APPLICATION DE LA MÉTHODE
EXPOSÉE DANS LE MÉMOIRE PRÉCÉDENT
À LA SOLUTION DE
DIFFÉRENTS PROBLÈMES DE DYNAMIQUE.
(Miscellanea Taurinensia, t. II, 1760-1761.)
M. Euler, dans une Addition à son excellent ouvrage qui a pour titre : Methodus inveniendi lineas curvas maximi minimive proprietate gaudentes : sive solutio Problematis isoperimetrici latissimo sensu accepti, a démontré ce principe que, dans les trajectoires que des corps décrivent par des forces centrales, l’intégrale de la vitesse, multipliée par l’élément de la courbe, fait toujours un maximum ou un minimum.
Je me propose ici de généraliser ce même principe, et d’en faire voir l’usage pour résoudre avec facilité toutes les questions de Dynamique.
Principe général. — Soient tant de corps qu’on voudra qui agissent les uns sur les autres d’une manière quelconque, et qui soient de plus, si l’on veut, animés par des forces centrales proportionnelles à des jonctions quelconques des distances ; que dénotent les espaces parcourus par ces corps dans le temps et que soient leurs vitesses à la fin de ce temps ; la formule
sera toujours un maximum ou un minimum.
I.
Problème I. — Trouver le mouvement d’un corps attiré vers tant de centres fixes qu’on voudra par des forces exprimées par des fonctions quelconques des distances.
Solution. — Comme il n’y a ici qu’un seul corps la formule qui doit être un maximum ou un minimum sera simplement on aura donc, suivant la méthode expliquée dans le Mémoire précédent, l’équation
ou, en divisant par qui est constante,
Or,
donc, changeant l’expression en son équivalente comme on l’a enseigné (Article I, Mémoire précédent), on aura l’équation
Soient les distances du corps aux centres des forces on aura, comme tous les Géomètres le savent,
donc
ou en changeant en et intégrant
par parties les termes
Or, par hypothèse,
on trouvera donc, en différentiant,
et par conséquent
donc
en mettant au lieu de son égale donc l’équation ci-dessus se changera en celle-ci
(A)
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|
Il faut maintenant chercher le rapport que les différences ont entre elles, ce qui se fera différemment selon les différentes sortes de coordonnées qu’on emploiera pour représenter la trajectoire. Et, premièrement, soient prises trois coordonnées rectangles on aura
par conséquent,
en changeant en
donc
Qu’on fasse disparaître dans cette expression les différentielles de
\delta x,\delta y,\delta z
par la méthode des intégrations par parties, pratiquée dans le Mémoire précédent, on aura la transformée suivante :
Il ne s’agit plus que d’exprimer les différences par les Pour cela, on cherchera les valeurs analytiques des lignes rapportées aux coordonnées et on prendra leurs différentielles en mettant pour Soit supposé, en général,
il est clair qu’on aura aussi
Donc, si on fait, pour abréger,
on aura
Faisant toutes ces différentes substitutions dans l’équation (A), elle deviendra
(B)
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équation qui doit avoir lieu, quelques valeurs qu’on suppose aux différences
c’est pourquoi l’on fera les trois équations suivantes :
Ce sont ces équations qui serviront à déterminer la courbe décrite par le corps et sa vitesse à chaque instant.
Si on met au lieu de qu’on multiplie la première équation par la seconde par la troisième par et qu’ensuite on les intègre, on aura
d’où l’on tire, en chassant et extrayant la racine carrée,
équations où les indéterminées seront séparées si
II.
Remarque. — Quant aux termes
on pourra se dispenser d’y avoir égard, en supposant que les deux extrémités de la trajectoire soient données de position, car cette supposition
fera évanouir les premiers et les derniers
\delta x,\delta y,\delta z,
et par conséquent aussi tous les termes en question. (Voyez l’Article IV du Mémoire précédent.)
III.
Corollaire. — Imaginons que le mobile sollicité par les mêmes forces soit contraint de se mouvoir sur une surface courbe donnée par l’équation en changeant en on aura substituant cette valeur de dans l’équation (B), et faisant les deux coefficients de et de chacun égal à zéro, on aura deux équations
qui, avec l’équation donnée
suffiront pour résoudre le Problème.
IV.
Autre solution. — Qu’on prenne, à la place des deux coordonnées rectangles un rayon variable qui tourne autour d’un point fixe dans le même plan des et des et dont la position à chaque instant soit déterminée par un angle Conservant la troisième coordonnée qu’on imaginera élevée de l’extrémité du rayon perpendiculairement au plan de l’angle il est facile de trouver que l’élément de la courbe sera
ainsi on aura, en différenciant,
Mettant donc cette valeur dans la formule intégrale
et faisant disparaître les différentielles de
par la voie ordinaire des intégrations par parties, on aura
Après la substitution de cette valeur de dans l’équation (A) de l’Article I, il n’y aura plus qu’à réduire les différences aux différence Pour cela soit supposé, en général,
on aura de même
Donc, si on fait les mêmes suppositions que dans la solution précédente, on aura aussi
et l’équation (A) deviendra enfin
(C)
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|
Maintenant, si on suppose, comme dans l’Article II, que le premier et le dernier point de la trajectoire sont donnés, il est clair que les qui y répondent seront nulles d’elles-mêmes, et que par conséquent
les trois premiers termes de cette équation le seront aussi. Donc, pour satisfaire au reste de l’équation, indépendamment des différences indéterminées
\delta\varphi,\delta x,\delta z,
on fera chacun de leurs coefficients égal à zéro, et l’on aura pour les équations générales du mouvement du corps
Qu’on mette dans ces équations pour et qu’on intègre la première, après l’avoir multipliée par on aura
d’où l’on tire
substituant cette valeur dans la seconde équation et faisant, pour abréger,
on aura
ou, en mettant pour
ce qui donnera par la différentiation, en regardant comme constante et multipliant par
savoir, à cause de
équation constructible dans plusieurs cas particuliers.
Enfin, la troisième équation étant multipliée par et ensuite intégrée, deviendra
d’où l’on tirera la valeur de laquelle étant comparée à celle qu’on a trouvée plus haut fournira l’équation
V.
Corollaire. — Si le corps était obligé de se mouvoir sur une surface courbe donnée, alors rapportant cette surface aux trois variables et la supposant exprimée par l’équation
on mettrait dans l’équation (C) au lieu de ensuite on égalerait à zéro les coefficients de et de et l’on aurait
VI.
Remarque I. — Nous avons supposé que les forces étaient comme des fonctions quelconques des distances cependant il est facile de démontrer, par les principes de Dynamique, que les équations trouvées sont générales pour toutes sortes de forces accélératrices, et l’on peut d’ailleurs s’en convaincre par cette seule raison que les équations dont il s’agit ne renferment point la loi suivant laquelle les forces croissent ou décroissent, mais seulement les quantités et les directions instantanées de ces forces, comme il est aisé de le voir en substituant pour et leurs valeurs. Au reste, à examiner les solutions précédentes, il est évident que l’hypothèse de
ne sert qu’à rendre égale à zéro la formule intégrale
Or, pour cela, il suffirait que les quantités eussent entre elles un rapport tel que
soient donc des fonctions quelconques de de sorte que l’on ait par la différentiation
il est clair qu’on aura également
Substituant ces valeurs dans l’équation de condition et réduisant, on aura
donc
savoir
c’est-à-dire que devra être une différentielle complète. Si cette condition a lieu, la valeur de sera simplement
autrement, il faudra encore tenir compte de l’intégrale
pour rendre la formule un vrai maximum ou minimum ; mais les équations qu’on trouverait alors ne seraient plus les véritables équations du mouvement du corps.
VII.
Remarque II. — Ce Problème est le seul auquel M. Euler ait appliqué son principe. Il l’a aussi résolu pour les deux cas des coordonnées rectangles et des rayons partant d’un centre fixe. Mais pour pouvoir comparer ses solutions avec les nôtres, il faut remarquer :
1o Que M. Euler n’a considéré que des courbes à simple courbure ;
2o Qu’il n’a cherché le maximum ou le minimum de la formule qu’eu égard à la variabilité de l’ordonnée dans le premier cas, et à celle de l’angle que nous avons nommé dans le second. (Voyez l’Addition citée au commencement de ce Mémoire.)
Au reste, il est clair que par notre méthode on pourra encore varier la solution de ce Problème en plusieurs autres manières, selon les différentes sortes de coordonnées qu’on choisira pour représenter la trajectoire cherchée.
VIII.
Problème II général. — Soit un système quelconque de plusieurs corps, qui soient sollicités par tant de forces centrales qu’on voudra, savoir : par les forces par les forces par les forces et qui agissent de plus les uns sur les autres par des forces quelconques d’attraction mutuelle ; trouver le mouvement de chacun de ces corps.
Solution. — Tout se réduit à rendre la formule
un maximum ou un minimum. On fera donc, suivant notre méthode,
Or, à cause que est constant (Article I),
On trouvera de même, en substituant toujours pour
et ainsi de suite ; on aura donc l’équation
(D)
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|
Maintenant, soient les distances du corps aux centres des forces et celles des autres corps aux centres de leurs forces Soient, outre cela, la distance entre le corps et le corps et la force avec laquelle chaque point de l’un attire chaque point de l’autre ; de même la distance entre les corps et et leur force d’attraction, et ainsi de suite. Soient encore la distance entre le corps et le corps et leur attraction, et ainsi pour tous les autres corps ; on aura, par le principe général de la conservation des forces vives, l’équation
étant les vitesses primitives des corps
Or, soient supposés
on trouvera, par un calcul analogue à celui qu’on a fait dans le Problème I, l’équation différentielle
(U)
|
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|
Il faut maintenant trouver les valeurs des différences et cette recherche dépend, comme on le voit, de la nature des coordonnées qu’on emploie pour représenter les courbes décrites par chaque corps.
IX.
Premier cas. — Soient, comme dans l’Article I, trois coordonnées rectangles qui déterminent la position du corps dans un temps quelconque, et soient de même d’autres coordonnées rectangles et parallèles à celles-là pour la position des autres corps dans le même temps ; on aura, comme dans l’Article cité,
et de même
et ainsi de suite.
Qu’on substitue ces valeurs dans l’équation (D), et qu’on fasse disparaître, comme à l’ordinaire, les différentielles de on aura, en négligeant tous les termes hors du signe qui peuvent être supposés nuls par la remarque de l’Article II,
(E)
|
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Il ne s’agira plus maintenant que de substituer dans cette équation, au lieu de
sa valeur tirée de l’équation (U), et de réduire ensuite les différences
aux différences
par une méthode analogue à celle que l’on a pratiquée dans le Problème précédent ; après quoi, si chaque corps est entièrement libre, en sorte que toutes les différences demeurent indéterminées, on fera chacun de leurs coefficients égal à zéro, et l’on aura trois fois autant d’équations qu’il y a de corps, lesquelles, prises ensemble, suffiront pour déterminer toutes les vitesses et les courbes cherchées ; mais si un ou plusieurs de ces corps sont forcés de se mouvoir sur des courbes ou des surfaces données, et qu’ils agissent de plus les uns sur les autres, soit en se poussant, soit en se tirant par des fils ou des verges inflexibles, ou de quelque autre manière que ce soit, alors on cherchera les rapports qui devront nécessairement se trouver entre les différences On réduira par là ces différences au plus petit nombre possible, et on fera ensuite chacun de leurs coefficients égal à zéro, ce qui donnera toutes les équations nécessaires pour la solution du Problème.
X.
Corollaire. — Supposons le système entièrement libre, et que les corps agissent les uns sur les autres d’une manière quelconque ; supposons outre cela que tous les corps soient sollicités par trois forces dirigées parallèlement aux coordonnées et qui soient les mêmes pour chacun d’eux ; on mettra dans l’équation (U) à la place de et l’on aura
Cette valeur de
étant substituée dans l’équation (E), soit fait
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
et par conséquent
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
il est clair que les lignes qui marquent les distances des corps entre eux, dépendront uniquement des lignes qui déterminent leur position respective, et qu’ainsi les expressions des différences ne renfermeront aucunement les différences on remarquera de plus que ces mêmes différences seront absolument indépendantes de toutes les autres différences Car il est évident que, l’action mutuelle des corps ne dépendant que de leur position respective, savoir des lignes il n’y aura que les seules différences de ces mêmes lignes qui soient liées entre elles par des rapports donnés par la nature du Problème ; d’où il suit que les termes affectés des différences dans l’équation (E) devront être chacun en particulier égal à zéro ; ce qui donnera les trois équations générales
Or,
donc, ces équations deviendront celles-ci :
d’où l’on voit que si l’on prend à chaque instant dans le système un point tel que sa position soit déterminée par trois coordonnées, l’une parallèle à et égale à
l’autre parallèle à et égale à
et la troisième parallèle à et égale à
ce point se mouvra comme ferait un corps sollicité simplement par les trois forces Or il est évident que ce point ne sera autre chose que le centre de gravité du système, savoir, de tous les corps qui le composent.
XI.
Second cas. — Soit pris, comme dans l’Article IV, au lieu des deux coordonnées rectangles et un rayon vecteur avec un angle et soient de même substitués aux autres coordonnées les rayons vecteurs partant du même point fixe que le rayon avec les angles correspondants pris dans le même plan de l’angle on trouvera, comme dans l’Article cité,
et de même
et ainsi des autres. On substituera ces valeurs dans l’équation (D) de l’Article VIII et pratiquant les mêmes réductions que dans l’Article IV, elle deviendra
(F)
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|
équation dans laquelle j’ai rejeté tous les termes qui sont hors du signe parce que ces termes deviennent évidemment nuls dans la supposition que le premier et le dernier point de chaque trajectoire soient donnés. Or, cette équation étant analogue à l’équation (E) de l’Article VIII ne demandera plus que des opérations semblables pour trouver le mouvement de chaque corps. On en verra des exemples dans les Problèmes suivants.
XII.
Corollaire. — Si le système est entièrement libre ou qu’il soit simplement assujetti à se mouvoir autour d’un point fixe, et que toutes les forces sollicitatrices des corps concourent à ce point, prenant ce point pour le centre des rayons vecteurs et faisant,
il est facile de voir que sera absolument indépendante des autres
différences
quelle que soit l’action réciproque des corps les uns sur les autres ; il est de plus évident que toutes les différences
qui entrent dans la valeur de
seront aussi indépendantes de la différence
d’où il suit que tous les termes de l’équation (F) qui se trouveront affectés de la différence
après les substitutions de
à la place de
devront être égaux à zéro séparément du reste de l’équation ; on aura donc en général, après avoir effacé le
l’équation
dont l’intégrale est
(G)
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ou, en mettant pour et en nommant la constante,
et intégrant de nouveau, il vient
Il est visible que l’intégrale
exprime l’aire que la projection du corps décrit autour du centre des forces, et que les autres intégrales
expriment de même les aires décrites par les projections des autres corps autour du même centre ; donc la somme de chacune de
ces aires, multipliée par la masse du corps qui la décrit, est toujours proportionnelle au temps.
Le lecteur qui sera curieux de voir une démonstration de ce théorème tirée des principes de Mécanique, la trouvera dans un Mémoire de M. le chevalier d’Arcy, imprimé parmi ceux de l’Académie royale des Sciences de Paris, année 1747 ; il y trouvera aussi l’usage de ce même théorème pour résoudre plusieurs questions de Dynamique.
Au reste, nous remarquerons que l’équation (G) renferme le principe que MM. Daniel Bernoulli et Euler ont appelé la conservation du moment du mouvement circulatoire, et qui consiste en ce que la somme des produits de chaque corps par sa vitesse circulatoire
\frac{uxd\varphi}{ds}
et par sa distance au centre de est constante pendant le mouvement du système. (Voyez les Mémoires de l’Académie royale des Sciences de Berlin, année 1745, et les Opuscules de M. Euler imprimés à Berlin en 1746.)
La même équation (G) renferme aussi le principe de M. le chevalier d’Arcy, que la somme des produits de chaque corps par sa vitesse et par la perpendiculaire menée du centre sur la direction du corps, fait toujours une quantité constante. (Voyez les Mémoires de l’Académie de Paris, années 1749, 1752.)
XIII.
Remarque. — Il est aisé de trouver, par la méthode que j’ai donnée dans la Remarque de l’Article VI que l’équation (U) sera exacte en général toutes les fois que la formule
qui exprime la valeur de
sera une différentielle complète. Dans tous les autres cas, cette équation ne pourra plus servir à trouver les conditions de la maximité ou de la
minimité de la formule intégrale
mais elle servira toujours également pour trouver les mouvements des corps quelles que soient les forces dont ils sont animés. Ainsi, sans s’embarrasser que la formule dont nous parlons soit réellement un maximum ou un minimum, on pourra toujours employer l’équation (U) dans quelque hypothèse de forces que ce soit.
XIV.
Problème III. — Trois corps s’attirent mutuellement par des forces d’attraction trouver les orbites des corps par rapport au corps regardé comme en repos.
Solution. — Les mêmes noms étant conservés que dans l’Article IX on fera de plus, comme dans l’Article X,
et l’on aura
d’où l’on tirera, par la différentiation, les valeurs de qu’il faudra substituer dans l’équation (D) de l’Article VIII.
Mais pour mieux représenter les orbites relatives des corps soient pris, au lieu des coordonnées rectangles deux rayons vecteurs avec deux angles correspondants tels que l’on ait
ayant fait ces substitutions dans les valeurs de
on aura
Maintenant, si l’on veut regarder l’orbite du corps comme connue, on prendra les différences en supposant constantes ; on aura
Avant que de faire ces substitutions dans l’équation (D) de l’Article VIII je remarque que les corps dont on cherche le mouvement étant entièrement libres par l’hypothèse du Problème, les différences de leurs coordonnées sont nécessairement indépendantes entre elles ; d’où il suit qu’on peut faire pour chacun de ces corps un calcul à part, en ne considérant à la fois que les variations des trois coordonnées ou
Qu’on ne prenne d’abord que les trois premières pour variables, il est clair qu’on aura par conséquent l’équation mentionnée deviendra simplement
Pour appliquer cette équation au Problème présent, on commencera par substituer, à la place des sa valeur trouvée ci-dessus, en y mettant, pour plus de simplicité, au lieu de son égale ensuite on intégrera par parties tous les termes qui renfermeront des différences affectées du double signe après avoir changé ce signe dans son équivalent cette opération donnera les transformées suivantes :
(en rejetant les termes qui sont hors du signe d’intégration et qui s’évanouissent toujours dans l’hypothèse de l’Article II), et de même
En joignant ensemble toutes ces transformées, et y ajoutant le terme on aura la valeur de exprimée par la formule suivante :
À présent, pour avoir la valeur de
on fera dans l’équation (U) de l’Article VIII toutes les quantités qui représentent des forces étrangères égales à zéro, et l’on aura
Or il est facile de trouver que
d’où l’on tirera, en regardant toujours et comme constantes,
Ayant fait ces substitutions, on ajoutera ensemble les valeurs de et de et l’on aura une formule intégrale, dont chaque terme contiendra une des différences et qui devra être égale à zéro, quelles que soient les valeurs de ces différences. On trouvera donc, en faisant séparément égal à zéro chacun de leurs coefficients, et divisant par
équations qui se réduisent à la forme de celles de l’Article IV en supposant
Et ces équations suffiront pour déterminer l’orbite du corps en supposant connues les orbites des deux autres corps
Qu’on fasse maintenant, dans les expressions de les changeantes variables au lieu des on trouvera, par des raisonnements et des opérations semblables aux précédentes, trois autres équations, qui ne différeront des équations ci-dessus que parce qu’il y aura à la place de et réciproquement, et ces équations seront celles de l’orbite du corps
XV.
Corollaire I — Si l’on ne connaissait pas l’orbite absolue du corps alors, pour déterminer les valeurs des quantités il faudrait aussi faire varier les trois changeantes dans les valeurs de ce qui donnerait
On substituerait ces valeurs dans l’équation générale (D) de l’Article VIII et faisant après les réductions ordinaires les trois coefficients de chacun égal à zéro, on aurait trois équations, par lesquelles on pourrait déterminer les valeurs de Au reste, ces équations reviendraient au même que celles de l’Article X, en y faisant chacun égal à zéro.
XVI.
Corollaire II. — Les équations qu’on trouverait par la méthode du Corollaire précédent ne renfermeraient point les forces mais seulement les changeantes avec leurs différences ; mais, pour ne pas trop charger de différentielles les équations du mouvement des corps il sera mieux de chercher les valeurs de en considérant directement les orbites absolues de ces deux corps.
Que soient les ordonnées rectangles des orbites dont nous parlons : on parviendra à une équation qui sera la même que l’équation (E) du Problème II, et dans laquelle, à cause que les corps sont libres, il faudra faire les coefficients de chacun égal à zéro. Or il est facile de trouver que
pour notre cas, il suffit de faire varier seulement ; on aura donc
On substituera ces valeurs dans l’expression
et à cause de
on aura
Mettant cette valeur de
dans l’équation (E), et faisant égal à zéro séparément chacun des trois coefficients de il viendra, après avoir divisé le tout par et mis à la place de
Par là, les valeurs de de l’Article XIV deviendront, après quelques réductions fort simples,
XVII.
Problème IV. — Un corps étant sollicité par tant de forces qu’on voudra et tirant après lui deux autres corps par le moyen de deux fils de longueurs données, trouver le mouvement de chacun de ces trois corps. On suppose, pour plus de simplicité, qu’ils se meuvent tous trois dans le même plan.
Solution. — Soient les longueurs données des fils, c’est-à-dire les distances invariables des corps au corps les coordonnées rectangles de la courbe décrite par le corps et les angles que les lignes forment à chaque instant avec l’axe des prenant pour les coordonnées rectangles des autres corps on aura
d’où l’on tire
On substituera ces valeurs dans les intégrales
de l’équation (D) de l’Article VIII et faisant les transformations et les réductions ordinaires, on trouvera
Et l’on aura pour la même expression que pour en marquant seulement d’un trait les lettres et comme il est aisé de s’en assurer par le calcul.
Pour avoir maintenant la valeur de
on aura recours à l’équation générale (U) de l’Article VIII laquelle donnera pour le cas présent
en faisant les mêmes suppositions que dans l’Article I.
Il n’y a plus qu’à mettre ces différentes transformées dans l’équation (D) ; or, si l’on fait, pour abréger,
on trouve
(H)
|
|
|
d’où l’on tire par notre méthode
quatre équations qui suffiront pour déterminer le rapport des indéterminées au temps et par conséquent le mouvement de chacun des trois corps
XVIII.
Corollaire I. — Si le corps était mù dans une rainure courbe représentée par l’équation
alors il n’y aurait qu’à mettre, dans l’équation (H), pour et
faire ensuite chacun des trois coefficients de
égal à zéro ; ce qui donnerait pour les équations du mouvement des corps
Si le corps était, outre cela, obligé de se mouvoir avec une vitesse dont la loi à chaque point de la courbe fût donnée, alors, comme le mouvement de ce corps serait entièrement donné, on aurait et c’est pourquoi il faudrait supprimer les équations et et mettre dans les deux autres au lieu de leurs valeurs données.
XIX.
Corollaire II. — Supposons que les trois corps au lieu de se tenir par des fils, soient attachés à une verge inflexible, en sorte que l’angle des lignes soit constant et égal à on aura donc en ce cas
ainsi, il ne faudra qu’écrire, dans l’équation (H), pour et pour et faisant ensuite les coefficients de chacun en particulier égal à zéro, on aura
XX.
Corollaire III. — Si l’on veut de plus, dans le cas du Corollaire précédent, que le corps se meuve dans une rainure courbe dont l’équation soit mettant, comme dans l’Article XVIII au lieu de et faisant chacun égal à zéro les coefficients de et on aura simplement les deux équations
Mais si la vitesse du corps est aussi donnée, en ce cas, et étant nuls, il ne restera que l’équation
dans laquelle il faudra mettre, au lieu de leurs valeurs données.
XXI.
Corollaire IV — Si les corps étaient liés par un même fil, de longueur donnée, le long duquel l’autre corps pût couler librement par le moyen d’un anneau, on pourrait résoudre le Problème de la même manière en faisant les quantités variables dans les expressions de et de leurs différences
Pour cela, il n’y aurait qu’à augmenter la valeur de trouvée ci-dessus (Article XVII) de la quantité
et ensuite celle des de la quantité
divisée par c’est pourquoi la valeur de la formule intégrale serait augmentée de
Et l’autre formule intégrale serait aussi augmentée de la même quantité, en marquant seulement d’un trait les deux lettres et Par là, l’équation (H) deviendrait de cette forme :
(I)
|
|
|
dans laquelle
[1]
Maintenant, les deux corps étant attachés fixement aux extrémités du fil qui est supposé inextensible, il faut que la somme des lignes et soit constante ; soit cette somme, c’est-à-dire la longueur totale du fil, égale à on aura
on fera donc ces substitutions dans l’équation (I), et mettant ensuite chacun égal à zéro les coefficients des différences restantes on aura les cinq équations
lesquelles donneront le rapport des cinq indéterminées au temps
XXII.
Corollaire V. — Si le corps était fixe, ou, ce qui revient au même, si le fil qui joint les deux corps passait à travers un anneau immobile, on aurait pour lors et chacun égal à zéro, et les équations du mouvement des deux corps seraient
savoir, à cause que et
et
[2].
Les deux premières équations, étant intégrées, donneront
et, ces valeurs substituées dans la troisième, on aura
laquelle étant multipliée par et ensuite intégrée, devient
d’où l’on tire
XXIII.
Corollaire VI — Si dans le cas du Corollaire précédent les deux corps étaient attachés à une verge droite et inflexible, alors on aurait et et les équations n’en feraient plus qu’une seule, savoir on aurait donc simplement les deux équations
c’est-à-dire
lesquelles donnent, en chassant
Cette équation étant multipliée par et ensuite intégrée, en regardant comme constante, deviendra celle-ci
qui se réduit à
XXIV.
Problème V — Trouver le mouvement d’un fil fixe en une de ses extrémités, et chargé de tant de corps pesants qu’on voudra
Solution. — Ayant pris, comme dans l’Article IX pour les coordonnées rectangles des corps on a d’abord l’équation (E). Soit maintenant la portion du fil interceptée entre l’extrémité fixe et le corps soient aussi les portions du même fil interceptées entre les corps et et et ainsi de suite ; on aura les équations
l’origine des abscisses
étant à l’extrémité fixe du fil. On lire de là
et par conséquent
et ainsi de suite.
Maintenant, si on suppose, ce qui est absolument arbitraire, l’axe des vertical, et que exprime la pesanteur absolue des corps, il faudra mettre dans l’équation (U) de l’Article VIII au lieu de au lieu de et toutes les autres forces égales à zéro ; on aura donc
Faisant ces substitutions dans l’équation (E) citée ci-devant, et ordonnant les termes, elle deviendra de la forme suivante :
dans laquelle on aura, après avoir mis au lieu de leur
valeur commune
et les valeurs de seront les mêmes que celles de en y mettant simplement au lieu de
On fera donc, suivant notre méthode,
équations qui, avec celles qu’on a trouvées plus haut, suffiront pour résoudre le Problème.
XXV.
Corollaire. — Soient les corps infiniment petits, et placés à des distances égales les uns des autres ; marquant par la lettre la différence de deux coordonnées consécutives quelconques, on aura en général
gnée par
la somme des valeurs de
pour toute la longueur du fil, et la somme indéfinie des mêmes valeurs prise relativement à l’abscisse
marquée par la lettre
de cette manière
il est facile de voir que les équations se réduiront toujours à celle-ci générale :
que de même les équations se changeront en
Ce seront donc ces deux équations qui serviront à déterminer le mouvement du fil ; mais il y faudra encore ajouter une troisième équation qui se déduira de ce que chaque élément du fil, dont l’expression générale est doit demeurer constant, pendant que le fil varie de courbe. Cette équation sera donc
Dans le cas des oscillations infiniment petites on a parce qu’alors chaque point du fil répond toujours à très-peu près au même point de l’axe ; de plus, si on regarde le fil comme uniformément épais, et que l’élément de sa courbe soit dénoté par on aura et la formule intégrale se réduira à à cause de constant, étant la longueur de la partie du fil qui répond à l’abscisse par conséquent, si la longueur totale du fil est on aura et les deux premières équations deviendront celles-ci, beaucoup plus simples,
la troisième sera inutile.
XXVI.
Scolie. — Si les fils qui joignent les corps étaient extensibles et élastiques, on aurait alors les équations
et ainsi de suite.
On trouvera de plus, en appelant les forces d’élasticité ou de contraction des fils que l’équation (U) deviendra
comme il est facile de s’en assurer en appliquant le principe de la conservation des forces vives au cas dont il s’agit ici.
On mettra donc, dans cette expression de
au lieu de les valeurs qu’on vient de trouver, et on la substituera ensuite dans l’équation (E) de l’Article IX ; ce qui donnera, après avoir ordonné les termes et mis à la place de
une équation de cette forme :
dans laquelle
et les autres expressions seront les mêmes que les en changeant seulement en en en
De cette équation on tirera donc, suivant notre méthode, les équations particulières
qui seront celles du mouvement des corps
XXVII.
Corollaire. — Si l’on veut que les masses soient infiniment petites et placées à des distances infiniment petites les unes des autres, conservant les suppositions faites dans l’Article XXV on aura en général et l’on trouvera que les équations ci-dessus se changeront dans les trois suivantes :
où la quantité marque l’élasticité variable de chaque élément du fil.
Si l’on fait abstraction de la pesanteur et qu’on suppose, outre cela, les oscillations du fil infiniment petites, en sorte que l’abscisse demeure toujours la même pour chaque élément la première équation se réduira à
dont l’intégrale est ce qui donne
et cette valeur étant substituée dans les deux autres équations, on aura, à cause de constant,
Soit l’épaisseur du fil, en sorte que (il faudrait mettre à la rigueur mais comme on suppose les vibrations infiniment petites, il est clair que et seront aussi infiniment petites par rapport à et qu’ainsi sera à très-peu près égal à ), on trouvera en différentiant et prenant et pour constantes, ce qui est permis,
équations connues.
XXVIII.
Remarque. — Les équations trouvées pour le mouvement d’un fil vibrant, élastique ou non, peuvent encore l’être d’une autre manière plus directe, en regardant d’abord le fil comme un assemblage d’une infinité de points mobiles ; c’est ce qu’il est bon de faire voir pour développer davantage l’application de notre principe général à ces sortes de questions.
XXIX.
Problème VI. — Trouver le mouvement d’un fil inextensible, dont tous les points sont sollicités par des forces quelconques
Solution. — En conservant les noms donnés dans l’Article XXV soient, de plus, la vitesse de chaque élément du fil, et le petit espace qu’il parcourt dans le temps il est facile de voir que la formule du principe général deviendra
On fera donc, suivant notre méthode, l’équation
qui se réduira d’abord, à cause que est constant pendant que le fil varie de courbe, à
savoir à
en mettant pour
Maintenant, si on prend pour chaque élément du fil trois coordonnées rectangles comme dans le Problème I, on aura aussi
et
en mettant pour donc l’intégrale deviendra
en transposant les signes ce qui est évidemment permis.
On changera aussi par la même transposition des signes la formule en et l’on aura l’équation
(K)
|
|
|
Il s’agit maintenant de trouver la valeur de Or il n’est pas difficile de voir que l’équation (U) de l’Article VIII appliquée à la question présente donne
On aura donc, en multipliant par dont la valeur est la même pour tous les éléments du fil,
ou bien en mettant, selon les suppositions de l’Art. I, au lieu de
(X)
|
|
|
Cette valeur substituée dans l’équation (K), il viendra
(L)
|
|
|
Présentement, comme chaque élément du fil, est supposé inextensible, on a, comme dans l’Article XXV, l’équation
On a de plus, par la même raison,
ce qui donne
savoir, en transposant les deux caractéristiques
d’où l’on tire
et, en intégrant,
dénote la valeur de lorsque l’intégrale marquée par est zéro, savoir la valeur du à la première extrémité du fil. La substitution de cette valeur de dans l’équation (L) changera l’expression intégrale
en celle-ci
Or la différence étant constante, peut être dégagée du signe d’intégration ; donc si exprime la valeur totale de l’intégrale
l’expression se réduira à celle-ci plus simple, Il s’agit maintenant de faire disparaître les différences de et
dans l’autre expression
c’est de quoi l’on viendra aisément à bout par la méthode de l’Article IX du Mémoire précédent. Suivant cette méthode, on trouvera que, si
représente, comme ci-devant, la valeur totale de l’intégrale
et qu’on fasse, pour abréger,
on aura
et de même
où les termes qui se trouvent hors du signe d’intégration doivent être pris avec les conditions énoncées à la fin de l’Article I du Mémoire précédent ; or la valeur de qui répond au dernier point du fil est nulle, parce que devient alors égal à et, pour le premier point, cette valeur est égale à parce que est égal à zéro ; donc, si l’on marque par les coordonnées qui répondent à ce point, on aura pour la valeur exacte du terme et pour celle de l’autre terme Par ces substitutions, on aura donc
et l’équation (L) se changera en celle-ci :
(M)
|
|
|
d’où l’on tire pour tous les points du fil en général
et ces équations, avec celle qui a été trouvée précédemment
serviront pour déterminer le mouvement du fil.
Si l’on fait dans ces équations elles reviendront au même que celles de l’Article XXV comme il est facile de s’en assurer par un calcul fort simple.
XXX.
Scolie I — Maintenant, pour satisfaire au reste de l’équation (M), on fera encore
équation qui appartient uniquement au premier point du fil.
Supposons d’abord ce point absolument fixe : il est clair qu’on aura ce qui rendra nuls tous les termes de l’équation dont il s’agit ; donc les équations trouvées à la fin de l’Article précédent suffiront dans ce cas pour résoudre le Problème.
Mais si l’autre bout du fil est aussi fixe, il faudra faire alors quelques changements à ces équations. Pour cela soit reprise l’équation,
on trouvera, en intégrant par parties avec l’addition des constantes nécessaires,
Désignons par les valeurs de qui répondent à l’extrémité du fil, et rapportons l’équation qu’on vient de trouver à ce point, on aura, en transposant,
l’intégrale
étant prise pour toute la longueur du fil. Cette équation étant vraie pour tous les instants du mouvement du fil, on peut la multiplier par et en prendre l’intégrale relativement au temps on aura donc, en affectant tous les termes du signe
(N)
|
|
|
équation qui doit avoir lieu en même temps que l’équation générale (M) en faisant égaux à zéro conformément à l’hypothèse, ce qui la réduit à
je multiplie donc cette équation par un coefficient indéterminé
et je l’ajoute à l’équation (M) ; j’ai, à cause de
égaux à zéro,
d’où je tire pour le mouvement du fil
et la troisième équation sera la même que dans l’Article précédent.
XXXI.
Scolie II. — L’équation (N) étant multipliée par un coefficient indéterminé et ensuite ajoutée à l’équation (M), on a en général
Les termes affectés du double signe fourniront d’abord pour le mouvement général du fil les mêmes équations que dans l’Article précédent ; ensuite les autres termes affectés simplement du signe donneront l’équation
d’où l’on tire les conclusions suivantes :
1o Si le fil est fixement arrêté à ses deux extrémités, les différences sont nulles par elles-mêmes, et l’équation dont il s’agit ne fournit aucune condition nouvelle ; c’est le cas de l’Article précédent.
2o S’il n’y a qu’une des extrémités du fil qui soit fixe, alors on aura simplement ou égaux à zéro ; dans le premier cas, il restera l’équation
à laquelle on ne peut satisfaire qu’en mettant dans le second, l’équation restante sera
laquelle donnera nécessairement
3o Si le fil est attaché d’un côté à une verge fixe le long de laquelle il puisse couler par le moyen d’un anneau, et que l’équation de la verge soit en général
alors on supposera
selon que ce sera le premier ou le dernier point du fil qui décrira la courbe donnée ; et substituant dans l’équation ci-dessus la valeur de ou de on en tirera pour le premier cas les deux conditions
et de plus si l’autre bout du fil est libre, et pour le second cas on trouvera de même
et de plus si le premier point du fil est libre.
4
o Si les deux bouts du fil coulent le long de deux courbes représentées par les équations
on mettra pour et pour et l’on fera en conséquence
5o Si les deux bouts du fil sont attachés l’un à l’autre, en sorte qu’il en résulte une courbe rentrant en elle-même, on aura dans ce cas et l’équation générale se réduira à
d’où comme dans le premier cas du no I.
Toutes ces équations, au reste, devront se vérifier au moyen des constantes qui se trouveront dans les équations générales de l’Article précédent après leur intégration.
XXXII.
Scolie III — Imaginons que le fil soit emporté par un corps de masse finie attaché à son extrémité et animé par des puissances quelconques Il est clair que dans ce cas la formule, qui doit être un maximum ou un minimum, ne sera plus simplement mais
en nommant la vitesse du corps et l’élément de la courbe qu’il décrit. Or cette dernière formule, étant traitée comme celle du Problème I, donnera pour sa différentielle
on ajoutera donc cette quantité au premier membre de l’équation générale de l’Article précédent, et l’on aura celle-ci :
(P)
|
|
|
Les termes affectés du double signe donneront pour le mouvement du fil en général les mêmes équations de l’Article XXX qu’il est inutile de répéter. Les autres termes fourniront l’équation
Or, si le corps est libre, en sorte que les différentiations demeurent indéterminées, on fera
Ce sont les équations qui serviront à déterminer le mouvement du corps
Si ce corps était contraint de se mouvoir sur une surface donnée par l’équation
on mettrait, comme à l’ordinaire, au lieu de et l’on en tirerait les équations
À l’égard des termes
qui appartiennent au premier point du fil, ils fourniront les mêmes conditions que dans l’Article précédent, selon les différentes circonstances du mouvement de ce point. Mais si l’on imaginait de plus en ce point un autre corps animé des puissances en sorte que le fil fût emporté par deux corps fixement attachés à ses extrémités, alors on aurait, pour la formule du maximum ou du minimum,
et l’on trouverait, en faisant le calcul de la même manière que ci-dessus, que le premier membre de l’équation (P) serait augmenté des termes
ce qui ne changerait rien aux formules trouvées pour le mouvement du
fil et de l’autre corps
mais on aurait de plus l’équation
d’où l’on tirerait pour le mouvement du corps des formules analogues à celles qu’on a trouvées pour le corps
XXXIII.
Problème VII. — Résoudre le Problème précédent, en supposant que le fil soit extensible et élastique.
Solution. — Soit le ressort, c’est-à-dire la force de contraction de chaque élément du fil, on aura, en général, par l’équation (U) de l’Article VIII
ce qui donne, en multipliant par et mettant au lieu de et au lieu de
(Y)
|
|
|
Or
donc
donc, mettant cette valeur dans et intégrant par parties avec les constantes nécessaires, on aura
Maintenant, pour résoudre le Problème, il n’y a plus qu’à mettre dans l’équation (K) de l’Article
XXIX au lieu de
la valeur qu’on vient de trouver, et l’on aura, en ordonnant les termes,
d’où l’on tire, pour les équations générales du mouvement du fil,
ce qui s’accorde avec ce qu’on a trouvé dans l’Article XXVII en mettant et et au lieu de
On aura de plus l’équation
qu’on traitera ainsi qu’on a fait ci-devant l’équation (P), et qui donnera par conséquent des conclusions semblables sur le mouvement des deux extrémités du fil. J’en laisse le détail au lecteur.
XXXIV.
Problème VIII. — Trouver le mouvement d’un corps de figure quelconque animé par des forces quelconques.
Solution — Soient nommées chaque particule du corps, sa vitesse et l’espace qu’elle parcourt dans le temps on aura, comme dans l’Article XXIX, pour la formule qui doit être un maximum ou un minimum.
En suivant la méthode expliquée dans cet Article, on parviendra de même à l’équation (L)
et il n’y aura plus qu’à substituer dans cette équation les valeurs de et convenables à chaque particule du corps donné.
Pour trouver ces valeurs, je prends dans l’intérieur du corps un point quelconque fixe que j’appelle le centre de rotation et dont je suppose que la position soit représentée par les coordonnées rectangles je rapporte à ce centre chacun des autres points du corps par le moyen de trois nouvelles coordonnées prises dans les mêmes axes que les j’ai ainsi
par conséquent
et de même
Il s’agit maintenant de trouver les valeurs des différences de pour chaque point du corps ; pour cela il faut considérer le mouvement du corps autour de son centre et déterminer les variations qui en résultent dans chacune des lignes Or il est facile de voir que, quel que soit ce mouvement, il peut toujours être regardé comme formé de trois mouvements de rotation autour de trois axes perpendiculaires entre eux, et passant par le centre dont nous parlons ; donc, si l’on prend pour les axes de rotation ceux des coordonnées on trouvera par un calcul très-simple que, tandis que le corps tourne autour de l’axe des d’un mouvement angulaire la ligne croîtra de la quantité et la ligne décroîtra de la quantité que de même, en nommant l’angle de rotation autour de l’axe des les lignes et deviendront par ce mouvement et qu’enfin l’angle de rotation autour de l’axe des étant il en résultera dans la ligne un accroissement égal à et dans la ligne un décroissement égal à Donc, en ajoutant ensemble toutes ces différentes variations des lignes et exprimant les variations totales par on aura, en général,
(Q)
|
|
|
et par conséquent aussi, en changeant en
On aura donc par là
d’où l’on tire
savoir, en mettant pour leurs valeurs,
on aura de la même manière
Substituant ces valeurs dans l’équation (L) ci-dessus, et faisant sortir hors du signe les quantités qui sont les mêmes pour chaque point du corps, enfin ordonnant les termes par rapport à on aura une équation de la forme suivante :
(S)
|
|
|
dans laquelle
exprime la valeur de savoir la masse entière du corps.
Cette équation donnera la solution du Problème en faisant, comme à l’ordinaire, les coefficients des différences marquées par chacun en particulier égal à zéro, comme on va le voir dans les Corollaires suivants.
XXXV.
Remarque. — On peut simplifier les expressions de en faisant tomber le centre de rotation dans le centre de gravité du corps. Car alors les intégrales qui expriment la somme des moments de toutes les particules du corps par rapport à ses trois axes de rotation, deviendront nécessairement égales à zéro, par la propriété connue de ce centre.
À l’égard des autres intégrales il faut observer que leur valeur dépend de la position instantanée du corps, et qu’elle varie par conséquent avec le temps
En effet,
en mettant au lieu de sa valeur on trouvera de la même manière
Ce sont ces équations qui serviront à déterminer les valeurs générales des quantités
qui entrent dans les expressions
de l’équation (S) ; mais c’est de quoi il ne paraît pas facile de venir à bout, à cause de la difficulté d’intégrer ces sortes d’équations.
XXXVI.
Corollaire I. — Or, si le corps est entièrement libre, en sorte que les différences n’aient entre elles aucun rapport déterminé, il faut, pour vérifier l’équation (S), faire les coefficients de ces différences chacun en particulier égal à zéro, ce qui donne les six équations par où l’on peut connaître le mouvement du corps à chaque instant. Si l’on fait dans ces équations selon l’hypothèse de l’Article précédent, les trois premières deviendront celles-ci :
lesquelles montrent que le centre de gravité du corps se meut de la même manière que si toute la masse du corps était réunie dans ce centre.
Les trois autres équations ne contiendront que les variables d’où dépend le mouvement de rotation du corps autour du centre de gravité ; ainsi ce mouvement sera tout à fait indépendant de celui du centre de gravité.
Imaginons que le corps ne tourne qu’autour d’un seul axe, on supposera, dans les équations deux quelconques des trois variables égales à zéro. Soient d’abord égales à zéro, on aura
On trouvera, de plus, par les formules données à la fin de l’Article précédent,
d’où
1
o
constante que j’appellerai
2
o
savoir :
ce qui donne, en intégrant et réduisant,
soit cette constante égale à on aura
donc
d’où
étant un angle constant tel, que au commencement
de la rotation du corps ; par conséquent,
donc, si l’on substitue ces valeurs dans les trois équations ci-dessus, on aura
La première de ces équations étant multipliée par et ensuite intégrée, donne
étant la valeur de lorsque c’est-à-dire la vitesse primitive de rotation ; donc, substituant dans la seconde et dans la troisième équation, au lieu de et de leurs valeurs, on aura, après avoir divisé par
et ces équations renfermeront les conditions nécessaires pour que le corps tourne librement autour d’un axe immobile.
Si les forces sont nulles, ou constantes, ou bien si elles sont proportionnelles à on a
par conséquent,
c’est-à-dire que le mouvement de rotation est uniforme, et les équations précédentes se réduisent à
ce qui donne on aura donc
ce qui ne peut arriver, à moins que l’on n’ait Voilà donc les conditions par lesquelles on déterminera la position de l’axe de rotation au dedans du corps. Il est clair que ces conditions sont suffisantes pour une telle détermination, puisqu’on sait que la position d’une droite qui passe par un point donné ne dépend que de deux variables.
Soient maintenant
dans les équations
on trouvera, par des procédés semblables à ceux que nous venons de pratiquer, les conditions de la rotation du corps autour de deux autres axes.
Dans la supposition de
les équations dont il s’agit seront
pour le cas où et
pour le cas où
Dans le premier cas on aura donc c’est-à-dire que la rotation sera uniforme, et de plus pour la détermination de l’axe de rotation.
Le second cas donnera pareillement savoir la rotation uniforme, et pour la détermination de son axe.
On trouvera donc trois axes fixes autour de chacun desquels le corps pourra tourner librement et uniformément, en cherchant dans ce corps la position de trois droites, qui passent par son centre de gravité, et qui soient telles que
savoir :
étant les coordonnées rectangles qui déterminent la position de chaque particule du corps par rapport à chacune de ces droites ; d’où il
est aisé de conclure que les trois axes de rotation dont il s’agit sont nécessairement perpendiculaires entre eux.
Au reste, quel que soit le mouvement du corps autour de son centre de gravité, il y aura toujours un axe instantané de rotation qui passera par ce centre, et qui sera facile à déterminer dès qu’on connaîtra les mouvements angulaires Soient les coordonnées qui répondent à chacun des points placés dans l’axe dont nous parlons : il est clair que ces points devant être immobiles pour un instant, on doit avoir
équations dont la troisième est, comme on le voit, une suite nécessaire des deux premières ; c’est pourquoi on fera simplement
ce qui, en regardant comme variables, et comme constantes, donne une droite dont la position est aisée à déterminer par rapport aux axes des coordonnées
Dans le premier instant du mouvement on a, en faisant dans les équations
de plus, les équations
étant divisées par
et ensuite différentiées, donnent, à cause de
d’où l’on tire
ces valeurs substituées dans les équations ci-devant, on a
et, en éliminant dt
équations qui donnent le rapport des coordonnées entre elles, et par conséquent la position de l’axe de rotation au commencement du mouvement.
XXXVII.
Corollaire II. — Si le corps n’est pas absolument libre, mais qu’un de ses points quelconque soit obligé de se mouvoir sur une surface donnée, alors, prenant ce point pour le centre de rotation, et supposant la surface exprimée par l’équation
on ne fera que mettre, dans l’équation (S), pour et l’on aura, au lieu des trois équations ces deux-ci :
les trois autres ne recevant aucun changement. Mais si, pour simplifier les expressions de on veut que le centre de rotation soit le centre de même de gravité du corps, suivant la Remarque de l’Article XXXV alors on ne doit plus prendre pour les coordonnées de la surface proposée, mais étant les coordonnées qui déterminent la position du point qui se meut sur cette surface par rapport au centre de gravité ; on aura donc
et mettant au lieu de leurs valeurs
et ordonnant les termes,
on trouvera par un raisonnement semblable
donc, substituant cette valeur de dans l’équation (S), et faisant les coefficients des différences restantes chacun égal à zéro, on aura les cinq équations
et pour la sixième équation on prendra celle qu’on a trouvée ci-dessus.
savoir
Mais si l’on supposait que le point qui répond aux coordonnées fût fixement attaché, alors on ferait
ce qui donnerait, en mettant au lieu de leurs valeurs,
on aurait par la même raison
et, ces valeurs substituées dans l’équation (S), on trouverait, en faisant les coefficients de chacun égal à zéro, les trois équations
XXXVIII.
Corollaire III. — Imaginons que le corps soit posé sur un plan ou sur une surface quelconque le long de laquelle il puisse glisser librement, en tournant sur lui-même d’une manière quelconque ; soient les coordonnées de la superficie du corps, et
son équation différentielle, il est clair :
1o Que tandis que le corps a ses divers mouvements chaque point de sa surface parcourt les espaces
dans la direction des coordonnées
Que le point d’attouchement, étant mobile sur cette surface, parcourra de plus dans les mêmes directions les espaces
savoir
d’où il suit que les espaces entiers parcourus par le point touchant seront
Or, ce point devant aussi se mouvoir sur une surface représentée par l’équation
ou bien
en appelant les coordonnées de cette surface pour les distinguer des qui appartiennent au centre de gravité du corps, il faudra mettre dans cette équation, au lieu de les quantités qu’on vient de trouver, ce qui donnera après les réductions
Cette équation appartiendrait en général à tous les points dans lesquels la superficie du corps pourrait rencontrer la surface proposée ; mais dans notre cas, où l’on veut que les deux surfaces se touchent, il faudra de plus supposer qu’elles aient les mêmes tangentes dans leurs points de rencontre, c’est-à-dire que donc l’équation trouvée se réduira à
Par les mêmes raisonnements, on trouvera, en considérant les différences marquées par
Il n’y aura donc plus qu’à substituer cette valeur de
dans l’équation (S), et à égaler ensuite à zéro chacun des coefficients des différences
ce qui donnera les cinq équations
lesquelles étant jointes avec l’équation ci-dessus,
serviront à déterminer le mouvement du corps.
Si l’on voulait que le corps n’eût à chaque instant qu’un mouvement autour du point touchant, c’est-à-dire qu’il n’eût aucun mouvement pour glisser le long de la surface sur laquelle il se meut, alors il est clair que les espaces parcourus par le point d’attouchement sur la surface dont nous parlons et sur celle du corps devraient être exactement les mêmes ; il faudrait donc que
savoir
et pareillement
d’où l’on aurait pour les mêmes valeurs que dans le second cas de l’Article XXXVII et ces valeurs substituées dans l’équation (S) donneraient par conséquent aussi les mêmes équations pour le mouvement du corps, mais avec cette différence que les coordonnées répondraient ici non plus à un point fixe, mais à un point mobile qui change continuellement de place tant sur la surface du corps que sur celle le long de laquelle le corps se meut.
XXXIX.
Scolie. — Les expressions sont en général
Dans les formules de l’Article XXXIV nous avons mis à la place de leurs valeurs tirées de l’équation (Q), et cette substitution a introduit les quantités qui ne peuvent être déterminées que par l’intégration des équations données dans l’Article XXXV. Or, pour éviter cet embarras, il n’y aura qu’à exprimer les coordonnées par d’autres variables, dont les unes dépendent uniquement de la situation du corps et soient par conséquent les mêmes pour chacun de ses points, et les autres au contraire soient différentes pour tous les points du corps et demeurent toujours les mêmes pendant qu’il change de situation. Pour cela, ayant imaginé deux axes perpendiculaires l’un à l’autre, qui passent par le centre de rotation et qui demeurent toujours fixes au dedans du corps, on remarquera : 1o que la position de ces deux axes relativement à un plan fixe quelconque ne dépend que de trois variables qu’on peut nommer 2o que la position de chaque point du corps, relativement à ces axes, dépend encore de trois autres variables que j’appellerai d’où il suit que la position de chaque point du corps par rapport à un plan fixe quelconque dépendra en tout de six variables et qu’ainsi les quantités ne seront que des fonctions de ces mêmes variables, fonctions toujours faciles à déterminer par les éléments de Géométrie. Ayant donc trouvé les valeurs de en on en tirera aisément celles de en faisant varier on substituera ensuite toutes ces valeurs dans les expressions ci-dessus, et l’on intégrera les termes affectés du signe en regardant comme variables, après quoi il ne restera plus de variables que les qui représentent la position du corps à chaque instant.
Au reste les expressions de dont nous venons de parler peuvent servir aussi à trouver les valeurs des différences Soient en général pour chaque point du corps, c’est-à-dire en regardant comme constantes,
on aura également
et par conséquent
Substituant ces valeurs dans l’équation (L), on aura une équation de la même forme que (S), dans laquelle les quantités seront exprimées comme ci-dessus, et les auront les valeurs suivantes :
Je laisse au lecteur le détail de l’application de cette équation, qui n’aura aucune difficulté, après ce que nous avons dit dans les Corollaires précédents.
XL.
Problème IX. — Trouver les lois du mouvement des fluides non élastiques.
Solution. — Il est visible que l’équation (L), qui a servi pour résoudre le Problème précédent, a encore lieu ici, cette équation étant générale pour un système quelconque de corpuscules agités par des forces quelconques
Soit la densité de chaque particule du fluide on aura
et l’équation dont il s’agit sera
Je mets l’exposant
au signe
pour exprimer les trois intégrations que ce signe renferme, relativement aux trois variables
intégrations que nous aurons souvent occasion dans la suite de considérer chacune en particulier.
Maintenant, comme le fluide est supposé incompressible, il faut que le volume de chaque particule lequel est exprimé par reste toujours le même ; on aura donc
savoir
ou, en mettant au lieu de
On aura par la même raison
ou bien
ce qui donne
et par conséquent
est la valeur de quand l’intégrale est nulle ; or, comme cette intégrale doit être prise en variant seulement il s’ensuit que la quantité sera constante par rapport à mais variable par rapport à et c’est-à-dire que cette quantité sera une fonction de et
Donc, mettant dans l’équation , à la place de la valeur qu’on vient de trouver, l’expression intégrale
se changera en celle-ci :
J’écris d’abord le premier membre transformé ainsi :
expression qu’on voit bien être équivalente à la proposée. Or, soit la valeur totale de
exprimée par il est clair qu’on aura, à cause que est constant par rapport à
donc
Je mets de même le second membre sous la forme suivante :
j’opère sur l’intégrale
suivant la méthode de l’Article IX Mémoire précédent : j’aurai, en sup-
posant, pour abréger,
la transformée
où il n’y a plus qu’un seul signe d’intégration ; la formule proposée deviendra donc
ou, ce qui est la même chose,
dans laquelle il ne s’agit plus que de faire disparaître les différences de et
Pour cela il est nécessaire de distinguer d’abord les intégrations relatives à la variabilité de et de en mettant cette intégrale sous la forme suivante :
Or, par la méthode ordinaire des intégrations par parties, on trouve
J’écris au lieu de qui lui est égal, pour dénoter que cette intégrale, de même que la différentielle doit être prise en ne considérant que la variabilité de seul. Soient maintenant la valeur de lorsque l’intégrale commence, et sa valeur lorsque cette intégrale finit ; et soit exprimé par ce que devient en y mettant à la place de et par ce que la même quantité devient en faisant on trouvera, par la Remarque faite à la fin
de l’Article I du Mémoire précédent, que la valeur complète du terme
sera
Mais pour peu qu’on réfléchisse sur la nature de nos formules, il est aisé de voir que quand l’intégrale est nulle, et que quand cette intégrale est précisément égale à c’est pourquoi l’on aura et donc enfin
On trouvera par des opérations et des raisonnements semblables
donc
se changera en
ou, en réduisant,
donc
donc l’équation deviendra
d’où l’on tire pour le mouvement de chaque particule du fluide en général
Ensuite, pour satisfaire au reste de l’équation, on fera
XLI.
Corollaire I. — La valeur de est
l’intégrale étant prise en variant seulement on substituera donc cette valeur dans les équations mais, pour pouvoir faire disparaître le signe on prendra les différentielles de ces deux équations en supposant seul variable, ce qui donnera, en mettant pour sa valeur deux équations
qui jointes à l’équation trouvée ci-dessus feront connaître les valeurs de pour un temps quelconque.
XLII.
Corollaire II. — Telles sont les équations par lesquelles on peut déterminer en général le mouvement d’un fluide non élastique sollicité par des forces quelconques qui agissent suivant des directions quelconques, ou bien par des forces dirigées suivant les lignes comme il est aisé de le voir en examinant les valeurs de ces quantités (Article I).
Pour mieux connaître les équations dont il s’agit, exprimons par les vitesses de chaque particule du fluide parallèlement aux coordonnées c’est-à-dire les valeurs de on aura, en divisant par
On voit par ces équations que les quantités sont nécessairement des fonctions des variables qui déterminent la position des particules à chaque instant, et du temps écoulé depuis le commencement du mouvement ; or, dans l’instant il est clair que les variables deviennent donc les variations des quantités dans cet instant ne seront pas seulement mais
et telles seront les valeurs de donc, si on substitue ces valeurs dans les équations et qu’on suppose pour plus de simplicité les forces nulles ou telles que
et de plus la densité
constante, on aura, en divisant par
et marquant toutes les différences par
ce qui est absolument indifférent ici,
Ces équations peuvent s’abréger en supposant
ce qui les réduira à
On peut satisfaire à ces deux équations, en faisant
comme il est facile de s’en assurer ; or la troisième de ces conditions est évidemment une suite nécessaire des deux premières ; donc on n’aura réellement que deux conditions à remplir, lesquelles pourront s’exprimer plus simplement en disant que doit être une différentielle complète ; et ces conditions jointes avec celle que donne l’équation savoir, en changeant en
serviront à déterminer les mouvements du fluide dans plusieurs cas particuliers.
Ces cas se réduisent à ceux où l’on suppose que les particules du fluide décrivent des courbes invariables, ce qui arrive quand les rapports des vitesses sont indépendants du temps c’est-à-dire quand les quantités sont simplement des fonctions de multipliées par une même fonction de Car, soit mis dans les équations générales à la place de ( étant une fonction quelconque de et étant maintenant regardées comme des fonctions indéterminées de sans ), on trouvera, après avoir divisé par
Or, comme les termes sont les seuls qui renferment il faut nécessairement qu’ils soient égaux à zéro séparément de tous les autres, pour que les équations soient possibles ; on aura donc ce qui satisfait encore au reste de l’une et de l’autre équation, comme on l’a vu plus haut.
Il y a pourtant un cas où les équations précédentes peuvent être vérifiées sans supposer et c’est celui où l’on aura
c’est-à-dire où
et étant deux constantes quelconques ; car alors les termes se trouveront entièrement indépendants du temps ainsi que tous les autres.
Au reste, en combinant les équations avec l’équation
. on peut séparer les indéterminées et l’on aura
XLIII.
Remarque. — Quand on aura trouvé, par le moyen des équations de l’Article précédent, les valeurs générales de il faudra de plus déterminer ces valeurs, en sorte que les particules contigués aux parois du vase dans lequel le fluide se meut puissent couler le long de ces parois ; soient leurs coordonnées, et
l’équation qui représente la figure du vase donné, en mettant, au lieu de leurs valeurs dénotant les valeurs de lorsque deviennent on aura l’équation
qui devra être vraie indépendamment de
Dans le cas où le temps n’entre point dans le rapport des vitesses il est clair qu’il n’entrera pas non plus dans l’équation
mais alors les valeurs de étant beaucoup moins générales, il pourra arriver que cette équation ne se vérifie qu’en supposant que les quantités aient certaines conditions, c’est-à-dire que le vase ait une certaine figure ; c’est ce que M. d’Alembert a déjà remarqué dans un excellent Mémoire sur les lois du mouvement des fluides, imprimé dans le premier volume de ses Opuscules mathématiques. Mais ce savant Géo-
mètre prétend de plus que, lorsque le vase aura une autre figure quelconque, le mouvement du fluide ne pourra plus être soumis au calcul : c’est de quoi je ne saurais tomber d’accord avec lui ; car il me semble que tout ce qu’il faudrait conclure alors, c’est que la supposition particulière de
et
cesserait d’être exacte, et que par conséquent les valeurs de
dépendraient de la résolution générale des équations
Il est vrai que M. d’Alembert prétend que les équations sont les seules vraiment exactes pour déterminer les lois du mouvement des fluides ; il se fonde sur ce que le rapport des vitesses doit être indépendant du temps dans les particules qui coulent le long des parois du vase ; d’où il infère qu’il doit l’être aussi en général dans toutes les particules du fluide ; mais cette conséquence, si j’ose le dire, ne me paraît point assez juste. En effet, on peut très-bien imaginer, ce me semble, des fonctions de telles, que la variable ne disparaisse de l’expression de leur rapport que lorsque deviennent et sont liées par l’équation
En général, il me paraît certain qu’en résolvant les équations par des méthodes analogues à celles que j’ai expliquées dans les Recherches sur le Son, imprimées ci-devant, on aura une solution applicable à tous les cas possibles, et par laquelle on pourra déterminer le mouvement des fluides qui se meuvent dans des vases de figure quelconque, et qui ont reçu au commencement des impulsions quelconques.
Il ne pourra y avoir de difficulté que dans les seuls cas où le fluide se divisera en se mouvant et cessera de former une masse continue ; mais alors, ayant trouvé par le calcul, ce qui est toujours possible, les endroits où le fluide doit se diviser en plusieurs portions, on considérera ensuite chaque portion à part, et on en déterminera le mouvement en la regardant comme une masse isolée.
Nous avons observé dans l’Article précédent qu’il y a un cas où les équations ne sont pas indispensables dans l’hypothèse que les rapports des vitesses
\alpha,\beta,\gamma
soient indépendants du temps M. d’Alembert a fait aussi cette remarque dans l’Article X de son Mémoire cité ci-dessus ; mais il trouve, par ses formules, que le cas dont il s’agit est celui où
au lieu que, suivant les nôtres, ce cas est celui où
Or cette différence vient d’une légère méprise qui s’est glissée dans les calculs de M. d’Alembert, mais qui n’influe d’ailleurs en rien sur le reste de ses ingénieuses recherches.
Pour faire sentir la vérité de ce que nous avançons ici, examinons les équations que M. d’Alembert donne dans l’Article I du Mémoire cité pour les fluides pesants qui se meuvent dans un plan. Ces équations sont :
1
o
2
o
est la gravité, est une fonction quelconque de comme ci-dessus ; expriment les vitesses que nous avons nommées et et les quantités sont telles, que
La première de ces équations résulte de l’incompressibilité des particules du fluide, et revient par conséquent au même que l’équation ci-dessus en y faisant À l’égard de la seconde, l’Auteur la tire de cette considération, que les forces verticales et horizontales, perdues à chaque instant par les particules du fluide, doivent se faire équilibre ; ces forces sont, selon lui,
ce qui donne, par les lois générales de l’équilibre des fluides, l’équation dont nous parlons. Or je dis que, suivant les hypothèses de
M. d’Alembert, il faut écrire
au lieu de
dans les expressions des forces en question. Car il est facile de voir que ces forces sont en général
savoir :
c’est-à-dire
mais
donc ces quantités deviendront
Ainsi l’on aura à la rigueur l’équation
de laquelle le temps ne disparaît que quand est proportionnel à c’est-à-dire
d’où l’on tire, comme ci-dessus,
au lieu que, selon l’équation de M. d’Alembert, cela doit arriver lorsque
ce qui donne, en intégrant,
comme cet Auteur l’a trouvé.
XLIV.
Corollaire III. — Si, au lieu de considérer les vitesses on veut considérer les variables elles-mêmes, on remarquera que ces variables ne peuvent être que des fonctions du temps et des valeurs qu’elles avaient au commencement du mouvement quand valeurs qui doivent être entièrement arbitraires, pour que la solution du problème ait toute la généralité possible.
Dénotons ces valeurs par c’est-à-dire supposons que les variables qui représentent la position de chaque particule du fluide, après un temps quelconque soient au commencement du mouvement les différences de s’exprimeront en général de la manière suivante :
de sorte que
et
Substituant dans les équations au lieu de et supposant d’ailleurs, pour simplifier le calcul, constant, et
on trouvera, après avoir divisé les deux premières par et la troisième par
Or
exprime, comme on sait, le coefficient qu’aurait
dans la différentiation de
supposé que
fût exprimée par une fonction de
et ainsi des autres expressions semblables. Donc, puisque les quantités
sont, par hypothèse, des fonctions de
il faudra substituer dans
à la place des variables
leurs valeurs en
et différentier ensuite en prenant
pour variables, ou bien, ce qui revient au même, différentier d’abord les quantités
en faisant varier
et substituer ensuite au lieu de
leurs valeurs en
Des expressions de données ci-dessus, on tire par les règles communes de l’Algèbre
étant mis, pour abréger, au lieu de
Or est la différence de qui nait des différences ou bien des différences donc on aura en général
on aura de plus, à cause que la différence de est une différentielle complète,
donc
on trouvera de même
substituant, au lieu de les valeurs trouvées ci-devant, il viendra
Donc prenant, dans l’expression de le coefficient de dans celle de le coefficient de et dans celle de le coefficient de on aura les valeurs de et l’équation deviendra
ou, ce qui est la même chose,
d’où l’on tirera savoir :
étant une fonction de sans savoir la valeur de lorsque
À l’égard des deux équations on remarquera que est la même chose que c’est pourquoi il n’y aura qu’à différentier la valeur de trouvée ci-dessus, en ne faisant varier que et l’on aura
de la même manière on trouvera
On substituera donc dans ces expressions, comme on a fait ci-dessus dans celles de les valeurs de en et prenant les coefficients de et de dans la différentielle et ceux de dans les deux différentielles on aura les valeurs de
lesquelles étant mises à la place de ces quantités dans les équations il nous viendra, en ôtant le dénominateur commun les deux équations
Si l’on met dans ces deux équations, aussi bien que dans celle qui a été trouvée précédemment pour leurs valeurs on aura trois équations générales qui ne renfermeront que les changeantes avec leurs différences relatives à et par lesquelles on pourra déterminer la position de chaque particule du fluide à chaque instant de son mouvement.
XLV.
Scolie. — Les équations
que nous avons supposées dans l’Article XLII pour simplifier les formules ont lieu quand toutes les forces sont telles que leurs actions sur les particules du fluide se détruisent mutuellement, c’est-à-dire que les particules du fluide animées par ces forces se font équilibre.
En effet, si le fluide est en repos, les vitesses
sont nulles, et les équations
se réduisent à celles que nous venons de rapporter.
Au reste, pour pouvoir faire usage des équations dont il s’agit, il n’est pas nécessaire que les quantités soient uniquement des fonctions de comme il semble qu’on pourrait le conclure de la forme même de ces équations.
Supposons, par exemple, que les quantités renferment outre les variables encore une quatrième variable représentée par une ligne quelconque, il est clair que, quelles que soient la nature et la position de cette ligne, on pourra toujours exprimer sa différentielle de cette manière : par conséquent, la valeur complète de l’expression qui n’est autre chose que le coefficient de dans la différentiation de sera
on trouvera de même
pour les valeurs complètes des expressions substituant ces valeurs dans les équations ci-dessus, elles deviendront
équations dans lesquelles les différentielles qui dépendent de chacune des variables se trouvent séparées.
Je fais cette remarque relativement à un endroit de l’excellent Traité de la résistance des Fluides (Article 164).
Si la densité est constante, les équations
deviennent, en divisant par
lesquelles renferment les conditions de l’équilibre des fluides homogènes.
Supposons que le fluide soit composé de différentes couches, dont, chacune soit d’une densité uniforme, et qu’on en cherche l’équation ; soient les coordonnées de chacune de ces couches, on aura par hypothèse
Or les équations
donnent
substituant dans l’équation ci-dessus les valeurs de tirées de celles-ci, et ordonnant les termes, il viendra
savoir, en multipliant par
équation qui exprimera la figure de chaque couche où la densité est uniforme.
Si l’on a
c’est-à-dire si les forces
sont par leur nature telles, qu’elles puissent tenir en équilibre une masse fluide homogène, alors l’équation précédente se réduit à
ce qui donne
équation générale des couches de niveau, comme il est aisé de le voir, d’où il s’ensuit que, dans ce cas, chaque couche de niveau sera nécessairement d’une densité uniforme dans toute son étendue.
Tel devrait donc être l’arrangement de différentes parties de la terre si elle avait été primitivement fluide ; car il est aisé de prouver par le calcul, et M. Clairaut l’a démontré à l’Article LIV de sa Théorie de la figure de la Terre, que les forces résultantes de toutes les attractions que les particules exercent les unes sur les autres, ont d’elles-mêmes les conditions
Cependant un grand Géomètre a cru qu’il n’était pas toujours nécessaire que les surfaces des différentes couches fussent de niveau, et il a donné un autre principe pour connaître la figure de ces surfaces[3]. Mais les équations que son principe fournit ne sont elles-mêmes dans le fond que celles des couches de niveau. Pour le démontrer d’une manière générale, soit un sphéroïde composé de couches de différentes densités, et dont le rayon soit exprimé généralement par étant une quantité constante dans la même couche, étant une fonction quelconque de et d’un angle variable pour tous les points de chaque couche, et a marquant une petite quantité constante. Qu’on réduise l’attraction totale que ce sphéroïde exerce sur chaque particule d’une couche quelconque, à deux forces, l’une verticale, c’est-à-dire perpendiculaire à la couche, et qui pourra sans erreur sensible être supposée égale à la pesanteur qui tend au centre du sphéroïde ; l’autre horizontale, savoir dans la direction même de la couche, laquelle est à peu près perpendiculaire au rayon ; et soit nommée la première et la seconde Par le principe de l’illustre Auteur dont nous venons de parler, il faudra multiplier la force horizontale par marquant la densité du fluide qu’on suppose être une fonction de seulement, ensuite la différentier en ne faisant varier que de même il faudra multiplier la force verticale par et différentier ensuite en ne faisant varier que après quoi on égalera les deux différentielles, ce qui donnera l’équation
savoir
Or, en faisant le calcul, on trouvera toujours que les quantités seront telles que
donc il ne restera que l’équation
qui donne savoir la force horizontale nulle, et par conséquent chaque couche de niveau.
XLVI.
Corollaire IV. — Je viens maintenant à l’équation Par la nature des expressions dont cette équation est composée, il est manifeste qu’elle appartient uniquement à la surface postérieure du fluide. Or, si l’on suppose qu’il n’y ait point de parois qui soutiennent le fluide, les valeurs de demeureront absolument arbitraires, et l’équation ne pourra se vérifier qu’en faisant généralement savoir la valeur totale de l’intégrale nulle.
Soient rapportées les équations à la surface postérieure du fluide, en y mettant au lieu de et supposant l’intégrale nulle, ce qui rend on aura
donc
C’est la valeur de la différentielle de prise dans la surface dont nous parlons ; donc, puisque la quantité y doit être généralement égale à zéro, sa différentielle le sera aussi, et l’on aura par conséquent l’équation
qui sera celle que la surface postérieure du fluide doit avoir.
On trouvera une équation semblable pour la surface antérieure du fluide ; car nommant les coordonnées pour cette surface, et ce que devient quand deviennent on aura en général, comme on l’a déjà remarqué, Article XL, donc aussi
Or
et
donc
Donc, en général, quand le fluide est libre de tous côtés, sa surface extérieure doit être déterminée par l’équation
Supposons maintenant que le fluide soit soutenu par des parois fixes de figure quelconque, et dont l’équation soit
Si l’on considère les trois expressions intégrales de l’équation on voit qu’elles renferment chacune deux intégrations qui se rapportent à et dans la première, à et dans la seconde, à et dans la troisième. Or, puisque la relation des trois variables est donnée par l’équation ces différentes intégrales pourront être ramenées toutes à la même forme, c’est-à-dire être rapportées à deux seules changeantes et il n’y aura pour cela qu’à mettre dans la première, au lieu de sa valeur en et dans la seconde sa valeur en par là l’équation deviendra celle-ci
Mais puisque
on doit avoir aussi
donc l’équation sera identique et ne fournira aucune condition ; ainsi
tout se réduira à faire en sorte que les équations générales
satisfassent, après leur intégration, à l’équation donnée
XLVII.
Remarque. — Je ne m’étends pas davantage sur cette matière, pour ne point passer les bornes que je me suis prescrites dans le présent Mémoire. Au reste, par les formules et les méthodes données dans ce Problème et dans les précédents, on pourrait encore trouver la solution de plusieurs questions qui concernent les fluides : comme le mouvement d’un fluide enfermé dans un vase mobile, les oscillations d’un corps qui flotte sur un fluide, la résistance qu’un fluide fait à un corps qui s’y meut, et d’autres Problèmes de cette espèce.
XLVIII.
Problème X — Trouver les lois du mouvement des fluides élastiques.
Solution. — Par notre principe général, il faut que la quantité soit un maximum ou un minimum ; donc, en faisant les mêmes raisonnements que dans le Problème VI, on trouvera l’équation
Or, si aucune force n’agissait entre les corpuscules on aurait, conformément à la formule (X) du même Problème,
mais le fluide étant supposé élastique, on doit regarder chaque particule comme un ressort qui agit de tous côtés sur les particules contiguës. Nommant la force du ressort, et l’espace par lequel il tend à se
dilater, on trouvera, en appliquant ici la formule (U) de l’Article VIII,
ou, en mettant au lieu de et prenant négativement à cause que cette force tend ici à éloigner les particules,
Substituant cette valeur dans l’équation ci-dessus, et mettant au lieu de sa valeur on aura donc
Or, comme l’action du ressort consiste à augmenter le volume de chaque particule il est clair qu’il faudra prendre ce volume même pour la valeur de l’espace donc par conséquent,
en transposant les signes donc
formule qu’on peut mettre sous cette forme :
Or se réduit, en intégrant par parties, à
(j’écris
au lieu de
pour dénoter que cette différentielle doit être prise en ne variant que
), et à
en complétant l’intégrale, suivant la remarque que nous avons faite à la fin de l’Article I du Mémoire précédent ; on changera de même
et
donc
donc, substituant dans l’équation au lieu de l’expression qu’on vient de trouver, on aura enfin
équation réduite à l’état qu’exige notre méthode. Supposant donc les coefficients des différences
chacun égal à zéro, on aura
et le reste de l’équation donnera
XLIX.
Corollaire I. — Les trois équations renferment les lois générales du mouvement des fluides élastiques. Pour faire usage de ces équations on supposera, comme dans l’Article XLII,
on mettra au lieu de leurs valeurs trouvées dans le même Article, et marquant, pour plus de simplicité, toutes les différences par on trouvera, après avoir divisé par les trois équations
dans lesquelles il ne faudra plus que substituer, au lieu de et de leurs valeurs en
Voici comment on trouvera ces valeurs : exprime la force du ressort de chaque particule du fluide, laquelle est ordinairement proportionnelle à la densité ; supposons donc, pour plus de généralité, que cette force soit comme une fonction quelconque donnée de la densité, en sorte que on aura
Ensuite, pour trouver on observera que la masse de chaque particule du fluide est et que cette masse reste toujours la même quelque mouvement que le fluide reçoive ; donc sa différentielle, en faisant varier doit être nulle, ce qui donne
savoir :
ou
Or
donc
on trouve de même
de plus, exprime la variation de dans l’instant donc, si l’on suppose que soit représenté par une fonction quelconque de on trouvera que la valeur complète de sera
on mettra ces valeurs dans l’équation ci-dessus, et changeant les lettres
en
et multipliant le tout par
on aura
ou
équation par laquelle on connaîtra et par conséquent
L.
Corollaire II. — Soit, suivant l’hypothèse ordinaire, par conséquent et qu’on mette les équations sous cette forme :
on aura
Supposons encore
on aura (Article précédent) l’équation
donc, chassant les quantités par le moyen des équations précédentes, divisant par et transposant, on aura
ou, pour abréger,
Or les équations ci-dessus se réduisent à
donc, comparant ces équations avec celle qu’on vient de trouver, on aura
équations où la lettre ne se trouve plus. On trouvera encore, en combinant ensemble les équations ci-devant,
deux équations qui reviennent au même que les équations de l’Article XLII. On aura donc cinq équations toutes délivrées de la lettre dont trois prises à volonté suffiront pour résoudre le Problème.
Si l’on suppose que le mouvement du fluide soit parvenu à un état permanent, alors on aura et par conséquent
LI.
Corollaire III — On peut encore représenter le mouvement du fluide par les variables comme dans l’Article XLIV. Pour cela on cherchera d’abord la valeur de au moyen de l’équation laquelle, en introduisant les lettres devient celle-ci :
Or, par les formules de l’Article cité, on trouve
par conséquent,
d’où l’on tire
savoir :
Pour déterminer la constante on remarquera qu’au commencement du mouvement
donc
ce qui donne ; d’où il s’ensuit que doit être égale à la densité que le fluide a au premier instant de son mouvement.
Ayant trouvé l’expression de il n’y aura plus qu’à la substituer dans les équations or, étant une fonction de sa différentielle, en prenant constant, sera représentée par
ainsi, pour avoir les valeurs de il faudra encore substituer au lieu de leurs expressions en trouvées dans l’Article XLIV ce qui, en supposant
donnera
d’où l’on tire
et par conséquent, suivant l’hypothèse de l’Article
XLIX,
On substituera donc ces-valeurs dans les équations et l’on aura, en divisant par qui est égal à
Si l’on suppose dans ces équations
elles reviennent au même que celles que M. Euler a trouvées par une voie différente (Recherches sur la propagation des ébranlements dans un milieu élastique, Miscellanea Taurinensia, t. II, p. 6).
LII.
Scolie. — À l’égard de l’équation qui reste encore à examiner, on prouvera, par un raisonnement semblable à celui de l’Article XLVI que si le fluide appuie contre des parois fixes, les trois termes
sont toujours égaux à zéro aussi bien que les trois autres
Mais si l’on suppose le fluide libre de toutes parts, ou seulement de quelque côté, alors la quantité devra être nulle à la surface extérieure du
fluide dans les endroits où il est libre ; on aura donc, pour cette surface, l’équation
savoir :
ou, en mettant au lieu de leurs valeurs tirées des équations
précisément comme on a trouvé dans l’Article cité, pour les fluides non élastiques.