Léonard de Vinci et le mouvement perpétuel

La plus ancienne description d'une machine à mouvement perpétuel remonte au VIIe siècle en Inde. Souhaitant représenter le mouvement cyclique et éternel des cieux, le mathématicien Brahmagupta a conçu une roue déséquilibrée dont la rotation était alimentée par le flux de mercure à l'intérieur de ses rayons creux. Au XIIe siècle, un autre mathématicien indien, Bhāskara, a modifié la conception de la roue en donnant aux rayons creux une forme incurvée pour produire une trajectoire asymétrique en constant déséquilibre.

La plus ancienne référence à une machine à mouvement perpétuel en Europe est le dessin d'une roue déséquilibrée, manifestement influencée par les modèles arabes, dans le carnet de Villard de Honnecourt, un architecte picard du XIIIe siècle. Au cours du même siècle, le scientifique Pierre de Maricourt, lui aussi d'origine picarde, présente dans son étude sur la pierre de lune une curieuse roue à mouvement perpétuel fonctionnant par "induction magnétique".

Les manuscrits des ingénieurs italiens du XVe siècle montrent leurs tentatives d'appliquer le concept de mouvement perpétuel à des machines fonctionnelles. 

Fasciné par les dessins de moulins à recirculation d'eau qu'il a découverts dans les manuscrits d'autres ingénieurs, le jeune Léonard de Vinci a étudié ce sujet en profondeur. Il a imaginé des bassins qui se rempliraient d'eau par des moyens automatiques.

Dans la première moitié des années 1490, Léonard de Vinci a abandonné la notion de moulin à recirculation pour étudier les roues déséquilibrées par des moyens mécaniques (avec des sphères mobiles ou oscillantes) ou hydrauliques (systèmes utilisant les vis d'Archimède pour faire monter et descendre l'eau). Il a conçu plusieurs modèles et a probablement essayé d'en fabriquer, avant de conclure ces recherches en écartant la possibilité du mouvement perpétuel. Identifiant la gravité et l'attrition comme les forces qui le rendent impossible, il a comparé le mouvement perpétuel aux recherches des alchimistes pour transmuter les métaux.

Dans le recto du feuillet 1062 (env. 1497-1500) du "Codex Atlanticus", Léonard de Vinci présente les différentes roues mécaniques qu'il a étudiées jusque-là, dotées de bras oscillants et de boules mobiles.

Au milieu des années 1490, si Léonard de Vinci est arrivé à la conclusion que le mouvement perpétuel était impossible, il a continué à envisager la construction de systèmes rotatifs capables de rester en mouvement. Ses études sur les vis d'Archimède présentent un intérêt particulier. Léonard de Vinci les a conçues et modifiées pour tenter d'exploiter le flux de l'eau afin de créer le déséquilibre nécessaire pour les faire tourner. Cela aurait permis de les utiliser comme moteurs pour alimenter des machines fonctionnelles.

Au verso du feuillet 1062 du "Codex Atlanticus", Léonard de Vinci décrit un modèle qui se distingue de ses autres études par l'attention portée aux matériaux. Il s'agit d'un moteur basé sur le déséquilibre, comportant deux cylindres et deux pistons reliés par un circuit hydraulique. D'après le dessin, la roue est équipée d'une paire de ces systèmes montés à angle droit l'un par rapport à l'autre. Cependant, Léonard de Vinci prévoyait d'en monter quatre sur le même essieu, de manière à avoir un cylindre, et donc une force motrice, tous les 30 degrés. En se déplaçant vers le bas, le piston pousse l'eau contenue dans le circuit vers l'autre cylindre. Cela augmente le déséquilibre et facilite ainsi la rotation. Le mouvement de la roue est réglé par un échappement à verge (foliot)

Mis à part quelques allusions dans le "Dialogue sur les deux grands systèmes du monde", Galilée ne nous a pas laissé d'études systématiques du mouvement perpétuel, probablement parce qu'il en reconnaissait l'impossibilité. Pour lui, seul un mouvement circulaire et uniforme, comme celui des planètes, pouvait être perpétuel. Surtout pas un mouvement rectiligne, constamment accéléré ou ralenti. Pour être en mouvement perpétuel, il faudrait que l'objet lui-même soit incorruptible et éternel, ces deux conditions étant nécessaires, mais jamais concomitantes dans la nature. Si les réponses de Galilée à quelques lettres décrivant des machines à mouvement perpétuel ont été perdues, on peut supposer qu'il invitait ses correspondants à rechercher les causes réelles du mouvement produit par ces machines, car il pensait qu'aucun artifice humain ne pouvait violer les lois de la nature

Au début du XIXe siècle, la généralisation des machines à vapeur a favorisé le développement de la thermodynamique. Cette nouvelle branche de la physique n'a pas prouvé l'impossibilité du mouvement perpétuel, mais l'a posé comme axiome pour déduire que le rendement d'un moteur ne pourrait jamais atteindre 100 %. Une partie de l'énergie qui alimente un système thermomécanique est inévitablement dissipée. Par la suite, avec la découverte des processus atomiques à l'origine du mouvement et de la chaleur, et avec la définition statistique du concept d'irréversibilité des phénomènes naturels, la question du mouvement perpétuel a enfin trouvé une réponse. Si le mouvement perpétuel n'est pas impossible en théorie, il est extrêmement improbable. En fait, il est plus probable qu'un singe tapotant au hasard sur un clavier écrive "Guerre et Paix" que l'on puisse réaliser un jour le mouvement perpétuel