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Henri Perrotin et la mesure de c à Nice

Nice, 1898 : Henri Perrotin a conscience de l’importante de la vitesse de la lumière, en astronomie, en physique, … et de la difficulté à la mesurer. Alors que deux américains ont amélioré la précision sur la mesure de c, H. Perrotin entreprend la mesure avec l’idée d’obtenir la précision ultime.

Les atouts de Perrotin

H. Perrotin entreprend la mesure de c à Nice afin de tirer profit de deux atouts majeurs.

Le premier atout est la météo de Nice. Bien meilleure que dans la région parisienne, elle permet des mesures plus faciles, plus fréquentes, et sur une plus grande distance. Ceci est primordial car plus la distance est grande, plus la lumière met du temps à faire l’aller retour, plus la mesure peut être précise. H. Perrotin cherche à obtenir une précision record grâce à une distance exceptionnelle.

Les moyens exceptionnels du nouvel observatoire Bischoffsheim constituent le second atout majeur : des instruments superbes, parmi les meilleurs du monde, qui des hauteurs de Nice permettent des mesures utilisant les sommets lointains. Il bénéficie évidemment du soutien de Bischoffsheim et de ses relations. Ce soutien va être utile, par exemple, pour demander de l’aide directement au ministre de la marine.

Enfin, Alfred Cornu confie ses instruments et apporte son expertise et l’Observatoire de Paris fournit ses instruments pour la mesure des distances.

Le principe de la mesure

Le principe de la mesure repose sur la roue dentée imaginé par Fizeau. Cette méthode a été modifiée par Cornu qui a conçu les instruments et imaginé l’enregistrement automatique des données sur de grandes feuilles de papier noir. Tout a été construit à Paris par un artisan fameux, M. Gautier, qui, d’ailleurs, a aussi construit les montures des lunettes astronomiques de l’Observatoire de Nice. L’expérience utilise des horloges de haute précision, et une petite roue dentée de quelques centimètres de diamètre qu’un poids fait tourner à travers un engrenage délicat.

Le principe de la mesure est le suivant : les dents de la roue hachent le faisceau de lumière qui est dirigé sur le miroir lointain et qui doit revenir exactement à l’endroit de la roue où il est passé. La roue a un diamètre de 3,5 cm avec des dents de 2 millimètres. Le faisceau doit passer dans le petit espace entre deux dents, parcourir 46 kilomètres jusqu’au mont Vinaigre, être réfléchi par un miroir, re-parcourir 46 km dans l’autre sens, et revenir exactement à l’endroit de la roue où il est passé. Entre-temps celle-ci a tourné et présente au faisceau de retour une dent, ou un autre creux. L’observateur voit le faisceau de retour sous forme d’un petit point lumineux à travers les dents de la roue si la roue a tourné exactement d’une ou de plusieurs dents dans le temps mis par la lumière pour faire l’aller retour. L’observateur fait accélérer la roue et note les instants de ces phénomènes d’apparition et disparition de cette petite tache lumineuse.

Les instants de ces phénomènes, les tops des horloges, les tops des compte-tours sont enregistrés pour une analyse ultérieure. La vitesse de la roue est montée jusqu’à plus de 600 tours par minute par la chute des poids. L’observateur, qui doit être très attentif dans ce laps de temps d’environ 20 secondes, a pu observer plus de dix extinctions et apparitions. Ensuite il remonte les poids pour refaire une série de mesures.

Les mesures de Perrotin, Prim, et Javelle, entre le Mont Gros et La Gaude

Les mesures sont réalisées dans un premier temps avec une lampe de 102 volts (16 bougies) entre l‘Observatoire et La Gaude à « seulement » 11 km pour se familiariser avec l’appareillage et les méthodes, que ni lui ni les astronomes M. Prim et M. Javelle ne connaissent. A cause de nombreux imprévus, les mesures commencées fin février 1898 s’étalent sur presque un an.

Les Mesures vers le Mont Vinaigre

De retour à Nice il reprend et finit les mesures sur La Gaude, et enchaîne immédiatement (début janvier 1899) sur le Mont Vinaigre dans l’Estérel (avec une lampe de 50 bougies), qu’on atteint dans une journée de train, de voiture et de marche, et que M. Prim est allé explorer. M. Prim installe le miroir collimaté sur une base en pierre qu’il a fait construire juste avant Noël, près de la tour de surveillance, au sommet. A vol d’oiseau la distance - record – est de 46 km, qui va être mesurée à quelques centimètres près par le spécialiste de l’observatoire, M. Simonin.

Au bout de 6 mois de difficultés, Perrotin comprend que, près du Mont Vinaigre, les courants d’air froid qui descendent des Alpes le soir créent des turbulences atmosphériques bien plus fortes que prévues, et qu’il doit mobiliser les grands moyens : la grande lunette de l’Observatoire, pour l’émission de la lumière, et la lunette de 38 centimètres de diamètre, comme collimateur, au Mont Vinaigre, vont être utilisées pendant un an, uniquement pour cette mesure. Le transport de la lunette collimatrice se fait par bateau ! Plus de mille mesures ont lieu, entre décembre 1901 et novembre 1902. Jugeant alors qu’il a assez de données, Henri Perrotin met moins de 15 jours à achever ses calculs et annoncer le résultat à l’Académie des Sciences !

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Appareil ayant servi à Cornu et Perrotin pour mesurer c. On aperçoit la roue dentée (disque de couleur grise en haut).
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Plusieurs modèles de roues dentées utilisées
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Schéma du dispositif de mesure de c. La lumière de la lampe (non représentée) passe la roue dentée et entre dans le télescope à droite. La manivelle sert à remonter les poids qui en tombant font tourner la roue dentée à travers un engrenage. On remarque à gauche le contact de Morse destiné à enregistrer les moments des retours et disparitions de la lumière.
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Dessin du dispositif d’enregistrement
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Enregistrement Noir et Blanc 95x50 cm
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Enregistrement Noir et Blanc (zoom)
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Enregistrement rouge 95x50 cm
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Enregistrement 95x50 cm rouge (zoom)
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premiers résultats obtenus en 1898 en visant vers La Gaude

Cliché du carnet par Marc Heller © Observatoire de la Côte d’Azur

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