Robert Hooke

En 1658-1659, sur demande de Robert Boyle, il a construit la première pompe à air[6] (sur la base des esquisses d'Otto von Guericke et des travaux de Ralph Greatorex (en)), qui va permettre à Boyle de définir la première loi sur les gaz (la Loi de Boyle-Mariotte) en 1662. L'historien anglais des sciences Robert Gunther a suggéré que Hooke, collaborant et effectuant les observations avec Boyle, peut très bien avoir développé les aspects mathématiques de la loi de Boyle-Mariotte[7].

Vers 1660, Robert Hooke étudie les irisations produites par la lumière blanche sur les lames minces, telles les bulles de savon, les minces couches d'huile, les anneaux de couleur engendrés par le contact d'une lentille convexe et d'un plan, ainsi que la décomposition d'un rayon lumineux au travers d'un prisme. Pour expliquer ces phénomènes, et compte tenu de la forme répétitive de ces figures, il est l'auteur d'une des premières théories ondulatoires de la lumière, qui lui vaut sa première confrontation[8] avec Isaac Newton, en mettant en échec ses conclusions[9], et sa théorie corpusculaire de la lumière.

L'explication scientifique des interférences lumineuses ne viendra qu'avec le médecin et physicien anglais Thomas Young en 1800, qui confirmera l'aspect ondulatoire de la lumière[Note 4]. En 1660, il découvre la loi de Hooke d'élasticité, qui décrit la variation linéaire de tension avec l'extension, résumée dans « ut tensio sic vis » ce qui signifie « telle extension, telle force » ou « l'allongement est proportionnel à la force », correspondant à l'anagramme n^o 1 :

• Physique
• 
  Pompe à air construite pour Robert Boyle.
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  Le ressort spiral (Loi de Hooke).
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  Instrument pour mesurer l'élasticité des ressorts (Loi de Hooke).

Il découvre les propriétés de la courbe de la « chaînette renversée » (« inverted catenary curve » ou « courbe caténaire renversée »). Il l'exprime ainsi en 1675, par « Ut pendit continuum flexile, sic stabit contiguum rigidum inversum », ce qui signifie approximativement « De la même façon que pend un fil flexible, s'élève l'arche rigide, mais de manière inversée »[Note 5], correspondant à l'anagramme n^o 2 [10]:

Chaînette / chaînette renversée.

L'application pratique directe est la construction d'une voûte ou d'un dôme : la courbe formée par une chaîne de suspension, lorsque renversée, donne la forme d'un arc de maçonnerie « parfait », contenant et suivant la ligne de poussée. Ce modèle de construction sera ensuite utilisé par des physiciens, par exemple Giovanni Poleni à Rome, ou par des architectes : Jacques-Germain Soufflot à Paris, Antoni Gaudí à Barcelone, Eero Saarinen à Saint-Louis, etc.

Apparemment, Robert Hooke avait annoncé sa découverte à la Royal Society autour de 1671, mais il se méfiait de son rival Isaac Newton qui était au courant des travaux de tous les fellows et membres, par le premier secrétaire de l'institution Henry Oldenburg (qu'il accusa par ailleurs d'espionnage[11]). C'est la raison pour laquelle il n'a pas fourni de détails jusqu'en 1675, puis résumé et chiffré ses découvertes sous forme d'anagrammes, afin d'en conserver l'antériorité (méthode courante de protection des découvertes scientifiques, utilisée par exemple, par Galilée, Huygens ou Newton, tout en se donnant du temps pour les contrôler).

En 1676, dans une annexe à son livre Une description des hélioscopes, et divers autres instruments, il indique en p. 31 :

• alinéa 2 : avoir trouvé « a true mathematical and mechanical form of all manner of arches for building » : « une véritable forme mathématique et mécanique de toutes sortes d'arches pour le bâtiment » ⇛ la solution est l'anagramme n^o 2[12] ;
• alinéa 3 : pour sa loi d'élasticité linéaire « The true Theory of Elasticity or Springiness » ⇛ la solution est l'anagramme n^o 1[12].

En 1678, il publie plus en détail ses travaux dans De Potentia Restitutiva, Or of Spring, Explaining the Power of Springing Bodies, to which are Added Some Collections.

Il n'a pas fourni, de son vivant, les traductions latines des anagrammes, celles-ci n'ont été données que par son exécuteur testamentaire en 1705, deux ans après sa mort[13].

Joint universel de Hooke.

Robert Hooke est généralement considéré comme l'inventeur du joint de Hooke ou joint universel, bien que le principe du couplage flexible était déjà connu depuis longtemps (joint universel de Gaspar Schott en 1664, mais décrit à tort comme un joint homocinétique)[14].

Il est couramment utilisé en mécanique, au bout des arbres qui transmettent un mouvement de rotation. Il se compose d'une paire de charnières, orientées à 90° : l'une et l'autre sont reliées par un arbre transversal, formant une croix. Le joint universel a pour gros avantage, par rapport au joint simple, le joint de Cardan, de conserver sur l'arbre de sortie la vitesse de rotation de l'arbre en entrée, quel que soit l’angle formé (mais inférieur à 45°), entre les deux arbres : on parle alors de joint ou d'accouplement homocinétique[Note 6].

Il a aussi conçu des appareils, comme une machine à vapeur, sans jamais l'avoir construite[15].

Image animée d'un échappement à ancre utilisé dans les horloges à pendule.

À partir de 1657, il étudie les travaux de l'astronome italien Giovanni Riccioli. Il est fasciné par la mécanique, et axe ses travaux sur le chronométrage, auquel il a apporté une importante contribution : l'introduction du pendule ou du balancier, comme une meilleure régulation des horloges, ou des montres, le ressort spiral ou hélicoïdal, pour améliorer le chronométrage dans une montre, et il existe des preuves substantielles permettant d'affirmer, que Hooke l'a développé indépendamment et une quinzaine d'années avant Christian Huygens (qui a publié son propre travail dans le Journal des Sçavans en février 1675). la proposition d'un chronométreur précis pouvant être utilisé pour trouver la longitude en mer (alors un problème critique pour la navigation), et avec l'aide de Boyle et d'autres, il a tenté de le breveter, en 1670, l'invention d'un élément capital à la régulation : l'échappement à ancre, qui est un système d'engrenage où la roue d'échappement est rivée sur le pignon d'échappement, d'une façon telle que la forme de ses dents varie suivant que le plan d'impulsion est totalement sur l'ancre, totalement sur la dent ou encore partagé entre la roue et l'ancre. En horlogerie, l'échappement est un mécanisme généralement placé entre la source d'énergie (ressort, poids, etc.) et l'organe réglant. L'échappement a pour but d'entretenir et de compter les oscillations du pendule d'une horloge ou du balancier d'une montre[Note 7].

Robert Hooke est l'un des premiers scientifiques à construire et utiliser un microscope composé[16], un assemblage de lentilles multiples, habituellement au nombre de trois : un oculaire, une lentille de champ et un objectif. Il donne ainsi, vers 1665, de nombreux conseils pour la fabrication des microscopes au fabricant londonien Christopher Cock (en), appareils qu'il utilisait ensuite pour ses travaux[17].

Cette attribution semble inexacte, car Zacharias Janssen avait déjà construit des microscopes similaires en 1590. Néanmoins, les microscopes de Hooke atteignaient un grossissement de 50 fois[17], ce qui était bien supérieur aux instruments précédents. Cependant, ces microscopes étaient des instruments à lentilles composées, qui souffraient grandement d'aberrations sphériques.

• Optique
• 
  Microscope de Hooke.
• 
  Le microscope de Robert Hooke. National Museum of Health and Medicine Collection Billings, Silver Spring, Maryland

Son apport en biologie est très important. On lui attribue ainsi la première description d'une cellule biologique faite à partir de l'observation de végétaux. Hooke décrit en 1665 un œil de mouche et une cellule de liège (dans « Observation XVIII » de Micrographia). Il a été le premier à utiliser le mot « cellule » en 1667[Note 8].

En 1678, le savant néerlandais Leeuwenhoek avait envoyé à la Royal Society un rapport mentionnant la découverte de « petits animaux » (les bactéries et les protozoaires). Robert Hooke avait alors été mandaté par l'institution pour examiner les conclusions de Leeuwenhoek. Il l'a fait avec succès et ainsi ouvert la voie à l'acceptation générale des découvertes de celui-ci. Hooke a noté que les microscopes simples de Leeuwenhoek ont donné des images plus claires que son propre microscope composé, mais a indiqué qu'ils étaient plus difficiles à utiliser : « attaquant mes yeux », et ont « beaucoup tendu et affaibli ma vue ».

Toutefois, ni Robert Hooke ni ses contemporains comme le médecin et naturaliste italien Marcello Malpighi, ne comprirent l'importance de cette notion de « cellule », et c'est seulement au XIX^e siècle qu'elle s'imposera. Ce n'est qu'en 1839, que le physiologiste, histologiste, et cytologiste allemand Theodor Schwann, proposera sa théorie cellulaire : tous les êtres vivants sont formés d'un ensemble d'unités de construction de même type, les cellules.

• Biologie
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  Dessin des premières « cellules » observées dans des coupes d'écorce d'arbre par Robert Hooke en 1665.
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  Dessin d'une puce dans Micrographia.
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  Dessin d'un pou dans Micrographia.

Certaines de ses idées ont été particulièrement en avance sur leur temps. Son analyse microscopique de bois pétrifié l'a amené à conclure que celui-ci et d'autres fossiles étaient, en fait, les restes d'êtres vivants. Ses recherches l'ont conduit à l'idée que ceux-ci ne représentaient que des taxons d'êtres vivants, inconnus ou mal connus, et que certains pourraient bien être les restes d'espèces disparues.

Robert Hooke pensait que l'extinction des espèces était possible si une catastrophe géologique suffisamment grave s'était produite. Cette idée n'a pas eu beaucoup de soutien à son époque, probablement parce que l'extinction des espèces allait à l'encontre de la notion théologique d'un monde naturel parfait, créé par Dieu[Note 9].

Le Discours sur les tremblements de terre (Discourse of Earthquakes[18]), publié deux ans après sa mort en 1705, montre que son raisonnement géologique était allé encore plus loin. Suivant les traces de Léonard de Vinci, il a expliqué la présence de coquilles fossiles sur les montagnes et dans les régions intérieures, par des soulèvements de terrains, situés précédemment sous le niveau de l'eau : « Il ne semble pas improbable, que les sommets des montagnes les plus hautes et les plus considérables dans le monde se soient trouvés sous l'eau, et qu'ils semblent probablement avoir été les effets de certains très grands tremblements de terre ».

Robert Hooke a continué toute sa vie à étudier les fossiles et les comparer avec les organismes vivants[19]. Il avait ainsi saisi, deux siècles avant Charles Darwin, le principe cardinal de la paléontologie, en précisant que les fossiles sont des restes d'organismes vivants, et qu'ils peuvent être utilisés pour nous aider à comprendre l'histoire de la vie[20].

Robert Hooke a ouvert tout un monde de l'explication scientifique de l'histoire de la Terre et même présenté les bases d'un cycle des roches, précédant ainsi le géologue écossais James Hutton de plus d'un siècle[21].

Illustration à la critique de The posthumous works of Robert Hooke...publiée sur les Acta Eruditorum en 1707

Un des problèmes les plus ardus abordés par Robert Hooke était la mesure de l'éloignement d'une étoile. Il choisira l'étoile Gamma Draconis, la plus brillante de la constellation du Dragon, en appliquant la méthode de la détermination de la parallaxe. Après plusieurs mois d'observations, en 1669, Hooke pensera que le résultat souhaité était atteint. On sait maintenant que l'équipement de Robert Hooke était beaucoup trop imprécis pour permettre un calcul correct.

En 1725, l'astronome britannique James Bradley, choisira aussi Gamma Draconis, pour ses observations qui lui permettront de découvrir le phénomène de l'aberration de la lumière.

Robert Hooke effectuera de nombreuses observations sur les taches solaires, sur Jupiter, dont il découvrira, en 1664, la Grande Tache rouge et en reconnaîtra la rotation. Il effectuera aussi des observations des anneaux de Saturne, et de diverses comètes. Il découvrira en 1664, Gamma Arietis, le premier système d'étoiles triples, dans la constellation du Bélier.

Parmi ses autres réalisations d'instruments, il construira en 1673, le premier télescope reflétant grégorien, en collaboration avec l'astronome et mathématicien écossais James Gregory.

Les activités de Robert Hooke en astronomie ne se sont pas cantonnées à l'étude de la distance stellaire. Son Micrographia contient des illustrations de l'amas ouvert d'étoiles des Pléiades, ainsi que des cratères lunaires, pour lesquels il a réalisé des expériences pour étudier leur formation. En son honneur, des cratères sur la Lune (Hooke (cratère) (en)) et sur Mars (Hooke (cratère martien) (en)), ainsi qu'un astéroïde ((3514) Hooke), portent son nom.

En mécanique céleste, il tentera d'expliquer le mouvement des planètes, et en 1672, de prouver que la Terre se déplace sur une orbite elliptique autour du Soleil. Il formule le principe de la gravitation dans un écrit daté de 1674 et intitulé « An attempt to prove the motion of the Earth from observations » (Un essai pour prouver le mouvement de la Terre à partir d'observations)[22] - [23].

En 1678, il suggère la loi de proportionnalité inverse du carré pour expliquer les mouvements planétaires en se basant sur l'analogie avec l'optique. Hooke correspondra à ce sujet avec Newton le 9 décembre 1679[Note 10] - [24] et lui demandera son opinion sur l’hypothèse suivante : la composition des mouvements célestes en un mouvement direct selon la tangente (mouvement inertiel) et un mouvement d’attraction vers le centre du corps : « …mon hypothèse est que l’attraction est toujours en proportion inverse du carré de la distance entre les centres… ». Newton lui répondra le 13 décembre 1679[Note 11] - [25] - [26].

Hooke semblait incapable de démontrer mathématiquement sa conjecture. Cependant, il réclama la priorité sur la loi du carré inverse lorsque les travaux de Newton furent connus en 1687. Cette prétention engendrera une amère dispute avec Newton qui éliminera toutes références à Hooke dans son œuvre maitresse, les Principia. Hooke lui reprochera de s'être inspiré de ses travaux, sans le citer, pour sa découverte de la loi de l'attraction universelle[27].

L'un des contrastes entre les deux hommes était que Newton était avant tout, un pionnier dans l'analyse mathématique et ses applications, tandis que Hooke était un expérimentateur, et qu'il n'est pas surprenant de constater qu'il ait laissé quelques-unes de ses idées, comme celles sur la gravitation, peu développées. Cela rend compréhensible la manière dont, en 1759, Alexis Clairaut, le mathématicien et éminent astronome français dans le domaine des études gravitationnelles, a fait sa propre évaluation, des travaux de Hooke en ce domaine : « Il ne faut pas penser que cette idée […] de Hooke diminue la gloire de Newton », Clairaut écrit : « L'exemple de Hooke sert à faire voir quelle est la distance entre une vérité qui est entrevue, et une vérité qui est démontrée »[Note 12] - [28].

• Astronomie
• 
  Télescope achromatique de Hooke.
• 
  Dessin des anneaux de Saturne, dans Philosophical Transactions.
• 
  Dessins de la Lune et des Pléiades, dans Micrographia.
• 
  Micromètre de William Gascoigne utilisé par Robert Hooke, pour le calcul de la taille des comètes et autres corps célestes.
• 
  Cratère lunaire Hooke.

Téléphone acoustique de Hooke

Hooke est l'inventeur du premier téléphone, le téléphone à ficelle, en 1665. Il s'agissait d'un système non électrique reliant deux dispositifs acoustiques avec un fil tendu entre les deux. Il indiquera dans Micrographia : « en employant un fil tendu, j'ai pu transmettre instantanément le son à une grande distance et avec une vitesse sinon aussi rapide que celle de la lumière, du moins incomparablement plus grande que celle du son dans l'air »[29].

Robert Hooke et Christopher Wren ont collaboré pour inventer divers instruments pour mesurer et enregistrer les conditions météorologiques[30].

• En 1665, il a construit un hygromètre à cadran, utilisant une barbe d'avoine provoquant la déviation d'une aiguille selon son allongement ou son raccourcissement, pour mesurer l'humidité de l'air.

• En 1663, il a construit le premier baromètre à cadran.

• Le 2 septembre 1663, la Royal Society a demandé à Hooke d'effectuer des bulletins météorologiques quotidiens, avec l'espoir que des méthodes de prévisions météorologiques pourraient être développées. Un mois plus tard, Hooke, par absence de norme de description et de classification des phénomènes, a présenté ses propres méthodes pour l'observation des conditions météorologiques, contenant toutes les principales fonctions utilisées dans l'observation moderne, c'est-à-dire :
  • que les observations quantitatives doivent être effectuées avec des instruments calibrés de la même façon, dans un réseau de stations ;
  • que les observations qualitatives doivent permettre l’analyse du ciel à partir du même langage codifié (la classification sera rendue universelle avec l'utilisation du latin, par le pharmacien et météorologue anglais Luke Howard en 1803).

• En 1665, Hooke a inventé un thermomètre à alcool, basé sur une échelle de température référencée sur le zéro degré du point de fusion de la glace, dont les degrés correspondaient à des millièmes du volume initial, et qui a été adoptée par la Royal Society, et conservée jusqu'à la première moitié du XVIII^e siècle. La graduation de Hooke n'a pas été utilisée par les constructeurs contemporains, qui ont préféré recourir à deux points fixes[31].

• En 1667, il a construit un anémomètre pour mesurer la vitesse du vent. Il redécouvre ainsi un instrument qui avait été créé deux cents ans plus tôt par Leon Battista Alberti[32].

• En 1670, le pluviomètre à augets basculants, (inventé par Christopher Wren en 1662 et dont le mécanisme est encore présent dans les pluviomètres actuels), a été repris par Robert Hooke, et amélioré dans une invention complexe, permettant de mesurer simultanément divers paramètres météorologiques (le météographe)[33].

Par la suite, de nombreux philosophes de la nature, à travers toute l'Europe, ont tenu des registres météorologiques détaillés, couvrant parfois des décennies. Robert Hooke ayant suggéré et rédigé ces méthodes d'observation[Note 13] doit être reconnu comme étant le père de la météorologie scientifique[Note 14] - [34].

• Météorologie
• 
  Baromètre à cadran de Hooke, vers 1660
• 
  Instruments de météorologie, de Hooke

Dôme de la Cathédrale Saint-Paul de Londres.

Robert Hooke était arpenteur (géomètre) et architecte à la ville de Londres, et assistant de Christopher Wren, l'architecte en chef de la ville. C'est à ce titre qu'il a contribué avec Wren à la reconstruction de la ville, à la suite du grand incendie de Londres de septembre 1666 et à la reconstruction de la cathédrale Saint-Paul de Londres. Contrairement à une croyance populaire très répandue, la conception de la coupole intermédiaire ne relève pas du modèle de construction de la « chaînette renversée », prôné par Robert Hooke. Bien que les deux architectes, Christopher Wren et Robert Hooke, aient eu connaissance des propriétés remarquables de cette courbe, ils étaient incapables à l'époque, d'en trouver une formulation mathématique exacte (qui n'est venue qu'en 1691 avec Jacques Bernoulli, Leibniz et Huygens). On retrouve dans l'esquisse pour la construction du dôme, datant de 1690[Note 15], une « approximation » de la courbe de la chaînette renversée : cette courbe est une parabole cubique (voir la figure 2 du document en référence, et les trois courbes superposées). Le dôme est formé par le conoïde, dėcrit par la rotation de la demi-parabole cubique y=x³, sur l'axe des ordonnées[35].

Il a participé à la conception (ou conçu lui-même) d'autres bâtiments, comme l'Observatoire royal de Greenwich à Londres, Montagu House, Bloomsbury (en) à Londres, le Bethlem Royal Hospital à Londres (démoli au XIX^e siècle), le Collège royal de médecine à Londres (démoli au XIX^e siècle), Ragley Hall (en), à Alcester dans le Warwickshire, Ramsbury Manor (en), à Ramsbury dans le Wiltshire, et l'église paroissiale de Sainte Marie-Madeleine (en), Willen (en) à Milton Keynes, Buckinghamshire. Hooke a également participé à la conception de la Bibliothèque Pepys (en) au Magdalene College, à Cambridge[36].

Il a également travaillé sur la conception du Monument au Grand incendie de Londres, en y associant une fonction scientifique. En effet, Hooke et Wren, tous les deux astronomes passionnés, ont installé dans la colonne un télescope zénithal pour l'observation des transits astronomiques. Malheureusement, des mesures précises, effectuées par Hooke à l'achèvement de l'édifice en 1676, ont montré que la colonne, sensible au vent, rendait le télescope inutilisable pour des observations scientifiques. De plus, les vibrations engendrées, déjà à l'époque, par la circulation urbaine dans Fish Street Hill (en) et à l'approche du Pont de Londres[Note 16], la rendait aussi inutilisable pour l'astronomie[37]. De nos jours, on peut toujours y voir l'héritage de Hooke dans l'escalier en colimaçon et la chambre souterraine d'observation[38].

Dans la reconstruction après le grand incendie de Londres, Hooke a proposé la refonte de l'urbanisme des rues de Londres sur une grille, composée de larges boulevards et d'artères, un modèle utilisé ensuite dans la rénovation de Paris, de Liverpool, et dans de nombreuses villes américaines. Cette proposition a été cependant contrecarrée par les arguments sur les droits de propriété, ainsi que par des propriétaires, qui ont subrepticement changé les limites de leurs propriétés. Cependant, Hooke a été en mesure de régler bon nombre de ces litiges, en raison de sa compétence en tant que géomètre et de sa diplomatie en tant qu'arbitre ou médiateur.

Pour une étude plus approfondie du travail de Hooke en architecture, consulter le livre de Michael Cooper[39] - [Note 17].

• Architecture
• 
  Le dôme de la cathédrale Saint-Paul de Londres.
• 
  L'Observatoire Royal de Greenwich, Londres.
• 
  Montagu House, Bloomsbury, Londres.
• 
  Ragley Hall, Alcester, Warwickshire.
• 
  Église de Sainte Marie-Madeleine, Willen, Milton Keynes.
• 
  Bibliothèque Pepys, Magdalene College, Cambridge.
• 
  Monument au Grand incendie de Londres.
• 
  Télescope zénithal de Hooke.
• 
  Mémorial Robert Hooke, à la base de la colonne.

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