La poussée d'Archimède

Hier, j'ai évoqué un petit problème mathématique dont le résultat ne cesse de m'étonner, mais je veux partager aujourd'hui l'émerveillement que me procure toujours un calcul... que l'on n'a pas besoin de faire !

Cela concerne la "poussée d'Archimède", cette force qui pousse vers le haut un corps plongé dans un liquide, qu'il soit plus dense ou moins dense que l'eau.
Je ne vais pas revenir sur l'histoire d'Archimède dans sa baignoire, mais je veux aider mes amis plus jeunes à retrouver l'expression de cette force, quand ils l'ont oubliée (ce qui est fréquent)... ou jamais  apprise (un cours où l'on avait fermé les écoutilles, sans doute).

Soit donc un corps plongé dans un liquide : imaginons une bille de bois dans l'eau. Cette bille a une masse, et donc un poids (le poids est proportionnel à la masse, laquelle indique la quantité de matière). Mais on sait que, malgré ce poids, la bille de bois va se mettre à flotter, si on l'introduit dans le liquide. C'est bien l'indication que le liquide excerce une force sur la bille, et, mieux, une force opposée au poids.
Cette force n'est guère mystérieuse : c'est la résultante de toutes les forces de "pression" que le fluide exerce sur la bille. Oui, souvenons-nous quand nous avons plongé sous l'eau un peu profondément : nous avons senti une pression sur les oreilles.

Quelle est l'intensité de cette force ? Sur un corps de forme compliquée, la somme des forces de pression n'est pas facilement calculable, et même sur une sphère, il faut ce que l'on appelle des intégrales doubles... à moins de recourir à l'expérience de pensée suivante :

1. mettons la bille sous l'eau (nous sentons qu'elle a tendance à remonter, mais nous ne la lâchons pas)

2. sur cette bille s'exercent deux forces, à savoir le poids  (que l'on peut connaître en pesant la bille... mais nous n'en aurons pas besoin) et la poussée d'Archimède (que nous ignorons, mais que nous voudrions calculer)

3. imaginons que nous mettions autour de la bille une sorte de feuille de plastique magique, qui colle à la bille mais n'a aucune masse

4. et imaginons que cette feuille de plastique soit à la fois sans aucune masse et rigide (pour résister à la pression exercée par le liquide) ; à ce stade, il y a toujours le poids de la bille, et la poussée d'Archimède

5. à l'aide d'une seringue magique, aspirons la matière de la bille (du bois si c'est du bois)

6. là, le poids devient nul, mais la poussée d'Archimède ne change pas ; c'est la même qu'avant

7. puis, avec cette seringue magique, injectons de l'eau ; là, il y a maintenant le poids de l'eau, et la même poussée d'Archimède qu'avant

8. enfin, enlevons la feuille de plastique : comme il y a de l'eau dans l'eau, elle est en équilibre, ce qui signifie que la poussée d'Archimède est égale au poids de l'eau  qui a été ajoutée.

D'où la conclusion : la poussée d'Archimède est égale au poids du volume d'eau déplacé par le corps qu'on a immergé !
Merveilleux  : on a remplacé des équations compliquées par une expérience de pensée toute simple. Je me répète : je suis émerveillé !

Un étonnement d'enfant

C'est un ami plus âgé qui m'a donné ce joyau quand j'avais 11 ans : un petit calcul mathématique qui conduit à un résultat qui continue de m'étonner.
Le problème ?
1. On met un fil autour de l'équateur de la Terre, supposée bien sphérique.
2. Puis on coupe le fil à un endroit, et on allonge le fil de 20 centimètres.
3. On referme le fil, et on le soulève partout de la même hauteur, de sorte qu'il fasse un cercle de même centre que l'équateur.
La question est : de combien le fil se soulève-t-il ? Un centimètre ? Un millimètre ? Un micromètre  ?


Mathématiquement, j'ai tout de suite su résoudre le problème, mais c'est la solution qui continue de m'émerveiller... et de me faire penser que je n'ai pas bien compris  la notion de rayon en relation avec celle de périmètre d'un cercle. Derrière tout cela, il y a le fascinant nombre pi.

Mais je vous laisse y penser : je ne veux pas gâcher votre plaisir.

Que ferons-nous de la dictée numérique ?

C'est un fait d'observation, après avoir accueilli des centaines de jeunes amis au laboratoire, en stage, après avoir lié des liens solides d'amitié avec eux, que j'ai recueilli leurs confidences. Et cela a été l'occasion de voir que très peu d'entre eux tapent avec dix doigts sans regarder le clavier : la préparation de documents propres sur un ordinateur est pour beaucoup un gros effort, même en 2020 !
Quant à écrire avec un stylo, ils le font avec une lisibilité qui est à l'origine de trop d'erreurs pour que nous le supportions au laboratoire : trop de 9 confondus avec des g, trop de 4 ou de 7, trop de texte illisible. Et je ne parle pas des fautes d'orthographes, qui, pour l'instant, n'ont pas provoqué de catastrophes dans notre pratique de la science.
Et cela a pour conséquence qu'ils écrivent peu, parce qu'ils écrivent en réalité "mal", de divers points de vue.

Ce billet n'a pas pour intention d'être pessimiste, bien au contraire : les faits que je viens d'exposer sont surtout une manière de montrer comment le numérique permettra de progresser, individuellement et collectivement. Car c'est un fait que, même si beaucoup de nos amis ne le savent pas, ils ont sur leur téléphone portable une fonction particulière de dictée numérique : on parle dans le téléphone, et le texte est écrit sur l'écran pratiquement sans faute (sauf si l'on va trop vite, mais l'apprentissage est quasi immédiat).
Finies les hésitations à écrire ! Finis les rapports mal faits en raison d'une incapacité partielle d'écrire. Finis les comptes rendus d'expérience si sommaire que le même opérateur ne parvient pas à refaire ce qu'il avait fait quelques mois plus tard. La capacité d'écrire est remplacée par la capacité de parler, ce qui va quand même (un peu mieux).

Du point de vue de la recherche scientifique, on voit bien l'avantage, mais on le voit aussi du point de vue des études : nous pouvons maintenant inventer des exercices (des apprentissages et des tests des connaissances) ou des problèmes (pour des compétences, cette fois) bien plus intéressant que par le passé.

Sans naïveté, je dirais plus exactement que l'on peut en faire le meilleur comme le pire : à nous d'en profiter pour améliorer les choses, en sachant que les paresseux, les méchants, les autoritaires, les pervers, les malhonnêtes, les pisse vinaigre... le resteront... mais que nous pouvons nous consacrer, en progressant, sur tous les autres. Quand je me remémore mon travail avant le numérique, je mesure le progrès (un mot que j'utilise ici à bon escient) !
Car il est question de cela : nous allons devoir réfléchir avant de parler !

La vraie question, c'est l'étude.

Oui, je suis de ceux qui étudient seuls, et qui ne peuvent pas étudier en groupe. Bien sûr, je peux étudier dans un café, mais il y a du bruit, du mouvement, de l'agitation, et j'étudie mieux seul, au calme.
Pour autant, je propose ici de ne pas considérer que ma méthode soit la meilleure, et je peux considérer la possibilité -je dis bien  "considérer" et "possibilité"- qu'il puisse y avoir, pour d'autres que moi, une efficacité supérieure à étudier en groupe. Car je n'oublie pas que l'être humain est social, que la socialité est une caractéristique biologique qui a été sélectionnée biologiquement pour promouvoir le succès de l'espèce.
Bref ce n'est pas parce que j'étudie personnellement seul qu'il n'est pas possible que d'autres puissent étudier en groupe.
Mais j'observe qu'il y a bien des façons d'étudier en groupe, d'une part, et, d'autre part, la question est surtout de trouver de "meilleures" méthodes. Pas des méthodes idiosyncratiques, que nous appliquons faute d'avoir le courage d'en essayer de nouvelles ; pas des méthodes que nous appliquons parce que nous n'avons pas l'idée d'en avoir d'autres ; pas des méthodes que nous gardons par paresse. Non, la quète, c'est celle de méthodes meilleures que celles que nous avons, ou, disons plus modestement, de trouver des améliorations de nos méthodes.

Je me vois très démunis vis-à-vis de l'analyse de cette question, au-delà de l'avoir posée. Or je crois qu'il faut répondre toujours non pas en fonction de nos goûts propres, de nos a priori, mais en fonction de données quantitatives. J'observe aussi qu'il n'est pas établi que la même méthode d'étude s'applique à tous... mais l'inverse n'est pas établi non plus. Et, dans l'ignorance des réponses à ces questions, pourquoi supportons-nous que nos systèmes fassent comme ils font ? Pour des raisons économiques ? Certainement. Politiques ? Certainement aussi. Mais tout cela se fait au détriment des études elles-mêmes.
D'ailleurs, en supposant que certains étudient mieux seuls, et d'autres en groupe, on fait une erreur en organisant un même système pour tous. Et, par là-même, on met les professeurs dans une situation intenable. C'est donc une erreur. Mettons-y fin !

Et surtout, mettons-y fin en nous focalisant sur le plus important : donner le goût d'étudier, d'apprendre. Montrons que cela est essentiel et merveilleux, commençons  par trouver les moyens de faire comprendre que cela vaut mieux que ce panem et circenses que les gouvernements instaurent pour ne pas sauter !

Il nous faut des publications scientifiques éclairées !

Il nous faut des publications scientifiques éclairées !

Je viens de publier aux Notes académiques de l'Académie d'agriculture de France un article qui dit en substance que nous aurions raison de faire des revues scientifiques libres et gratuites,  avec une analyse critique (plutôt qu'une "évaluation") en  double anonymat, afin que   nous évitions les rejets d'articles, car cette pratique des refus est un gâchis pour l'ensemble de notre collectivité : les auteurs se désespèrent de voir leurs textes rejetés alors que ces derniers contiennent des données utiles à l'ensemble de la communauté.

C'est un fait, toutefois, qu'il y a de bons et de mauvais scientifiques. C'est un fait que les revues sont encombrées d'articles sans  nouveauté, ou bien dont les résultats sont mal établis, dont les expériences sont mal conçues ou mal conduites... Mais, au lieu de rejeter les articles, ne ferions-nous pas mieux de bien analyser les manuscrits, en vue d'aider les auteurs à progresser, soit dans leur pratique scientifique, soit dans leur rédaction d'articles scientifiques ?
Ma proposition est la suivante : ne rejetons pas les manuscrits, mais expliquons aux auteurs (et aux "rapporteurs") que les textes seront publiés dès que la qualité nécessaire sera atteinte, grâce aux échanges (anonymes, toujours anonymes) entre auteurs et rapporteurs,  alors le texte sera publié.
Bien sûr, la question de la nouveauté demeure, mais il est important que des collègues qui produisent un résultat déjà obtenu s'en aperçoivent, et qu'ils puissent corriger les pratiques erronées qui les ont conduit à cette reproduction sans doute involontaire. Bref, des collègues qui ont reproduit par mégarde un résultat déjà publié ne doivent pas voir leur manuscrit rejeté, mais doivent le retirer eux-mêmes, afin que cesse cette réputation de revues qui rejettent les textes.

J'insiste un peu sur la question de la formation des scientifiques : tous les collègues n'ont pas eu la chance d'être formés dans de bons laboratoires, ou d'avoir su se former eux-mêmes, et les publications scientifiques (terminologie à préférer à "revue", pour des raisons expliquées dans mon article)  ont donc un rôle de formation  essentiel :  les rapporteur doivent pouvoir donner des conseils aux auteurs, afin que finalement, si ces conseils sont suivis bien évidemment, les manuscrits soumis soient acceptés.

J'insiste aussi, dans mon article, pour observer que ni les auteurs ni les lecteurs ne doivent payer, dans toute cette affaire.
Les lecteurs, d'une part,  sont des contribuables, dont les contributions ont permis les travaux et les publications.
Pour les auteurs, d'autre part, il y aurait un conflit d'intérêt à payer pour être publier, et c'est la brèche dans laquelle des "revues prédatrices" se sont engagées. 
Bref, c'est aujourd'hui le rôle des académies, des institutions de recherche, des universités, de prendre en charge les publications scientifiques, au lieu de les confier à des éditeurs privé, comme cela se faisait par le passé.
Jadis et naguère, il y avait certainement le papier à payer, l'impression, la mise en page...  Mais aujourd'hui, avec le numérique, tout a changé  : plus de papier, plus d'impression ,une mise en page qui se fait quasi automatiquement, notamment quand les auteurs mettent en forme conformément à des modèles, des relecture qui sont faites par les rapporteurs, lesquels sont des collègues déjà rémunérés par ailleurs... Nous sommes donc dans un nouveau paradigme, et il est temps que l'on fasse disparaisse l'expression de "évaluation par des pairs" au profit de "analyse critique et conseils donnés aux auteurs". 

Vous lirez tout cela, et bien davantage dans :
Hervé This, L'analyse critique des manuscrits et les conseils donnés aux auteurs. A propos des publications : Klebel et al., 2020, Stern and O'Shea, 2019; Sarabipour et al., 2019; Inrae, 2016. Notes Académiques de l'Académie d'agriculture, 2020, 2, 1-14.

Et cela se trouve ici : https://www.academie-agriculture.fr/publications/notes-academiques/lanalyse-critique-des-manuscrits-et-les-conseils-damelioration-donnes

Expliquer ou interpréter ?

Un ami me dit qu'il cherche à "expliquer" un phénomène, alors que vient aussi, dans la conversation, le terme "interpréter".

Quel objectif, pour une recherche scientifique  : interpréter  ? expliquer ?

Admettons que l'objectif de la science soit de produire des théories réfutables qui rendent compte des phénomènes, par un mouvement que j'ai trop décrit dans ce blog pour que j'y revienne aujourd'hui. Que fait-on alors : on explique, ou on interprète ?

On se souvient quand même que les sciences de la nature cherchent des équation qui décrivent les phénomènes, en rassemblant les données de mesure. Là, il n'y a ni explication ni interprétation.
Puis on induit des théories en introduisant des notions compatibles quantitativement avec les équations trouvées : ces notions n'expliquent rien, mais ce sont des objets qui sont compatibles avec le jeux d'équation établies, des objets qui permettent de rendre compte des phénomènes. Explication ? Pourquoi pas. Interprétation ? Certainement.
Mais on n'oublie pas que ces théories sont insuffisantes, de sorte que si explication il y a, elle est fautive. L'interprétation, elle, ne l'est pas.


Tout cela est bien général, et il nous faut des exemples.

Considérons celui de la structure "hexagonale" de la molécule de benzène. Ce composé fut d'abord  découvert lors de l'analyse du gaz de houille par le merveilleux physico-chimiste britannique Michael Faraday.
Puis les "analyses élémentaires" montrèrent qu'il y avait autant de carbone que d'hydrogène, , mais la tétravalence du carbone (chaque atome de carbone a quatre liaisons avec des voisins) posaient un problème, et  August Kékulé qui proposa une alternance de simples et de doubles liaisons sur une molécule cyclique, hexagonale.

Ce timbre de la Poste allemande célèbre la découverte de Kékulé

Nous avons là un "modèle" de la molécule de benzène, mais cette image n'est pas juste : c'est une explication fausse, et une assez bonne interprétation des propriétés du benzène. On voit, à nouveau, que la terminologie "interprétation" est plus prudente que celle d'explication.



Certes, la question "comment ça marche ?"  demeure, mais c'est la réponse qui est plus complexe que certains ne l'espèrent. Oui, la réponse déçoit ceux qui veulent du simple, mais elle ravit ceux qui sont prêts à s'émerveiller des mécanismes du monde.

Les bonnes pratiques de la citation, dans les articles scientifiques

Préparant un guide de la rédaction d'articles scientifiques, je fais (évidemment) ma bibliographie, et je trouve ce conseil  : "Citer des publications du journal où vous publiez".

Ne le suivons surtout ce conseil scandaleux de malhonnêteté. C'est de la basse stratégie de communication, qui déroge aux bonnes pratiques de la citation. On ne doit pas citer des auteurs au hasard, mais bien plutôt parce qu'ils sont à l'origine des travaux ! Ceux qui ont donné ce pernicieux conseil ignorent-ils donc tout des règles de la profession de scientifique ? Ignorent-ils tout des consensus tels qu'énoncés par l'Association européenne pour les sciences chimiques et moléculaires (The European Association for Chemical and Molecular Sciences), qui a émis un  “Ethical Guidelines for Publication in Journals and Reviews” (voir http://www.euchems.eu/publications.html), ou encore des règles (identiques) données par l'American Chemical Society, avec ses   Ethical Guidelines to Publication of Chemical Research (http://pubs.acs.org/page/policy/ethics/index.html).
Mais c'est de “On Being a Scientist: Responsible Conduct in Research”* que je tire ce conseil plus juste :
"Researchers have a responsibility to search the literature thoroughly and to cite prior work accurately. Implied in this responsibility is that authors should strive to cite (and read) the original paper rather than (or in addition to) a more recent paper or review article that relies on the earlier article.“

*Committee on Science Engineering, and Public Policy; Institute of Medicine; Policy and Global Affairs; National Academy of Sciences; National Academy of Engineering. “On Being a Scientist: A Guide to Responsible Conduct in Research”: 3rd ed., Washington, DC, 2009.