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La machine de Huygens – partie 1 : une courte biographie

 

En septembre 1673, le Néerlandais Christian Huygens présente à ses confrères de l’Académie royale des sciences un dispositif destiné à soulever de lourdes charges faisant appel à l’explosion de la poudre à canon et à la pression atmosphérique.

Malgré un défaut qui apparaît dès sa mise en œuvre, cet appareil initie sur le plan technologique une série d’innovations qui conduisent neuf décennies plus tard à la conception de la machine à vapeur du Britannique James Watt. Intellectuellement, il est conçu peu après une controverse sur la possibilité de faire le vide qui aura duré plus de vingt ans.

Le « soufflet-baromètre » de Pascal

La controverse qualifiée de « querelle du vide » par les historiens des sciences prend naissance au milieu des années 1640, lorsque des savants italiens s’efforcent de comprendre l’impossibilité d’élever l’eau des fontaines au-delà d’une certaine hauteur1. Après l’expérience de Torricelli en 1644, elle voit s’affronter les « plénistes » – soutenant l’impossibilité du vide – aux « vacuistes » qui sont convaincus du contraire. En France, le philosophe et mathématicien Blaise Pascal appartient au deuxième camp. Pendant plusieurs années, il contribue à réfuter « l’horreur du vide » à travers des expériences variées qu’il interprète par les effets de la pesanteur de l’air sur les corps et aux différences de pressions.

Un des protocoles imaginés par Pascal consiste à replier un petit soufflet de trois pouces de diamètre (env. 8 cm), dont il obture ensuite les ouvertures avec soin, avant de fixer une des ailes à la poutre d’un plafond2. La pression étant la même à l’intérieur et à l’extérieur du soufflet (il contient toujours un peu d’air), il est presque impossible de l’ouvrir manuellement3. Sur l’aile libre – donc non fixée – est ensuite accrochée une longue chaîne qui déploie le soufflet par l’action de son poids et s’enroule partiellement au sol. D’après Pascal, les fluctuations journalières de la pression atmosphérique devraient être perceptibles par la variation de longueur de la hauteur de la chaîne, ce qui fait de son installation une sorte de baromètre4. Si la pression atmosphérique augmente, l’air appuie sur l’aile mobile du soufflet qui tire légèrement la chaîne vers le haut. Il se produit l’inverse lorsque la pression diminue. Si ce dispositif n’est peut-être qu’une expérience de pensée, il indique qu’une différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur d’un récipient est susceptible d’engendrer un mouvement. Et là se trouve le principe dont s’inspire la machine de Huygens.

Christian Huygens

Christian (ou Christiaan) Huygens naît à La Haye en 1629 dans une famille protestante5. Il est le fils de Constantin Huygens et Suzanne Van Baerle qui auront cinq enfants. Le père est un diplomate au service de la famille d’Orange durant la guerre contre l’Espagne. Il est aussi poète et entretient une correspondance soutenue avec les intellectuels d’Europe, parmi lesquels René Descartes. Suzanne est une femme cultivée dont on sait peu de choses, sinon qu’elle possède des talents pour l’écriture et le dessin. Elle décède des suites d’une longue et mystérieuse maladie alors que Christian n’a que huit ans. Adolescent, celui-ci montre de grandes qualités pour la musique, les langues et le dessin, mais présente surtout d’excellentes aptitudes en mathématiques, ce que son père encourage. Les proches de Christian voient en revanche d’un œil plus circonspect son intérêt pour les machines, tels que les petits moulins à vent qu’il conçoit et perfectionne. Mais théorie et pratique iront souvent de pair chez Huygens.

En 1645 (il a 16 ans), Christian Huygens reformule les travaux d’Archimède sur les corps plongés dans un liquide. Dans un ouvrage sur les collisions, il formule la même année la conservation de la quantité de mouvement et montre que la somme des masses des solides multipliées par les carrés de leurs vitesses ne varie pas lors d’un choc entre sphères dures (ce qui préfigure la conservation de l’énergie cinétique pour les collisions élastiques)6. En étudiant les mouvements circulaires, Huygens établit ensuite la proportionnalité entre ce qu’il nomme vis centrifuga – ou “force” centrifuge – et la formule , où v est la vitesse et r le rayon du cercle parcouru7. Au printemps 1655, à l’aide d’une lunette astronomique conçue avec son frère Constantin, Christian découvre une lune gravitant autour de Saturne, plus tard nommée Titan. Un an après, il constate que les étranges excroissances – semblables à une paire d’oreilles – que Galilée avait observées de part et d’autre de Saturne sont en réalité les bords d’un « anneau plat et mince qui nulle part ne la touche »8. Ces deux découvertes majeures faites à un an d’intervalle contribuent à le faire connaître dans toute l’Europe. Comme Pascal et Fermat avant lui, Huygens se penche ensuite sur les questions soulevées par les jeux de hasards et définit notamment la grandeur mathématique aujourd’hui nommée « variance ».

Huygens doit aussi sa célébrité à la fiabilité et la précision de ses horloges, alors qu’on cherche un moyen pour déterminer la longitude en mer (en mesurant le décalage horaire avec le port d’origine). Pour cela, il procède en 1659 au couplage entre le mécanisme d’une horloge et un balancier (ou pendule), suivant une idée proposée par Galilée. De cette façon, le balancier assure la régularité du mécanisme qui, en retour, entretient le mouvement du balancier. Ses réflexions sur la chute des corps et les oscillations conduisent ensuite Huygens à déterminer une trajectoire dite « tautochrone » : un pendule contraint de parcourir une portion de cycloïde inversée conserve une période constante quelle que soit l’amplitude de son mouvement, ce qui contribue, là aussi, à assurer la régularité des horloges9. Après la première estimation par l’astronome Römer en 1676 de la vitesse de la lumière – laquelle ne se déplace donc pas instantanément – Huygens émet l’hypothèse que celle-ci résulte de la propagation d’ondes sphériques et non d’un déplacement de corpuscules comme l’affirmait Newton10. Son modèle lui permet de retrouver non seulement les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière, mais également de proposer une première interprétation du phénomène de double réfraction par le cristal d’Islande (alors que les notions de polarisation et de milieux anisotropes ne sont pas connues). Pour finir, signalons que Huygens établit peu avant Newton que la Terre doit être aplatie aux pôles en raison de sa rotation sur elle-même.

Dans sa jeunesse, Huygens effectue des séjours dans plusieurs pays d’Europe, en particulier en France et en Angleterre. À Paris, où il se rend en 1655, 1660 puis 1663, il côtoie de nombreux intellectuels et savants, tels que Blaise Pascal ou les mathématiciens et futurs membres de l’Académie royale des sciences, Gilles Personne de Roberval, Adrien Auzout et Pierre de Carcavy. En 1661, à Londres, Huygens assiste à la Royal Society aux premiers essais de la pompe à air de Robert Boyle, dispositif complexe et extrêmement coûteux destiné à étudier les propriétés du vide (plus exactement, de l’air raréfié). De retour aux Pays-Bas, il en conçoit plusieurs versions qu’il estimera meilleures que celles de ses collègues britanniques11.

Le rayonnement de Huygens parmi les savants européens finit par susciter l’intérêt de Colbert qui, après l’avoir présenté à Louis XIV, lui propose en 1663 de faire partie de l’Académie royale des sciences qu’il est sur le point de fonder12. Selon une pratique qui n’a plus cours, chaque académicien recevait un traitement annuel d’environ 1 200 livres, à condition de résider dans la capitale et d’être présent lors des assemblées. Huygens est pour sa part recruté à prix d’or puisqu’il percevra 6 000 livres par an et occupera à titre gracieux le plus grand appartement de la Bibliothèque du roi (actuel site Richelieu de la Bibliothèque nationale de France)13. C’est aussi là, rue Vivienne, que se déroulent les séances de l’Académie royale des sciences dont la première se tient le 22 décembre 1666.

Les registres des procès-verbaux des séances de l’Académie des sciences permettent de connaître les contributions de Huygens de 1667 à 1669 puis de 1674 à 1684, avec une déficience entre ces deux périodes14. En voici quelques-unes. Les premiers mois, Huygens présente à ses collègues académiciens diverses méthodes pour déterminer les coordonnées astronomiques des étoiles. Il les fait suivre par trois mémoires de mathématiques, le premier sur l’utilisation des logarithmes, les deux suivants rédigés en latin concernant les minima et les maxima puis la détermination des droites tangentes aux courbes mathématiques15. En avril et mai 1668, selon un programme qu’il a proposé à Colbert (peut-être entre 1663 et 1666), Huygens réalise des expériences sur le vide avec ses confrères de l’Académie, après leur avoir décrit en détail le principe de sa pompe à air. L’année suivante, il propose et teste des dispositifs destinés à mesurer la « force mouvante » de l’eau ou de l’air et participe aux réflexions de l’Académie sur les causes de la pesanteur. De 1674 à 1680, enfin, Huygens présente sa théorie sur la nature ondulatoire de la lumière, fait la démonstration d’un microscope qu’il a rapporté des Pays-Bas et rédige trois mémoires de mathématiques, notamment sur les sections coniques et les épicycloïdes.

Mais Huygens oscille entre des périodes de travail intense et des épisodes de profondes mélancolies qui l’épuisent et le contraignent au repos. En 1681, son état de fatigue est tel qu’il décide de retourner à La Haye où il reste plusieurs années. Il en profite pour reprendre ses écrits sur la lumière, améliorer ses horloges (dont une qu’il construit de ses mains) et concevoir pour Louis XIV un mécanisme sophistiqué reproduisant les mouvements des planètes en accord avec les lois de Kepler. Mais lorsqu’il décide de revenir en France en 1683, Colbert vient de mourir et c’est en vain que Huygens sollicite une autorisation pour rejoindre ses collègues académiciens. Louvois, le nouveau Premier ministre, ne répondra jamais à ses lettres et Huygens ne siégera plus à l’Académie royale des sciences. Il continuera de correspondre avec ses confrères parisiens et retournera plusieurs fois en Angleterre, mais jamais en France où les protestants sont désormais interdits. Lorsqu’il s’éteint en 1695, Huygens laisse derrière lui une œuvre considérable et de nombreuses inventions. C’est à une des moins célèbres d’entre elles que nous consacrons la suite de cet article.

Marc Kefer
Chargé de valorisation des archives de l’Académie des sciences


Crédit

Illustration mise en avant : Archives et collection patrimoniale de l’Académie des sciences.

  1. Mazauric S., « Crise de la physique au XVIIe siècle et la querelle du vide », Raison présente, 1999, 131, pp. 13-30. []
  2. Il existait plusieurs valeurs pour le pouce. Faute de connaître de quel « pouce » il s’agit, nous prendrons 1 pouce = 2,7 cm, valeur déduite de la toise du Châtelet (utilisée certes au siècle suivant), sachant que 1 toise = 1,95 m = 6 pieds et 1 pied = 12 pouces. []
  3. Un calcul simple montre qu’il faudrait exercer une force de l’ordre de 500 N pour déployer le soufflet, soit le poids d’une masse d’environ 50 kg. Pascal utilise une chaîne de 120 livres (env. 54 kg si 1 livre = 0,45 kg) et indique que le soufflet cesse de s’ouvrir lorsque la partie verticale des maillons est de 113 livres, ce qui correspond bien à environ 50 kg. []
  4. Une ouverture angulaire du soufflet de 60° correspond à un abaissement (donc un raccourcissement) d’environ 5 cm de la partie verticale de la chaîne. Compte tenu de cette faible amplitude, à aucun moment il ne peut y avoir 120 livres de maillons suspendus au soufflet. Si on suppose que le soufflet est fixé sous une poutre à 2 m du sol, la partie verticale de la chaîne doit en effet avoir une masse d’environ 115 livres (5 livres étant déjà enroulées sur le sol). []
  5. Andriesse C. D., Christian Huygens, Paris, Albin Michel, 1993 (1998 pour la version française), 441 p. []
  6. La notion d’énergie n’émergera qu’au XIXe siècle. []
  7. Aujourd’hui, on parle de force centripète ou « normale », dirigée vers le centre du cercle. []
  8. Cité par : Andriesse C. D., Christian Huygens, Paris, Albin Michel, 1993 (1998 pour la version française), p. 149. []
  9. Une cycloïde est la courbe décrite par la valve d’une roue d’un vélo en mouvement rectiligne uniforme dans le référentiel terrestre. []
  10. Huygens suppose que cette propagation consiste dans la perturbation des particules qui constituent l’éther, fluide invisible supposé remplir tout l’espace. Notons qu’il a une approche atomiste à propos d’un fluide initialement défini comme continu. []
  11. Shapin S., Schaffer S., Léviathan et la pompe à air. Hobbes et Boyle entre science et politique, Paris, Éditions la découverte, 1993, 468 p. []
  12. Stroup A., « Christian Huygens et l’Académie royale des sciences », La vie des sciences, 1996, 13 (4), pp. 33-341. []
  13. Selon https://convertisseur-monnaie-ancienne.fr/, 1 200 livres en 1666 correspondraient à environ 27 800 € aujourd’hui, soit l’équivalent d’un salaire mensuel de 2 200 €. Huygens aurait ainsi reçu 133 700 € par an, donc l’équivalent de 11 140 € chaque mois. []
  14. Le Pôle archives et collection patrimoniale de l’Académie des sciences conserve les registres des procès-verbaux de décembre 1666 à décembre 1669 et de janvier 1674 à août 1793. Pour une raison à ce jour inconnue, il n’existe pas de registres pour la période comprise entre janvier 1670 et décembre 1673. []
  15. « Lettre n° 1568 », Œuvres complètes de Christian Huygens publiées par la Société hollandaise des sciences. Tome sixième. Correspondance 1666-1669, La Haye, M. Nijhoff, p. 95. []

OpenEdition vous propose de citer ce billet de la manière suivante :
Marc Kefer (13 mai 2025). La machine de Huygens – partie 1 : une courte biographie. Vie des sciences. Consulté le 10 mai 2026 à l’adresse https://doi.org/10.58079/13wys


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