles scientifiques de l'Encyclopédie et il exerça à ce titre une influence considérable au-delà du public savant spécialisé ; d'Alembert a assisté aux débats provoqués par la diffusion du système de Newton et par l'attraction universelle, cette action à distance qui supplante l'action de contact et prétend néanmoins au réalisme. Sa conviction s'est faite qu'à vouloir privilégier telle conception de la force en fonction de la qualification de réalisme, on s'engage dans des querelles de mots. L'analyse mathématique situe la querelle à un autre niveau : entre les formes différentielles et les formes intégrales des équations fondamentales du mouvement, quelles sont celles qu'il vaut mieux choisir pour base ? D'Alembert opte résolument pour les premières parce qu'elles lui paraissent les plus aptes à remplir un programme logique de grande importance. Le mouvement est le seul phénomène visible tandis que la « causalité motrice » reste une abstraction ; la véritable science du mouvement doit bannir la considération d'entités obscures et métaphysiques, et la force doit rester une notion dérivée, un rouage intermédiaire ; c'est à cette condition que la mécanique partant du mouvement pour y revenir sera constituée homogène à son objet avec le minimum d'axiomes de base.

D'Alembert

Photographie : D'Alembert

Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783), l'un des mathématiciens et physiciens les plus importants du XVIIIe siècle, et aussi un philosophe marquant des Lumières. 

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Dans la ligne de ce programme difficile et ambitieux, l'auteur commet quelques faux pas, notamment celui qui consiste à méconnaître l'importance de la notion de masse et à mettre l'essentiel de la force dans l'accélération, mais il a le singulier mérite de dégager un principe auquel son nom restera attaché. À savoir qu'à l'échelle différentielle les relations entre les forces dans un système matériel ont toujours la même forme compensatrice, et que par conséquent dynamique et statique répondent à un même formalisme.

La mise en œuvre de ce principe demeure cependant délicate. D'Alembert ne l'illustrera guère que par l'oscillation des corps pesants et la rotation des corps autour de leur centre de gravité. C'est à Lagrange (1736-1813) que revient l'honneur d'avoir achevé la prise de possession mathématique d'une idée féconde.

Le nœud de cet achèvement n'appartient pas à la mécanique, mais au progrès de la géométrie différentielle. Dans un système matériel, les liaisons géométriques se traduisent par des équations entre déplacements infiniment petits qui ont la même forme que l'équation élémentaire d'équilibre du levier. Dès lors le passage entre loi d'équilibre en général et loi différentielle est établi, et la mécanique peut être présentée comme une branche de l'analyse mathématique.

Ces quelques mots suffisent pour faire comprendre la voie sur laquelle la Mécanique analytique de Lagrange engageait la science théorique. L'attrait que cette voie nouvelle exerçait sur l'Europe savante ne tenait pas seulement à la réduction de la théorie à des opérations algébriques assujetties à une marche « régulière et uniforme ». Des équations différentielles générales établies pour les systèmes matériels, l'intégration faisait naître des lois de conservation suggestives. Notamment celle qui permet, dans le cas où la pesanteur est la seule force active, de relier la variation de force vive (fonction constituée des produits des masses par le carré des vitesses), avec la variation de puissance (fonction constituée des produits des poids par les hauteurs de chute).

Première ébauche de la conservation de l'énergie, cette loi intégrale apportait à l'étude des fluides la confirmation théorique que plus d'un siècle de spéculation sur les machines hydrauliques avait préparée et désirée. Mais tandis que la mécanique scientifique la plus élaborée fleurissait ainsi en terre française, la révolution industrielle née en Angleterre provoquait le développement imprévu de toutes sortes de machines, multipliait le perfectionnement technique avec l'usage de sources d'énergie nouvelles.

Le fait que la France ait pris conscience de son infériorité industrielle sous la Restauration alors qu'elle était plus avancée en matière de mécanique spéculative n'est certainement pas indifférent à l'apport nouveau que les savants français ont donné vers 1830-1840. C'est en essayant de rendre rigoureuse l'analyse de Lagrange dans le cas de machines composées de pièces diverses en mouvement les unes par rapport aux autres, que Coriolis (1792-1843) a attiré pour la première fois l'attention sur le problème de la composition des accélérations. Un peu plus tard, vers 1851, Foucault (1819-1868), avec la célèbre expérience du Panthéon sur la rotation du plan d'oscillation du pendule et avec l'invention du gyroscope, achève de mettre en évidence l'importance du système de référence par rapport auquel la loi fondamentale de la mécanique doit être énoncée.

L'histoire doit donc prendre acte qu'il a fallu attendre le milieu du xixe siècle pour que ce qui paraît une évidence soit pris en considération, à savoir que dans la mesure où l'on suit la voie analytique ouverte par d'Alembert et où l'accélération est une pièce maîtresse de la science mécanique unifiée, il faut en même temps définir le repère par rapport auquel l'accélération est évaluée. Le développement des lois intégrales issues de la mécanique analytique et leurs applications en physique, notamment à la thermodynamique, ne sont probablement pas étrangers à ce retard. Mais, plutôt que de s'étonner, il convient d'admirer en cette seconde moitié du xixe siècle comment la perfection dernière donnée à la mathématisation de la mécanique classique marche de pair avec le progrès de l'énergétique et d'une nouvelle philosophie naturelle.

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Pour citer l’article

Pierre COSTABEL, « MÉCANIQUE - Histoire de la mécanique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 03 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/mecanique-histoire-de-la-mecanique/