Poleni equation (d), Exercitationes vitruvianae primae [-tertiae]. Hoc est: Ioannis Poleni commentarius criticus de M. Vitruvii Pollionis architecti. 10. librorum editionibus, necnon de eorundem editoribus, atque de aliis, qui Vitruvium quocumque modo explicarunt, aut illustr (d)
En 1683, son père, Jacopo Poleni a participé et affiché beaucoup de courage dans la bataille contre les Turcs pendant le second siège de Vienne, et l'empereur des Romains Léopold Ier, lui a décerné en , pour ses mérites, les titres de « marquis, comte de Saint-Michel Archange, pour lui et ses descendants » et donc Giovanni, né le à Venise, fils unique du marquis Jacopo Poleni et de la marquise Elisabetta Broiuola, est devenu lui-même un marquis à l'âge de deux ans, titre qui sera confirmé en 1686 par la république de Venise.
Le , obéissant à son père, Giovanni Poleni se marie à Orsola Roberti (1686-1737), qui appartenait à une famille noble de Bassano del Grappa. Ils ont eu six enfants, dont l'ainé Jacopo (1709-1747), Eugenio (1717-1736), qui était destiné à perpétuer la famille, est mort seulement à l'âge de 18 ans. En 1736-1737, Giovani Poleni perdra dans un délai de 14 mois, son fils, sa femme et son père. Une des filles de Poleni, Elisabetta est devenue marquise de Pontedera, en épousant Guilio Pontedera, botaniste et spécialiste en sciences.
Un surmenage excessif a affecté progressivement sa santé, mais pas son enthousiasme, jusqu'à sa mort due à un anévrisme aortique le , à Padoue. Ses restes ont été déposés dans la chapelle de San Giacomo(it), où ses fils ont placé un monument en son honneur. Les citoyens de Padoue ont ensuite décrété que la statue de Poleni, l'une des premières œuvres d'Antonio Canova[Note 1],[4], devait être placée parmi les hommes illustres sur le Prato della Valle[5]. Une médaille en son honneur a été frappée par la république de Venise[6].
Giovanni Poleni étudie l'architecture civile et militaire sous la direction de Giuseppe Marcati. Il étudie les lettres classiques, la philosophie, la théologie, les mathématiques et la physique à l'École des pères somasques, à Venise. Il commence ensuite, avec l'encouragement de ses parents, une carrière judiciaire.
En 1707, il effectue ses premières expériences scientifiques, et rencontre la même année, Jean-Baptiste Morgagni, fondateur de l'anatomo-pathologie moderne, avec qui il commence une relation d'amitié et de collaboration qui a continué jusqu'à sa mort[Note 2].
C'est aussi en 1709, qu'il publie son premier traité Miscellanea, qui est une collection de dissertations sur la physique Texte en ligne sur Google Livres.
Dans la deuxième partie de son traité, il inclut la description d'une calculatrice (« machina aritmetica »), conçue sur le principe de la roue à cliquet, et sur la roue à nombre variable de dents, dont il fut le premier à utiliser le principe[7].
Dans la troisième partie de son traité, consacrée en partie à la gnomonique, il décrit une nouvelle méthode pour le tracé des cadrans solaires[8],[9].
En 1715, il devient professeur de physique, en plus de la chaire d'astronomie et de météorologie. Il est invité par le Sénat de Venise en qualité d'ingénieur pour étudier des problèmes d'hydraulique, liés à l'irrigation de la Basse-Lombardie, à l'approvisionnement en eau, au contrôle des inondations et au dépôt de sédiments dans la lagune de Venise[12]. Il devient ainsi, l'un des experts les plus demandés en la matière. Son nom est resté dans le domaine de l'hydraulique (formule de Poleni), en ce qui concerne le calcul de débit (coefficient de décharge(de)), mesuré sur l'arête d'un déversoir .
En 1725, il inaugure une série d’observations et de mesures systématiques en météorologie qu'il effectuera pendant plus de 40 ans aidé par son fils et sa femme de chambre. Ses relevés exceptionnellement précis, seront très utiles à ses successeurs météorologues, dont Jean-Baptiste Morgagni, l’abbé Giuseppe Toaldo[15] et son fils Francesco Poleni qui poursuivra les observations météorologiques jusqu'au [16].
Sur la base de rapports qu'il reçoit (sur Blaise Pascal, inventeur de la « pascaline » en 1645, et de la machine de Leibniz inventée en 1694), il construit sa « macchina aritmetica » mais il entend parler d'une autre machine, construite en 1727 par le mathématicien et mécanicien autrichien Anton Braun(de), utilisant aussi la roue à nombre variable de dents, et capable d'effectuer les quatre opérations. Il apprend que celui-ci a reçu 10 000 florins, pour dédier sa machine à l'empereur des Romains Charles VI à Vienne (machine conservée au musée des techniques de Vienne). La réalisation de sa machine a échoué en raison des difficultés de fabrication à l'époque, de sorte qu'il a décidé de détruire son propre prototype et ne l'a jamais reconstruit[17].
En 1739, à la suite de la publication de ses recherches en archéologie dans ses Exercitaxiones Vitruvianæ (1739), il est nommé à la chaire de philosophie expérimentale, qui venait juste d’être créée en 1738 à Padoue.
Le , il fonde et inaugure le « Teatro di filosofia sperimentale », le premier laboratoire de physique créé dans une université italienne, regroupant un important ensemble d'instruments scientifiques[Note 3] destinés à la recherche et à l'expérimentation, dont certains ont été inventés par lui-même. Ce laboratoire lui permet d'acquérir une renommée internationale. Il continue à enrichir cette collection jusqu'à sa mort, avec près de quatre cents instruments scientifiques différents. L'astronome français Jérome Lalande a dit de son laboratoire : « Je n'ai jamais vu un plus beau laboratoire de physique ». Une centaine d'instruments de cette collection, est encore visible au musée d'histoire de la physique de Padoue(it)[20].
Cabinet de physique de Giovanni Poleni (Musée d'histoire de la physique de Padoue)
Ses recherches scientifiques sont menées en parallèle avec des recherches en architecture et en archéologie qui le rendent si célèbre que le pape Benoît XIV l'invite à Rome en 1743 pour examiner le dôme de la basilique Saint-Pierre, à la suite de l'apparition de fissures dès 1741, et effectuer la vérification statique de l'équilibre de la coupole.
Poleni est ensuite rappelé à Padoue pour assumer des fonctions judiciaires.
En 1756, Poleni est nommé à la chaire d'études marines et de la construction navale à Padoue. À partir de ce moment, il enseigne les sciences nautiques et la construction navale. Ses travaux, dans de multiples domaines scientifiques, sont récompensés par l'attribution de prix, décernés par l'Académie des sciences : en 1733, pour une étude sur le calcul de la distance parcourue par un navire, en 1733, pour une étude des ancres, en 1741, pour une étude sur les grues, treuils et cabestans.
En plus des nombreux intérêts scientifiques différents, il publie des traités sur l'architecture antique : traité sur le temple d'Artémis à Éphèse en 1742, traité sur les théâtres et amphithéâtres antiques, sur les découvertes archéologiques françaises, sur un obélisque de l'empereur Auguste, et sur plusieurs sujets d'architecture.
Passionné de musique, il a été le protecteur du violoniste et compositeur Giuseppe Tartini.
En 1763, son éloge a été prononcé par Jean-Paul Grandjean de Fouchy, astronome et secrétaire perpétuel de l'Académie Royale des sciences de Paris[21].
La macchina aritmetica
Schéma de la Macchina aritmetica (1709)
La première calculatrice mécanique inventée et fabriquée en Italie est celle de Giovanni Poleni. Son projet était de produire une machine, similaire à celle de Leibniz, pouvant effectuer automatiquement les quatre opérations arithmétiques, en utilisant un mécanisme totalement original : il traspositore a denti rialzabili. Ce mécanisme permet l'automatisation de la multiplication par le facteur de rétention du numérateur, en évitant le besoin de réglage continu du nombre. La machine de Poleni diffère également des dispositifs antérieurs qui tentent de rendre le fonctionnement automatique. Grâce au moteur, constitué par un poids, Poleni a limité l'intervention humaine au seul réglage du calcul, laissant la machine exécuter le travail.
Malheureusement, l'original de la machine a été perdu, mais il subsiste une description détaillée dans sa publication de 1709. La machine dispose d'un cadre en bois ouvert, se terminant sur le dessus avec une corniche et l'avant par une plaque carrée fixée au châssis de telle sorte que la diagonale du carré soit parallèle à la base de la machine. Au centre de la plaque, un cadran circulaire à gorge est inséré, divisé en neuf parties égales et numérotées de un à neuf. En correspondance avec chaque numéro il y a un trou à l'intérieur duquel se trouve la broche qui bloque le mouvement de la manivelle au centre du cadran. Au-dessus de la plaque carrée est situé le totalisateur qui se compose de six cadrans circulaires disposés en arc de cercle, dont chacun possède deux fenêtres pour afficher le numérateur. Au-dessus du numérateur est placée une autre manivelle qui entraîne, à travers les trois roues dentées situées sur la face arrière, le passage des vitesses pour la sélection du numérateur dans les opérations de multiplication et de division.
Réplique de la Macchina aritmetica, Musée des sciences et des techniques Léonard de Vinci de Milan
L'élément central de la machine est constitué par la roue à nombre variable de dents, dont les dents sont déplaçables manuellement de manière à permettre la sélection du numérateur de la roue dentée pour engrener. Le fonctionnement de la machine est entraîné par un lest, constitué d'une corde enroulée sur un cylindre, auquel une masse est suspendue au moyen d'un système de poulies. Pour l'utiliser, il est nécessaire de remonter préalablement le poids par enroulement de la corde autour du cylindre, puis régler le chiffre en utilisant la broche à insérer dans les trous de la molette et la manivelle sur le cadran. Ensuite, il est nécessaire de sélectionner manuellement les dents du traspositore pour fixer les roues du totalisateur et libérer la chute du poids[22]. La seule limitation de sa machine se situe dans la capacité d'effectuer des opérations, sur des nombres limités à trois chiffres.
Celle-ci a rencontré une certaine notoriété dans les décennies suivantes en Europe, grâce aux écrits, de Jacob Leupold, et sa description dans son « Theatrum Machinarum Generale » (La Théorie générale des machines), publié en 1724 puis dans son « Theatrum arithmetico-geometricum » (publication posthume en 1774)[23]. En 1804, les écrits de Johann Paul Bischoff, dans « Versuch einer Geschichte der Rechenmaschine » (Essai d'histoire de la machine à calculer), ont aussi détaillé la calculatrice de Giovanni Poleni, mais ceux-ci n'ont été publiés que tardivement en 1990 (OCLC24671528)[24].
Ceux-ci constituent les premiers instruments opérationnels, à directrice fixe, faisant appel à de la mécanique de précision où les fils (peu fiables car difficiles à garder tendus), sont remplacés par des tiges rigides dont la longueur peut varier grâce à des glissières[19]. Ces appareils sont décrits à son collègue mathématicien Jakob Hermann, et permettent de tracer la tractrice, ainsi que les courbes logarithmiques, comme en 1729, la « syntractrice »[Note 4] (ou courbe des forçats, ou courbe de Poleni)[25],[26].
Les contributions importantes de Giovanni Poleni dans le domaine de la géométrie, vont servir ensuite, au développement d'intégraphes universels à directrice variable, aux travaux de Leonhard Euler en 1736 et aussi à Vincenzo Riccati en 1752, pour le développement de méthodes d'intégration des équations différentielles[27],[28].
La consolidation du dôme de la basilique Saint-Pierre de Rome
Le , le pape demande tout d'abord l'expertise d'un groupe de mathématiciens et de géomètres[29], puis le , une expertise d'un groupe composé d'architectes, d'hommes de métier, et d'artisans, et à la fin du mois de novembre, il s'en remet à l'expertise hic et nunc des mathématiciens Roger Joseph Boscovich, François Jacquier, et Thomas Le Seur[30],[Note 5], mais en définitive, il confie la mission, le , à un autre mathématicien et physicien, Giovanni Poleni, auteur d'un ouvrage pédagogique[Note 6] consacré à l'utilité des mathématiques dans la leçon de physique[31]. Dans son étude, Poleni pensait que la coupole, conçue par Michel-Ange, puis modifiée par son successeur Giacomo della Porta, était « très solide, et que si elle venait jamais à menacer ruine, il ne resterait d'autre ressource que de la démolir »[Note 7]. Il mettait en cause la mauvaise qualité de la construction : construction trop rapide (« voûtée en vingt-deux mois »), la mauvaise qualité des matériaux, et une mauvaise mise en œuvre, au niveau des contreforts, afin de privilégier l'ornementation.
Analogie entre une arche et une chaîne de suspension, comparaison avec le dôme de Saint-Pierre de Rome (1748)
Quant à la forme de la coupole, elle s'éloigne de la courbe idéale de la « chaînette renversée », qui permet de suivre et de contenir la ligne de poussée. Poleni s'appuie, en particulier, sur les travaux du physicien anglais Robert Hooke publiés en 1678, (bien qu'il ne soit pas cité dans son rapport), et de ceux du mathématicien écossais James Stirling publiés en 1717[32](voir figure XI du livre premier[33]).
Poleni a l'intuition que les fractures du dôme sont dues aux énormes poussées horizontales à la base de celui-ci (voir figure XXII du livre troisième[34],[35]). Dans son rapport, il applique sur la forme de la coupole, le tracé de la courbe idéale de la chaînette renversée (voir figure XIV du livre premier[36]). Celle-ci est tangentielle à la partie interne du dôme (zones notées de D à L), et indique la présence d'une zone de compression, ou d'écrasements sur l'intrados, ainsi qu'une zone d'expansion, ou d'ouverture de fractures sur l'extrados[37].
Le , Poleni propose le renforcement de la coupole, par un cerclage supplémentaire : cinq anneaux métalliques (notés de A à E sur le plan, voir figure XXVI du livre quatrième [38]), plus un anneau supplémentaire (noté Z), remplaçant un des trois anneaux originaux du XVIe siècle, inclus dans la maçonnerie entre 1589 et 1590, et qui est apparu cassé.
L'étude rhéologique est effectuée à l'aide d'un instrument de laboratoire nommé « macchina divulsoria »[39], conçu pour déterminer la résistance des matériaux, à la traction[Note 8]. Cet instrument inventé par Poleni, était cependant basé sur le banc de traction, inventé en 1729 par le physicien néerlandais Pieter van Musschenbroek[40], et va servir à la conception théorique et expérimentale, de la solution proposée au pape[20].
Ces six anneaux (voir figure XVIII du livre premier[41])[Note 9] ont été installés entre 1743 et 1748, par Luigi Vanvitelli, l'architecte responsable de la basilique (voir figure XXIII du livre troisième[35])[42], en utilisant la méthode de restauration de la maçonnerie, dite cuci-e-scuci (coudre-et-découdre)[43], et la ceinturent encore aujourd’hui[44],[Note 10].
Dôme de la basilique Saint-Pierre de Rome
Dôme de la basilique Saint-Pierre de Rome, dans le rapport de 1748
Son rapport de 1743 au pape a été publié dans « Memorie istoriche della Gran Coupola del Tempio Vaticano » en 1748[31].
Avec un autre instrument de laboratoire, le pyromètre (ou dilatomètre), conçu en 1731 par Pieter van Musschenbroek, il a vérifié la résistance du marbre et du ciment, aux variations de température[11].
Publications
Miscellanea. Hoc est I. Dissertatio de Barometris, & Thermometris, II. Machinae Arithmeticae, eiusque usus descriptio, III. De Sectionibus Conicis parallelorum in horologiis solaribus tractatus. Venise, Aloysius Pavinus 1709 Texte en ligne
De vorticibus coelestibus dialogus: qui accedit quadratura circuli Archimedis, Padoue, 1712.
De physices in rebus mathematicis utilitate: praelectio, Padoue, 1716.
De Motu Aquae mixto libri duo. Quibus multa nova pertinentia ad Aestuaria, ad Portus, atque ad Flumina continentur. Patavii Iosephi Comini 1717. Étude de l'eau en mouvement, vitesse sur un barrage, débit, alimentation des canaux, etc.
De Castellis per quae derivantur Fluviorum aquae habentibus latera convergentia liber, Padoue, 1718.
De Mathesis in rebus physicis utilitate praelectio. Patavii Typis Iosephi Comini 1720. Poleni a ajouté à la fin de son ouvrage un chapitre sur : De observatione defectus lunae.
Epistolarum Mathematicarum fasciculus. Patavii 1729. Ces lettres reflètent les multiples centres d’intérêt de Poleni : mathématiques, anatomie, physique, astronomie. Elles sont adressées à G. Manfredi, J.G. Marinoni, Guido Grandi. On y trouve, en appendice à une lettre à Manfredi, le texte fort rare de Jean Buteo : De fluentis aquae mensura.
De la Meilleure manière de mesurer sur mer le chemin d'un Vaisseau, indépendamment des observations astronomiques. Pièce qui a remporté le prix de l'Académie royale des sciences proposé pour l'année 1733, selon la fondation faite par feu M. Rouillé de Meslay, ancien Conseiller au Parlement. Paris, Imprimerie royale, 1734. Cet ouvrage contient la description d'un nouvel appareil de son invention pour calculer la vitesse estimée d'un navire.
Utriusque thesauri antiquitatum romanarum graecarumque nova supplementa, 1737.
Exercitationes Vitruvianæ primae, Venise, 1739.
Institutionum philosophiae mechanicae specimen, Padoue, 1741.
De Ergatae Navalis praestabiliore, facilioreque usu, Dissertatio, 1741, (Essai sur un emploi plus pratique et plus commode du cabestan de navire)
Sexti Julii Frontini De aquae ductibus urbis Romae commentarius, Padoue 1749. (Edition et commentaire d'une œuvre de Sextus Julius Frontin pour l'approvisionnement en eau, à Rome)[47].
De motu aquae (1717)
De Castellis per quae derivantur Fluviorum aquae (1718)
De la meilleure manière de mesurer sur mer le chemin d'un vaisseau (1734)
Memorie istoriche della gran cupola del Tempio Vaticano (1748)
Illustration à la critique de Miscellanea publiée sur les Acta Eruditorum, (1711)
Biographie
Jean-Paul Grandjean de Fouchy, Éloge de M. le marquis Poléni, dans Histoire de l'Académie royale des sciences - Année 1763, Imprimerie royale, Paris, 1766, p. 151-163(lire en ligne)
↑La statue actuelle est l'œuvre du sculpteur Luigi Strazzabosco et remplace celle érigée par Antonio Canova en 1781 qui est conservée dans un des Musées Civiques de Padoue
↑C'est son ami Jean-Baptiste Morgagni, qui a effectué l'autopsie, confirmant le décès de Giovanni Poleni, d'une rupture aortique
↑Dans son laboratoire, Giovanni Poleni installe une grande variété de machines, en provenance de la Flandre, construites dans l'atelier de Jan van Musschenbroek, frère ainé de Pieter van Musschenbroek, inventeur en particulier de la bouteille de Leyde
↑Syntractrice : nom donné à cette courbe, en 1755, par son compatriote mathématicien Vincenzo Riccati, qui a été aussi étudiée par le mathématicien anglais James Joseph Sylvester.
↑Ceux-ci ont constaté que le diamètre de la coupole, à sa base, s'était élargi de deux palmes romaines (soit environ 15 cm). Ils ont constaté d'autre part que deux cerclages de fer, inclus dans la maçonnerie à l'origine, se sont allongés à cause de la charge de tension de longue durée (phénomène de déformation connu sous le nom de fluage).
↑De Mathesis in Rebus Physicis Utilitate Praelectio, Padoue, (1720)
↑On fit venir de Padoue, le fameux Marquis Jean Poleni, qui, après avoir examiné cette masse énorme, avec la plus grande attention, dit : 1° Que, quoique la coupe verticale de cette coupole ne fût pas une ligne appelée chaînette, la figure était cependant bonne. 2° Qu'elle était très solide et que si elle venait jamais à menacer ruine, il ne restait d'autre ressource que de la démolir. (source : page 371 du tome 2 du livre de Francesco Milizia, Vies des architectes anciens et modernes qui se sont rendus célèbres chez les différentes nations, chapitre consacré à Giovanni Poleni)
↑Poleni a conclu de ses expériences, que la résistance d'un fil fermé en forme de cercle était au moins six fois plus importante que la résistance d'un fil rectiligne. Il a d'autre part, déterminé avec la « macchina divulsoria », la résistance d'un fer droit en fonction de la section, et aussi la résistance des roues en fonction de leur section
↑Le théoricien italien de l'architecture Francesco Milizia, dans son ouvrage, Memorie degli antichi e architetti moderni, paru en 1785, tome II, a détaillé le dispositif de consolidation, conçu par Giovanni Poleni : chaque arceau est composé de 32 barres de fer et à leurs extrémités se trouvent des anneaux allongés, permettant de les chaîner entre eux. Le verrouillage du chaînage est réalisé par des coins métalliques de forme trapézoïdale, emboîtés tête-bêche, par martelage, de sorte que chaque partie de l'arceau supporte une tension uniforme. Une fois posés, les arceaux sont recouverts de carreaux de travertin et de mortier pour les protéger des intempéries.
↑Poleni dans son rapport (livre quatrième, page 415, paragraphe 579) a crédité l'architecte Luigi Vanvitelli, de l'invention du système de verrouillage.
Références
↑(en) Giovanni Poleni, sur le site history-computer.com, consulté le 8 septembre 2014
↑(en) Giovanni Poleni, sur le site history.mcs.st-and.ac.uk, consulté le 8 septembre 2014
↑(en) Giovanni Poleni,sur le site encyclopedia.com, consulté le 24 septembre 2014
↑(it) Antonio Canova, « Giovanni Poleni », sur padovamusei.it (consulté le ).
↑(it) Padovano Magazine, « Prato della Valle », sur padovando.com, (consulté le ).
↑Dominique Tournès - IUFM de La Réunion et équipe REHSEIS-CNRS, « Le mouvement tractionnel en géométrie », sur archive.fo (archive de cabri.imag.fr), (consulté le ).
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