Les lois du mouvement de NEWTON et la gravitation universelle

Isaac Newton a fondé la mécanique classique en énonçant trois lois fondamentales du mouvement des corps ainsi que la théorie de la gravitation universelle, qui montre que la chute des corps sur terre et les mouvements des objets célestes sont dus à une même force physique, la gravitation.

UN SCIENTIFIQUE TRÈS ACTIF

Figure emblématique de la science moderne, Isaac Newton (1643-1727) fut à la fois philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste, astronome et théologien. Connu pour avoir créé avec Leibniz le calcul infinitésimal ou développé une théorie de la couleur, son nom est surtout associé à la « mécanique newtonienne » ou « mécanique classique », et plus particulièrement aux lois universelles du mouvement des corps et à la théorie de la gravitation universelle. La nature de la trajectoire des comètes était l’objet de vives spéculations à l’époque de Newton. Si les comètes ne se déplaçaient pas en ligne droite, mais en suivant une trajectoire elliptique, conformément aux lois de Kepler, c’est qu’une force, ayant pour origine le Soleil, les en empêchait. L’astronome Edmund Halley montra que la valeur de cette force était inversement proportionnelle au carré de la distance au Soleil… pour le cas de mouvements circulaires, mais pas elliptiques! Il fit alors appel à Newton…

LES TROIS LOIS FONDAMENTALES DU MOUVEMENT

En 1684, Newton rédigea un traité de neuf pages sur le Mouvement des corps en rotation, qu’il envoya à Halley, l’informant avoir résolu le problème de la force inversement proportionnelle au carré des distances et celui des orbites elliptiques. L’ouvrage annonçait son oeuvre majeure Principes mathématiques de la philosophie naturelle, publiée en 1687 grâce au soutien de Halley. Il y exposait ses trois lois fondamentales du mouvement. La première loi énonce qu’en l’absence de force s’exerçant sur lui, tout corps reste dans un état inchangé (au repos ou en mouvement, c’est le principe d’inertie). La deuxième loi énonce que l’accélération d’un corps est proportionnelle à la force imprimée et s’effectue dans la direction de la droite d’action de cette force. La troisième énonce qu’un corps exerçant une force sur un autre subit en retour une force égale de sens contraire (principe de l’action-réaction ou des actions réciproques). De ces lois dé coule celle de la gravitation Newton montre qu’on peut identifier la force universelle…

CHUTES DES CORPS ET MOUVEMENTS DE PLANÈTES

« Deux corps s’attirent réciproquement avec une force proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. » C’est cette loi de la gravitation universelle qui permet à Newton de montrer que la chute des corps et les mouvements des planètes ne sont que deux manifestations d’une même force physique, la force de gravitation, et de corroborer par le calcul les trois lois régissant le mouvement des planètes autour du Soleil qu’avait énoncées Kepler. Un astre tel que la Lune se comporte exactement comme une pomme tombant à terre : il « tombe » aussi, dans l’espace. Mais pourquoi la Lune ne tombe-t-elle pas sur la Terre, comme la pomme? La réponse réside dans les lois du mouvement de Newton reliant force, masse et accélération. C’est en raison de sa vitesse initiale élevée que la Lune peut poursuivre sa trajectoire tout en étant attirée par la Terre, décrivant ainsi une orbite autour d’elle plutôt qu’une trajectoire rectiligne.

ÉQUINOXES, MARÉES ET FORCE CENTRIFUGE

Les succès pratiques de la théorie de Newton furent immédiats. Halley put prédire que la comète qui porte aujourd’hui son nom reviendrait à la fin de 1758 ou au début de 1759. Des phénomènes incompris à l’époque trouvaient enfin une explication : l’action gravitationnelle de la Lune combinée à celle du Soleil sur l’équateur bombé de la Terre expliquait la précession des équinoxes; l’attraction différentielle entre la force centrifuge et la force d’attraction exercées par la Lune expliquait les marées : la masse liquide des océans tantôt s’éloignait de la Lune, tantôt s’en rapprochait, en fonction du rapport entre force centrifuge et force d’attraction. De nombreux progrès en astronomie purent également être accomplis, dont la spectaculaire découverte de Neptune par le calcul : en 1846, en déterminant la masse et la position de l’objet qui semblait perturber la trajectoire d’Uranus, Urbain Le Verrier put indiquer la position de la nouvelle planète avant même qu’elle soit observée!

PLACE À LA RELATIVITÉ

Les lois du mouvement de Newton ont cédé la place aux développements de la thermodynamique au xixe siècle. Sa mécanique céleste, qui repose sur les trois lois de Kepler et la loi universelle de la gravitation suffit aujourd’hui encore à calculer localement les mouvements des astres, mais Newton lui- même se rendait compte que ces calculs ne pouvaient être qu’approximatifs, car tous les objets du cosmos s’attirent mutuellement. Si elle a permis de simplifier considérablement les choses, contribuant ainsi à de nombreuses avancées, elle se révèle insuffisante pour comprendre les phénomènes observés au xxe siècle, tels que les trous noirs ou la déviation de la lumière par la gravitation. La gravitation relativiste d’Einstein (ou relativité générale) a pris le relais. La gravitation a également perdu son caractère universel et n’est plus, aujourd’hui, que l’une des forces fondamentales de la physique, avec la force électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction forte.

EN RÉSUMÉ

Figure emblématique, Isaac Newton (1643-1727) a posé les bases de la mécanique classique dans ses Principes mathématiques de la philosophie naturelle, publiés en 1687. Il énonce les trois lois fondamentales du mouvement des corps (principe d’inertie, principe fondamental de la dynamique et principe des actions réciproques), ainsi que la loi de la gravitation universelle, qui permet de montrer que la chute des corps et les mouvements des planètes ne sont que deux manifestations d’une même force physique, la force de gravitation.