Le jour où une pomme est tombée sur la tête de Newton…

Publié le : 26 octobre 20216 mins de lecture

La force d’attraction gravitationnelle est l’une des forces fondamentales existant dans la nature. Auparavant, Newton publie à Londres un livre intitulé : Les principes mathématiques de la philosophie naturelle, dans lequel, partant des lois de Kepler, il arrive à la conclusion qu’il doit exister une force d’attraction qui infléchit la trajectoire des planètes et par l’action de laquelle elles ne se déplacent pas en ligne droite à vitesse constante. La légende raconte qu’au cours d’un après-midi d’été, Isaac Newton était assis sous un pommier : une pomme tombée de l’arbre lui a heurté la tête, cet événement l’a fait réfléchir à ce qui serait devenu la loi de la gravitation universelle. Newton a réalisé que la force qui maintient les planètes en orbite autour du soleil était de même nature que la force qui attire les objets à la surface de la terre.

A. Quelle est la force d’attraction gravitationnelle entre deux masses ?

Mais essayez de comprendre cette force en examinant le mouvement de la lune ; pourquoi la lune continue-t-elle à se déplacer le long de son orbite sans s’éloigner de la terre ? Tous les corps s’attirent avec une force qui est directement proportionnelle au produit de leur masse et inversement proportionnelle au carré de leur distance. Par conséquent, la terre exerce une force gravitationnelle sur la lune : son satellite et sur tous les corps qui se trouvent à la surface de la terre. Dans ce cas, la force de gravité coïncide avec la force du poids et le résultat est une accélération vers le centre de la terre : l’accélération de la gravité, qui est désignée par la lettre g. Sur la terre au niveau de la mer, g=9,8m/s2, mais il varie avec l’altitude : g diminue quand on s’éloigne de la terre, il s’ensuit que le poids des corps diminue quand on s’éloigne de la terre. La valeur de g peut aussi être mesurée expérimentalement ; on peut remarquer qu’elle n’est pas vraiment constante dans les différents points de la surface terrestre : c’est parce que la terre n’est pas parfaitement sphérique mais elle est aplatie aux pôles et donc l’accélération de la gravité est plus grande aux pôles et plus petite à l’équateur. La valeur de l’accélération de la pesanteur dépend de la masse du corps qui attire, il s’ensuit que le poids d’un corps sur la lune dont la masse est inférieure à celle de la terre est plus faible que le poids du même corps sur la terre. La masse, au contraire, qui est une caractéristique universelle, garde une valeur inchangée en tous les points de l’espace.

1. Effets dans la nature : les marées

Les conséquences de la force d’attraction gravitationnelle sont évidentes dans la nature également : le niveau de la mer subit des mouvements périodiques de baisse et de hausse, en raison de la force d’attraction exercée par la lune sur la terre. La marée haute se produit lorsque la lune passe sur le méridien d’un lieu, alors que la marée basse se produit lorsque la lune est à angle droit avec le méridien lui-même. Newton a donné une explication au phénomène : lorsque la surface de la mer est plus proche de la lune que le centre de la terre elle-même, elle subit une plus grande force d’attraction, qui provoque le soulèvement.

2. Le champ gravitationnel

La force d’attraction gravitationnelle est une force à distance, c’est-à-dire qu’elle agit sur deux corps qui ne sont pas en contact entre eux et Newton lui-même a eu des difficultés à accepter cette idée étrange. Pour expliquer ce phénomène, le concept de champ a été introduit : tout corps doté d’une masse peut être considéré comme la source d’un champ gravitationnel, donné par toute la région de l’espace dans laquelle une masse est présente et dans laquelle d’autres masses possibles sont influencées.

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B. Loi de la gravitation universelle et théorie de la relativité générale

Mais pour en revenir à la pomme de Newton, comment la pomme peut-elle connaître l’existence d’une masse énorme, celle de la Terre et vice versa ? Une clarification est intervenue auparavant avec la publication de la théorie de la relativité générale d’Einstein ; elle a entraîné une véritable révolution dans la façon de concevoir l’espace. Jusqu’alors, l’espace et le temps étaient considérés comme deux entités sans lien entre elles, mais pour Einstein, le temps et l’espace sont liés dans ce qu’il appelle l’espace-temps. L’espace est déformé par la présence de masses : imaginez l’espace-temps comme un drap, si on lance une balle sur le drap, il se déformera ; les grandes concentrations de masses déforment l’espace et cela est également vrai pour notre planète où la pomme tombe précisément à cause de l’effet de la courbure de l’espace-temps, due à la masse de la Terre. La gravité apparaît donc parce que l’espace-temps se courbe en présence d’une grande concentration de matière comme ce peut être celle d’une planète ou d’une étoile. Plus la masse est importante, plus la distorsion est grande et donc plus les effets de la gravité sont importants. La gravité est donc le résultat de la forme courbe de l’espace-temps.

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