1 de la vitesse aujourd'hui aux origines de la notion





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in La vitesse. Actes des 8ès Entretiens de la Villette, Centre National de Documentation Pédagogique, Paris, 1997, p. 15-31.
Histoire rapide de la vitesse

(le concept physique)§

par
Michel Paty#

1

de la vitesse aujourd'hui

aux origines de la notion



Il est banal de dire que notre époque est celle de la vitesse. Elle est aussi celle de beaucoup d'autres choses… Arrêtons-nous, cependant, un instant à cette omniprésence de la référence à la vitesse dans notre univers quotidien. Des mouvements pressés de l'homme d'affaires ou du ministre qui s'enfourne dans sa puissante limousine au spectacle du métro en début de matinée, aux gestes de l'usine (souvenons-nous de Charlot dans Les temps modernes) ou à ces images des fusées Ariane, Challenger ou Soyouz, prenant majestueusement leur envol dans le ralenti des caméras et filant comme l'éclair dans le ciel bleu, très vite perdues de vue.

La vitesse nous est familière, non pas seulement par la quotidienneté de ses manifestations dans notre vie, mais par le fait que nous savons associer à ces gestes, à ces mouvements, à ces rythmes, des notions que nous pouvons décrire avec la précision des nombres. Nous savons ce qu'est le concept physique de vitesse, exprimé par le rapport d'une distance à une durée ; nous lui attachons aussi bien une valeur moyenne (la vitesse d'un trajet) qu'une valeur instantanée (quand nous disons, par exemple, que le pilote d'une voiture de course fait une pointe à 300 km/h).

Cependant, nous n'avons pas pour autant une totale maîtrise de la notion de vitesse car, au-delà du domaine malgré tout restreint de notre expérience courante, nous imaginons difficilement les vitesses “astronomiques” des particules lancées dans les accélérateurs, proches de celle de la lumière. Et pourquoi, se demande-t-on, est-il impossible de dépasser la vitesse de la lumière ? Nous concevons intuitivement mal que deux vitesses qui se composent ne s'additionnent pas purement et simplement, comme Galilée l'avait si clairement montré dans ses Discours, dès lors qu'elles sont très grandes. Et pourtant, la physique nous enseigne que c'est le cas, que c'est facile à concevoir, et qu'il est même possible de développer une forme d'intuition adaptée à ces nouvelles réalités.

C'est que la physique et son histoire nous montrent, en fait, que la vitesse est une notion construite par la pensée humaine, pour rendre compte de propriétés du monde qui nous entoure. Cette construction pouvait paraître, à certains égards, soit naturelle (quand on y était habitués), soit arbitraire (par exemple, par ses définitions à l'aide de grandeurs mathématiques représentées sous forme de symboles et qui, en tant que telles, n'existent pas à proprement parler dans la nature). La physique et son histoire nous enseignent que cette construction est en réalité contrainte par une cohérence supérieure, qui peut obliger à la modifier quand cela s'avère nécessaire. C'est essentiellement ce que je voudrais montrer dans ce qui suit : construite et modifiable, la vitesse peut alors être considérée comme une grandeur qui est “vraie” dans son domaine de pertinence, que nous aurons, chemin faisant, balisé.

Nous verrons ainsi de quelle longue élaboration est issue cette notion qui nous est devenue - ou que nous croyons - familière, le concept physique de vitesse, et que sa construction, et ses applications, sont relatifs à des phénomènes bien définis et circonscrits, objets de l'approche scientifique. Mais nous savons aussi, par l'expérience commune de la vie quotidienne, que la vitesse dont on parle dans le langage courant ne s'identifie pas toujours ni nécessairement à ce concept très élaboré.

Et cependant, il y a un raccord nécessaire entre les deux. Dès que l'on s'interroge en profondeur sur la vitesse au sens du langage courant, on en vient, car la connaissance scientifique n'est pas étrangère à la connaissance commune et coupée d'elle, à concevoir la vitesse selon le contenu conceptuel que la physique en donne. D'un autre coté, avant la construction scientifique du concept de vitesse, quelque chose préexistait, sous la même dénomination ou non, qui correspondait à l'expérience que les hommes en avaient. C'est en ayant en vue cette “pensée du raccord”, indispensable à la culture scientifique, et pour la susciter, que je proposerai quelques remarques pour tenter de resituer d'une manière générale la notion de vitesse dans l'expérience et la pratique humaines.

La construction de concepts vient accompagner la prise de conscience d'une réalité éprouvée, et, dans le cas qui nous occupe, d'une expérience humaine antérieure très ancienne. Si le concept physique de vitesse est le fruit d'une longue élaboration qui a demandé du temps (plus de vingt siècles) avant qu'il ne nous soit présenté tel que nous le connaissons, il est certain que nous pouvons déceler dans la pensée consciente des êtres humains, très longtemps avant ces élaborations, une expérience diversifiée (et probablement multiple) de ce que nous appelons la vitesse.

Une histoire complète de la vitesse devrait parler aussi de cette origine : sans la richesse d'expériences vécues de ce que nous appelons “vitesse”, le concept n'aurait été ni pensé ni construit. Ce qui veut dire que notre concept de vitesse contient, de fait, toute cette expérience non formalisée, du moins cette expérience passée ensuite au filtre de la pensée rationnelle et critique. Il nous intéresserait aussi de savoir comment d'autres systèmes de pensée rendent compte de cette expérience d'une manière différente de celle que nous connaissons (ce qui nous renvoie à l'ethnologie et à l'histoire des sciences d'autres civilisations).

Que l'homme ait eu depuis très longtemps l'expérience de la vitesse comme une caractéristique du mouvement, nous pouvons l'imaginer sans mal. Nous en trouvons le témoignage dans les fresques et les bas reliefs des grottes de la préhistoire, qui donnent à voir dans les représentations d'animaux quelque chose du mouvement saisi au vol - fruit, indéniablement, d'une observation attentive de la succession des gestes. Certainement l'homme avait-il alors une notion pratique de la vitesse, par la plus ou moins grande rapidité requise pour rattraper les animaux à la course. Il est admirable qu'il ait su la retranscrire d'une manière aussi évocatrice sur les peintures rupestres. Cet art de la transposer dans la représentation symbolique, c'était déjà, d'une certaine manière, penser le mouvement et la vitesse.

On imagine que ce qui a dû venir d'abord dans la formation de l'idée de vitesse, c'est ce qui lui correspond dans l'action humaine comme réponse à une sollicitation extérieure (la proie qu'il faut attraper, voire l'émulation de la course comme épreuve initiatique), ou comme impulsion qui met en œuvre les potentialités du corps (la tension des muscles pour s'élancer, la marche plus ou moins rapide, la course, le bond). La notion de vitesse n'est qu'une abstraction par laquelle on formule une idée commune à tous ces actes, qui accompagne cette autre abstraction, le mouvement. Immobilité, mouvement, vitesse : trois notions, trois abstractions, qui vont ensemble, liées aux expériences primordiales.

Comment se créent les notions les plus communes, celles qui viennent des origines ? Les inventions surviennent au rythme des actes humains, qui accompagnaient alors étroitement les rythmes et les événements de la nature (les autres êtres, l'environnement, les astres). On peut inventorier différents niveaux où la vitesse est de tous temps impliquée, mais rien n'indique qu'ils répondaient à une notion unique comme aujourd'hui : il existait, plus probablement, des vitesses de tous les genres, correspondant à des situations qui n'étaient pas vraiment comparables (la séparation, à la Renaissance, entre mouvements naturels et violents peut, en un sens, être vue comme un résidu savant de telles distinctions).

Sans doute y eût-il - dans la diversité des cultures et des civilisations - des rapprochements, et peut-être un même mot exprima-t-il un même genre de mouvement, une même catégorie de vitesse, avec, dans l'une ou l'autre, une gamme de variations. La course : l'homme poursuivant le bison, le cerf, la gazelle. La marche : les déplacements des tribus nomades, la vitesse des légions romaines ; on aime à se représenter le lent déplacement des chariots lourds des rois fainéants, mais, en regard, la course rapide des chevaux des conquérants arabes, ou la mobilité des drakkars vikings… La chute (d'eau, de pluie, de grêle). Le lancer, selon une impulsion linéaire : flèches, javelots, projectiles divers tels que boulets, balles ; ou non linéaire : pierre de fronde, boomerang, etc. On considéra aussi les régularités, ou les irrégularités, constatées pour les mouvements des astres par les plus anciens astronomes (de l'observation des corps célestes vient la notion de mouvement uniforme).

Et encore l'estimation d'une relation entre durée et distance, dont il faut avoir le sens pour viser à la chasse. Le contraste entre l'instantanéité (de la lumière, conçue jusqu'au XVIIè siècle) et la propagation à vitesse finie (celle du son). La différence entre mouvements linéaire et circulaire, qui suppose une géométrie ; et les autres n'étant envisagés, dans la science euopéenne, qu'au XVIIè siècle, avec les ellipses dans l'astronomie de Képler et la parabole dans la balistique de Galilée. La distinction entre mouvements “naturels”, continus, et mouvements “violents”, discontinus…

Qu'est-ce qui fait qu'une flèche lancée dans l'air poursuit sa course, alors qu'elle est détachée de ce qui lui a donné le mouvement, et dénuée de support matériel ? Par-delà les paradoxes de Zénon d'Elée, la réflexion sur cet état de choses est à l'origine de la lente conceptualisation de la vitesse comme grandeur physique que nous allons maintenant esquisser. On n'oubliera pas non plus, à verser au dossier de l'assimilation de la vitesse dans la culture, au moins dès la période classique, la sagesse proverbiale qui renverse l'ordre de la comparaison des vitesses, attestant de son caractère de notion commune et “relative” : “Rien ne sert de courir, il faut partir à point”, fait observer, selon La Fontaine, à Jeannot Lapin la Tortue sentencieuse.

Terminons ces considérations préliminaires en évoquant une remarque de nature physiologique faite naguère sur la vitesse par Ernst Mach, à la suite d'expériences sur les sensations : l'organisme perçoit directement les changements de mouvement (c'est-à-dire les accélérations), et non les vitesses linéaires et uniformes. Nous avons la sensation et la conscience du mouvement de rotation (tout en gardant les yeux fermés, par exemple) par l'excitation produite par ce mouvement sur les canaux semi-circulaires de l'oreille interne, qui modifie notre sensation d'équilibre. Si nous gardons les yeux ouverts, cette sensation détermine un mouvement réflexe de rotation des globes oculaires, dans la direction opposée à celle du mouvement, par lequel les images rétinennes des objets proches du corps sont déplacées : l'oeil voit ces derniers bouger dans la direction du mouvement.

D'une manière générale, faisait observer Mach, le changement nous fait prendre conscience de la chose qui change. L'organisme perçoit directement le taux de changement de mouvement (c'est-à-dire l'accélération), dans la mesure où l'organe de perception s'y adapte et y répond : ce taux, insistait Mach, n'est donc pas une idée abstraite, comme la vitesse des aiguilles d'une pendule ou d'un projectile, mais correspond à une sensation spécifique. Par contre, rien dans nos sens ne nous fait directement percevoir le mouvement uniforme. On peut considérer que l'accord entre cette particularité de l'organisme humain (et animal) et le principe de relativité pour les mouvements d'inertie (rectilignes et uniformes) est assez remarquable. A moins qu'on ne le trouve évident, puisque l'organisme animal est soumis aux lois de la physique, et que celles-ci sont inchangées dans les mouvements d'inertie. Cependant nous pouvons avoir la conscience du mouvement linéaire uniforme relatif, soit en ouvrant les yeux et en suivant du regard les objets, soit en constatant un effet Doppler-Fizeau pour une lumière ou pour un son (modification de la fréquence avec l'éloignement).

Mais la théorie de la relativité générale, en dépassant les mouvements d'inertie, va au-delà de ces perceptions de notre corps, demandant que nos concepts se dégagent ici aussi de leur anthropocentrisme d'origine, et accentuant leur caractère de construction abstraite pour représenter un monde extérieur objectif. Car telle est bien la direction générale que l'on perçoit dans l'histoire de l'élaboration scientifique du concept de vitesse.

Venons-en à l'histoire de l'élaboration du concept phyique de vitesse, où nous distinguerons, pour la commodité, trois périodes : d'Aristote à la Renaissance, de Galilée à la fin du XIXè siècle, et la période contemporaine à partir de la théorie de la relativité.

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