COULOMB (C. A.)


COULOMB (C. A.)
COULOMB (C. A.)

Charles Augustin Coulomb est l’une des personnalités les plus marquantes de l’histoire des sciences et des techniques. Ses travaux ont contribué à une meilleure connaissance des phénomènes de l’électricité, du magnétisme et de la mécanique appliquée à l’étude des frottements et des torsions.

Il peut être considéré comme l’un des plus grands ingénieurs du XVIIIe siècle en Europe. L’apport de Coulomb à la physique est bien résumé dans l’éloge que Biot a fait de lui: «C’est à Borda et à Coulomb que l’on doit la naissance de la véritable physique en France, non pas de la physique verbeuse et hypothétique, mais de cette physique ingénieuse et exacte qui observe et compare tout avec rigueur.»

Le grand commis et le savant

Charles Augustin Coulomb est né à Angoulême le 14 juin 1736. Adolescent, il suivit à Paris les cours du collège Mazarin et du Collège de France avec le désir de devenir mathématicien. Henry Coulomb, son père, était devenu, après une carrière militaire, inspecteur des Domaines du Roi, mais des revers financiers l’obligèrent à retourner à Montpellier où la famille Coulomb avait joué un rôle important. Charles l’y suivit et devint, en 1757, membre adjoint de la Société des sciences de cette ville. Admis en février 1760 à l’école du génie de Mézières, il en sortit en novembre 1761 avec le grade de «lieutenant en premier» dans le corps du génie. Son premier travail important d’ingénieur militaire fut, de 1764 à 1772, la construction, à la Martinique, du fort Bourbon, qui devait protéger l’île contre la flotte anglaise. Les terribles conditions de travail qui y régnaient et plusieurs graves maladies qu’il y contracta rendirent sa santé précaire pour le restant de sa vie. Après son retour en France, il servit successivement, entre 1773 et 1781, à Bouchain, Cherbourg, Besançon, Rochefort et Lille.

En 1773, sur la base d’un important mémoire de mécanique appliquée, il fut admis à l’Académie des sciences comme correspondant de Charles Bossut. Son mémoire avait pour titre: Sur une application des règles de maximis et de minimis à quelques problèmes de statique relatifs à l’architecture .

En 1777, il obtint le premier prix de l’Académie des sciences pour un mémoire intitulé Recherches sur la meilleure manière de fabriquer les aiguilles aimantées . En poste à Rochefort en 1779, Coulomb poursuivit une longue série d’expériences sur les frottements, qui lui permirent d’établir une théorie des frottements, ce qui lui valut en 1781 un nouveau premier prix de l’Académie des sciences et son élection à cette société en décembre de la même année avec le titre de mécanicien adjoint. À cette époque, il était en poste à Paris. En raison de sa renommée d’ingénieur et parce qu’il appartenait à l’Institut, les fonctions militaires de Coulomb devinrent purement consultatives, et il garda son poste officiel à Paris jusqu’à sa démission en 1791 (il avait alors le grade de lieutenant-colonel). Entre 1773 et 1806, Coulomb fit à l’Institut la lecture de trente-deux mémoires scientifiques, dont les fameux sept mémoires sur l’électricité et le magnétisme, entre 1785 et 1791. Ses talents et son ardeur à accomplir certaines tâches que lui avait confiées l’Institut lui valurent, en juillet 1784, le poste héréditaire d’intendant des Eaux et Fontaines. Cette fonction le rendait responsable du contrôle et de l’administration de tous les aqueducs, pompes, fontaines et conduites d’eau des domaines royaux. Son dernier poste dans la fonction publique fut celui d’inspecteur général de l’Instruction publique, qu’il occupa de 1802 à sa mort. Il joua un rôle important dans la mise en place du système français des lycées. Il mourut à Paris le 23 août 1806.

L’ingénieur

Précédant ses recherches en physique, les travaux de Coulomb en tant qu’ingénieur l’avaient amené à publier des mémoires fondamentaux sur la résistance des matériaux (rupture de poutres et de pieux en maçonnerie), la mécanique des sols et la théorie des frottements. Il fut l’un des premiers à appliquer le calcul des variations à des problèmes pratiques.

Dans un mémoire sur la flexion des poutres, il présenta la première étude correcte de l’état d’équilibre de celles-ci. Il étudia scientifiquement la mécanique des sols en développant une théorie générale des plans de glissement qui est encore valable de nos jours. Considérant le cas d’un massif de terre homogène et supposant les forces de résistance au cisaillement dues à la cohésion (résistance au cisaillement quand la charge est nulle) et aux frottements internes, Coulomb établit une formule donnant l’angle 﨏 de rupture correspondant à l’effondrement d’un mur de soutènement. Cette relation, S=C+ 靖tg 﨏, dans laquelle S est la résistance au cisaillement du massif, 靖 la pression appliquée normalement à la surface de glissement, est connue aujourd’hui sous le nom d’équation de Coulomb [cf. FROTTEMENT].

Autre sujet que Coulomb étudia avec le plus grand intérêt: la question de l’efficience et du rendement dans le travail; il apporta, dans le domaine de l’ergonomie, l’une des contributions les plus remarquables avant celle de l’Américain F. W. Taylor, un siècle plus tard. Les prédécesseurs de Coulomb en ce domaine avaient fait des expériences sur des hommes et sur des animaux pendant de très brèves périodes, obtenant ainsi des résultats très exagérés quant à la productivité. Coulomb étudia de façon réaliste différents paramètres du travail et établit la distinction entre le rendement utile (des machines) et le rendement des «machines» vivantes, dépendant de la fatigue. Il découvrit également l’influence bénéfique sur le rendement global de fréquentes périodes de repos dans certains travaux, et fixa à 7 ou 8 heures la durée maximale souhaitable du travail quotidien pour des travaux de force, à 10 heures pour les autres travaux. Il fournit la première étude réelle des aspects pratiques de l’allocation du travail. Il mena parallèlement des études sur l’efficacité des moulins à vent et à eau. La plupart des travaux de Coulomb en génie mécanique restèrent à peu près inconnus jusqu’à leur utilisation au XIXe siècle par Prony, Young et Poncelet, entre autres.

Dans son mémoire (1781) intitulé Théorie des machines simples en ayant égard au frottement de leurs parties et à la raideur des cordages (Paris, 1809-1821), Coulomb étudie à la fois le frottement statique et le frottement dynamique entre deux surfaces de glissement et le frottement dans le cintrage des cordes et leur enroulement.

À partir de l’examen de nombreux paramètres physiques, il développe une série d’équations à deux termes, le premier étant une constante, le second une variable du temps, de la force normale, de la vitesse et de quelques autres paramètres. Il montre que, d’une façon générale, il existe une relation approximativement linéaire entre les frottements et les forces normales à la surface de glissement, mais que cette relation varie d’un matériau à un autre, de l’état statique à l’état dynamique, et même avec la vitesse du mouvement. Les recherches de Coulomb sur le frottement restèrent la référence théorique et pratique pendant un siècle et demi, jusqu’à l’apparition au XXe siècle des études du frottement à l’échelle moléculaire.

Une monographie récente sur l’histoire du frottement juge «exceptionnelle» la contribution de Coulomb à cette science. On peut dire que c’est lui qui l’a réellement créée.

Le physicien

Après avoir reçu le prix de l’Académie en 1777, Coulomb vit adopter son compas magnétique suspendu à couple de torsion par l’Observatoire de Paris, qui lui demanda de résoudre les problèmes apparemment insolubles de la déclinaison magnétique des instruments. Il entreprit donc d’autres recherches sur la torsion et présenta en 1784 les résultats obtenus. Il décrivit le pendule de torsion dont il ébaucha les applications possibles à l’étude et à la détermination quantitatives des relations de forces dans divers domaines de la physique: électricité, magnétisme, résistance des fluides et propriétés élastiques de la matière. Les bases réelles de la théorie de l’élasticité seront établies par Navier, Poisson et Cauchy dans les premières décennies du XIXe siècle. Coulomb ne s’attaqua jamais aux problèmes généraux de l’élasticité, mais la solution simple et élégante qu’il apporta aux problèmes de torsion dans les cylindres, son invention du pendule de torsion et les applications qu’il en fit guidèrent les nouveaux physiciens. Son équation sur la force résistante du couple de torsion dans les cylindres fins (ou, comme il l’écrivait, du moment de la force de torsion) est M = 猪d 4/l , où M est le couple de rappel, 猪 une constante (le coefficient de rigidité), l’angle de torsion, et d et l respectivement le diamètre et la longueur du cylindre. En même temps, Coulomb établit une théorie fondée sur des mesures expérimentales, qui tenait compte à la fois des régions linéaires et non linéaires de torsion dans différents matériaux ayant été soumis auparavant à des contraintes élastiques différentes.

Coulomb est surtout connu aujourd’hui pour ses travaux sur l’électricité et le magnétisme, qui marquèrent une étape majeure de l’histoire de ces deux sciences. Il s’efforça d’étendre la conception newtonienne des forces centrales attractives et répulsives aux domaines de l’électricité et du magnétisme. Il devenait alors nécessaire de remplacer les anciennes théories de l’électricité atmosphérique et du tourbillon magnétique par l’hypothèse newtonienne de l’action à distance de toutes les particules les unes sur les autres. Dans sa célèbre série de sept mémoires (1785-1791), Coulomb détermina les lois quantitatives d’attraction électrostatiques et magnétiques; on les connaît dans la terminologie moderne sous les formes:

où F est la force s’exerçant entre deux charges électriques q 1 et q 2 (ou deux pôles magnétiques m 1 et m 2) séparées par une distance r , et où K est une constante. Coulomb vérifia expérimentalement ces lois de façons diverses, mais toujours à l’aide du pendule de torsion. Dans des études plus poussées, il introduisit la notion de «masse électrique», étudia les déperditions de charges électriques et leur distribution à la surface des conducteurs. En magnétisme, il introduisit l’idée de champ démagnétisant et celle du magnétisme dû à la polarisation moléculaire.

Coulomb développa une théorie dite «de deux fluides électriques, l’un positif et l’autre négatif, et de deux fluides magnétiques» pour expliquer nombre de phénomènes électrostatiques et magnétiques. Il est généralement admis qu’il fut le principal responsable de la diffusion de cette théorie dans le monde scientifique. Il appliqua la théorie des deux fluides dans ses travaux, mais déclarait le faire uniquement en vue de présenter, «avec le moins d’éléments possible, les résultats du calcul et de l’expérience, et non d’indiquer les véritables causes». Il établit clairement l’équivalence mathématique des théories fondées sur un fluide ou sur deux fluides, mais ses contemporains ne le suivirent pas, et la théorie des deux fluides domina l’histoire de l’électricité et du magnétisme pendant plusieurs décennies.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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