Gravitation

Galilée (1564 - 1642) réalise la célèbre expérience de la chute des corps depuis la tour de Pise. Elle consiste à mesurer le temps de chute de corps de différentes masses et de différentes natures. Galilée arriva à la conclusion que

Le temps de chute est le même pour tous les corps, quelque soient leur poids, leur taille et leur nature. En d'autres termes, la vitesse de chute libre est la même pour tous les corps.

Le principe d'inertie : C'est peut-être là le plus grand apport de Galilée à la physique. En faisant des expériences avec des billes qui roulent sur des plans de différentes natures, il observe que si le plan est très rugueux, la bille s'arrête rapidement, par contre, si le plan est très lisse ou recouvert d'huile par exemple, la bille parcourt une distance beaucoup plus grande avant de s'arrêter. Galilée eut alors l'idée de forces de frottement, et il en conclut :

Tout corps possède une certaine inertie qui l'oblige à conserver sa vitesse, à moins qu'une force extérieure, une force de frottement par exemple, ne l'oblige à arrêter ce mouvement, à modifier cette vitesse.

De ce principe, découle naturellement la notion de force :

Une force est ce qui modifie le mouvement d'un corps, tant en vitesse qu'en trajectoire. En l'absence de force, le corps poursuit sa trajectoire et conserve sa vitesse. Si une force est appliquée dessus, alors, l'objet modifiera cette trajectoire.

C'est ainsi que l'attraction du Soleil oblige les planètes à modifier leur trajectoire pour tourner autour dudit Soleil.

Galilée est le premier à formuler mathématiquement le principe de la composition des vitesses (voir paragraphe astronomie)

Le bilan scientifique de Galilée est extraordinaire : il révolutionne la vision du monde en imposant le système d'héliocentrisme, en initiant le principe d'inertie qui sera le fondement de toute la physique

Mais il ne s'agit
toujours pas de
GRAVITATION

Descartes (1596 - 1650), ramène la pesanteur et le mouvement à une explication mécaniste. La notion de force, et a fortiori d'action à distance, n'existe pas pour lui. Sa description du monde est essentiellement cinématique, le mouvement se transmettant de proche en proche par contact. Si un corps perd du mouvement, il le transmet à un autre. En l'absence d'interaction, un corps poursuivra indéfiniment son mouvement. Il s'agit du principe d'inertie, déjà présent chez Galilée, mais clairement affirmé par Descartes. Au sein de ce système, la théorie des chocs joue un rôle particulier. C'est elle qui est en effet susceptible de permettre des calculs prévisionnels de mouvement

Descartes définit ainsi le mouvement : c'est le transport d'une partie de la matière, ou d'un corps, du voisinage de ceux qui le touchent immédiatement, et que nous considérons comme au repos, dans le voisinage de quelques autres.

Descartes énonce ses lois du mouvement :

  • La première loi : chaque partie de la matière, en particulier, continue toujours d'être en un même état, pendant que la rencontre des autres ne la contraint point de le changer.
  • La deuxième loi :, lorsqu'un corps en pousse un autre, il ne saurait lui donner aucun mouvement, qu'il n'en perde en même temps autant du sien ; ni lui en ôter, que le sien ne s'augmente d'autant.
  • La troisième loi : lorsqu'un corps se meut, encore que son mouvement se fasse le plus souvent en ligne courbe, et qu'il ne s'en puisse jamais faire aucun, qui ne soit en quelque façon circulaire, [...], toutefois chacune de ses parties en particulier tend toujours à continuer le sien en ligne droite.

Huygens (1629 - 1695) explique que lors d'un choc entre deux mobiles il y a conservation des quantités de mouvement. Il décrit la réflexion et la réfraction de la lumière par une théorie ondulatoire


Huygens calcule la force dirigée vers l'extérieur qui s'exerce sur une pierre qui tourne autour d'un axe. Il avait montré que cette force était proportionnelle au carré de la vitesse, divisé par le rayon (V2/R).



La loi universelle de la gravitation :

Isaac Newton (1642-1727) reprend en 1677, ses travaux sur les orbites des planètes, en se référent aux lois de Kepler et découvre l'accélération du mouvement circulaire uniforme de Huygens et lui donne le nom de force centripète

Son œuvre marque un tournant pour la physique. Il avance les principes d'inertie, de la dynamique des forces et des accélérations, de la réciprocité. Il définit les lois des collisions, il montre le mouvement des fluides; et surtout la théorie de l'attraction universelle.

Principe d'inertie : Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état.

Principe de la dynamique : l'accélération subie par un corps est proportionnelle à la résultante des forces qu'il subit, et inversement proportionnelle à sa masse (m).

Principe d'action réciproque : tout corps (A) exerçant une force sur un corps (B) subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps (B) sur (A).

Newton en introduisant la notion de force a soin de préciser :

Si j'introduis la notion de force, c'est uniquement quant à sa manifestation car je n'en connais ni l'origine, ni la nature.

En 1685, Newton rédige son opuscule (sur le mouvement) dans lequel il décrit sa loi, unifiant ainsi la mécanique terrestre et la mécanique céleste :

Entre deux masses, il se crée une force attractive dont l'action se transmet d'un point à un autre.

Il exprime cette loi de manière simplifiée par l'expression mathématique suivante :

où (MA et MB) sont deux masses, () est le vecteur unitaire indiquant la direction du mouvement, (F) la force qui s'exerce entre les deux masses et G une constante de proportionnalité ou la constante gravitationnelle dont la valeur ne sera déterminée que par Henry Cavendish.

Par sa formule résultante des trois lois de Kepler, Il explique et démontre les mouvements des planètes autour de leur orbite.

Cependant, la gravitation est bien plus qu'une force exercée par le soleil sur les planètes, Inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, c'est aussi l'effet des planètes sur le soleil. De plus selon la loi de la gravitation de Newton, tous les objets du cosmos s'attirent mutuellement.

Newton, s'était posé la question comment une force se transmet à travers le vide ?. Dans son livre III des Principia, il conçoit un éther mécanique, emplissant l'espace et justifiant la transmission de la force gravitationnelle. Par ailleurs il conclut la force gravitationnelle se transmet instantanément d'un corps à l'autre, sur des distances quelconques et à travers l'espace, vide ou non.

John Michell (1724 - 1793) est un physicien, astronome et géologue britannique. Il est considéré comme l'un des fondateurs de la sismologie moderne, car il fut le premier à suggérer que les mouvements du sol impliqués dans un tremblement de terre se propageaient à l'intérieur de la Terre sous forme d'ondes à partir d'une rupture dans l'écorce terrestre. Cette idée lui était venue après le grand séisme de Lisbonne, qui eut lieu en 1755.

En 1750, il publia un texte d'environ quatre-vingts pages sur les aimants (A Treatise of Artificial Magnets), dans lequel il fournit une méthode simple pour augmenter l'intensité d'aimantation. En plus de la description de cette méthode qui porte son nom, le texte en question contient aussi plusieurs observations précises sur le magnétisme, et notamment sur le phénomène d'induction magnétique.

Michell fut l'inventeur de la balance de torsion devenue célèbre grâce aux applications qu'en firent Henry Cavendish pour déterminer la masse de la Terre et Charles-Augustin de Coulomb pour établir la loi fondamentale de l'électrostatique ( loi de Coulomb ). En construisant sa balance de torsion, Michell se proposait de déterminer la constante (G) de gravitation de Newton.

John Michell mourut avant de pouvoir utiliser son dispositif.

La balance de Michell passa à Cavendish qui put ainsi déterminer en 1798 la constante de gravitation (G), et donc la masse de la Terre, avec une précision raisonnable.

Henry Cavendish (1731 - 1810), hérita d'un de ses oncles une fortune immense qui lui permit de financer ses recherches en physique et chimie.

En 1798 il fut le premier à mesurer la constante gravitationnelle (G) de Newton par une expérience suggérée par John Michell, qui est restée célèbre, et à déterminer ainsi la masse de la Terre. Il fut l'un des fondateurs de la chimie moderne par la méthode et la précision des mesures qu'il s'imposa dans ses expériences. Il travailla dans d'autres domaines comme l'électrostatique quantitative (c'est un contemporain de Coulomb).

Toutefois l'étendue de son génie ne sera connue que dans les années 1870, lorsque Maxwell eut dépouillé les documents qu'il avait laissés 60 ans auparavant.

La découverte de la gravitation résulta d'observations successives de plusieurs théoriciens :

Les hommes avaient observé qu'une pierre tombe sur la Terre.

Les philosophes grecs soupçonnaient que les planètes étaient liées au Soleil par une force.

Mais il fallut que Galilée étudie la chute des corps. Que Tycho Brahe observe la planète Mars pour que Johannes Kepler décrive les trois lois qui permirent à Isaac Newton de définir la théorie de l'attraction universelle dont la constante (G) ne fut connue que grâce à la balance à torsion inventée par John Michell mais utilisée par Henry Cavendish pour définir la valeur de ladite constante (G).

L'identification de la gravitation fut le premier pas de l'Homme vers la connaissance de l'univers.