Les Forces – une petite introduction aux vecteurs

Aujourd’hui, je vais changer de mode de présentation et vous faire un « pencast » : une diffusion d’infomation sonore (comme le podcast), mais en ajoutant l’image avec le stylo (une vidéo stylo quoi 🙂

Cette article fait suite au précédent, qui concernait la question « Pourquoi les planètes tournent autour du soleil ? » en apportant certaines précisions mathématiques sur la notion de vecteur.

Bonne vidéo !

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Pourquoi la fleur du soleil se tourne-t’elle vers lui tout au long de la journée ?

Suite à l’article précédent concernant un sujet assez physique : Pourquoi les planètes tournent autour du soleil ?, une lectrice qui avait manifestement juste lu le titre m’a demandé : Mais non, on ne sait pas exactement pourquoi les plantes tournent autour du soleil, si ?. Cette lectrice avait bien entendu confondu les noms plantes et planètes 🙂

Mais qu’en est-il de sa question ? En particulier, si le tournesol se nomme ainsi, c’est qu’il a pour habitude de suivre le trajet du soleil tout au long de la journée. Mais qu’est-ce donc qui le motive ainsi à se tourner en fonction de la position de l’astre du jour ?

Et bien j’ai été cherché la réponse et elle est, ma foi, fort intéressante :

Il faut tout de suite préciser que cette croyance n’est que partiellement exacte. Ce ne sont pas tous les tournesols qui bougent. En effet une fois adultes, dès la floraison des capitules (fleur jaune), les tournesols s’immobilisent vers l’est (même si les têtes et les feuilles continuent bien de se tourner vers le Soleil au cours de la journée, suivant sa course d’est en ouest).

En revanche si le tournesol est encore jeune et en pleine croissance alors c’est toute la plante qui suit le mouvement. Et il est vrai qu’il suit alors le soleil.

Allons un peu plus dans le détail …

Le tournesol Helianthus tuberosus est une plante célèbre pour son héliotropisme (du grec helios, « Soleil », et tropos, « tour » : se tourner vers le Soleil), c’est-à-dire sa capacité à s’orienter vers le soleil durant sa croissance. Ce phénomène permet à la face supérieure des feuilles des jeunes tournesols de conserver une exposition optimale au rayonnement solaire tout au long de la journée, afin d’assurer la meilleure photosynthèse. Le matin, les jeunes plants de tournesol sont orientés vers l’est. Durant la journée, ils suivent le soleil pour regarder vers l’ouest en fin de journée, puis retournent vers l’est la nuit.

Une fois que la fleur s’ouvre, la plante s’oriente vers l’est et s’immobilise définitivement. Si la rotation a été observée dès le XVIe siècle, c’est à la fin du XIXe siècle que le naturaliste Charles Darwin et son fils Francis rebaptisèrent ce phénomène « phototropisme » : ils avaient compris que la plante suivait en fait la lumière. Ce n’est par ailleurs qu’en 2016 que le mécanisme causant le phototropisme a été découvert par Stacey Harmer, une botaniste de l’Université de Davis, en Californie.

Son équipe de recherche a principalement découvert que l’orientation des plantes vers la lumière est d’abord due à une croissance différentielle entre les deux faces de la tige. Le côté situé à l’ombre pousse plus vite que celui exposé à la lumière, ce qui a pour effet de courber la plante vers le Soleil.

À l’Université Davis, en Californie, les biologistes des plantes ont en effet découvert comment les tournesols utilisent leur horloge circadienne interne, agissant sur les hormones de croissance, pour suivre le soleil pendant la journée [1].

«C’est le premier exemple d’une horloge modulant la croissance d’une plante dans un environnement naturel et ayant de réelles répercussions sur celle-ci», a déclaré Stacey Harmer, professeur de biologie végétale à l’UC Davis.

D’est en ouest et retour

Les tournesols en croissance commencent la journée avec la tête tournée vers l’est, pendulent vers l’ouest toute la journée et se retournent vers l’est la nuit.

« La plante anticipe le moment et la direction de l’aube, une raison pour avoir un lien entre l’horloge et la trajectoire de croissance », a déclaré Harmer.

Hagop Atamian, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Harmer a mené une série d’expériences sur les tournesols sur le terrain, dans des pots en extérieur et dans des chambres de croissance intérieures.

En jalonnant les plantes pour qu’elles ne puissent pas bouger, ou en tournant les plantes en pot chaque jour pour qu’elles se retrouvent dans la mauvaise direction, Atamian a montré qu’il pouvait perturber leur capacité à suivre le soleil. Le suivi du soleil stimule la croissance des plantes. Les chercheurs ont découvert que les tournesols plantés ne pouvaient pas bouger, que leur biomasse et leur surface foliaire étaient moindres.

Lorsque les plantes ont été déplacées dans une chambre de croissance intérieure avec une lumière zénithale immobile, elles ont continué à se balancer d’avant en arrière pendant quelques jours. C’est le genre de comportement que l’on pourrait attendre d’un mécanisme piloté par une horloge interne, a déclaré Harmer.

Enfin, les plantes d’intérieur ont commencé à suivre «le soleil» à nouveau lorsque la source de lumière apparente a été déplacée à travers la chambre de croissance en allumant et éteignant les lumières adjacentes pendant la journée. Les plantes pouvaient suivre le mouvement de manière fiable et revenir la nuit lorsque le jour artificiel était proche d’un cycle de 24 heures, mais pas lorsqu’il était plus proche de 30 heures.

Horloges et deux mécanismes de croissance

Alors, comment les plantes déplacent-elles leurs tiges pendant la journée? Atamian mit des points d’encre sur les tiges et les filma avec une caméra vidéo. Sur une vidéo accélérée, il pouvait mesurer la distance qui changeait entre les points.

Il a trouvé que lorsque les plantes suivaient le soleil, le côté est de la tige poussait plus rapidement que le côté ouest. La nuit, le côté ouest grandissait plus vite lorsque la tige basculait dans l’autre sens. L’équipe a identifié un certain nombre de gènes qui étaient exprimés à des niveaux plus élevés du côté de la plante tourné vers le soleil pendant la journée ou de l’autre côté la nuit.

Harmer a déclaré qu’il semble y avoir deux mécanismes de croissance à l’œuvre dans la tige de tournesol. La première définit un taux de croissance de base pour la plante, basé sur la lumière disponible. La seconde, contrôlée par l’horloge circadienne et influencée par la direction de la lumière, fait que la tige pousse plus d’un côté que de l’autre et par conséquent se balance d’est en ouest pendant la journée.

À mesure que le tournesol mûrit et que la fleur s’ouvre, la croissance globale ralentit et les plantes cessent de bouger pendant la journée et s’installent face à l’est. Cela semble être dû au fait que, lorsque la croissance globale ralentit, l’horloge circadienne garantit que la plante réagit plus fortement à la lumière tôt le matin que l’après-midi ou le soir, de sorte qu’elle cesse progressivement de se déplacer vers l’ouest pendant la journée.

Pourquoi faire face au soleil?

Pourquoi les tournesols mûrs font-ils face à l’est, de toute façon? Les chercheurs ont cultivé des tournesols en pots dans le champ et en ont fait pivoter certains vers l’ouest. En mesurant les fleurs avec une caméra infrarouge, ils ont constaté que les tournesols orientés vers l’est se réchauffaient plus rapidement le matin et attiraient également cinq fois plus d’insectes pollinisateurs. Réchauffer des fleurs orientées vers l’ouest avec un appareil de chauffage portatif a ramené plus de pollinisateurs vers les fleurs.

«Les abeilles aiment les fleurs chaudes», a déclaré Harmer.

« Tout comme les gens, les plantes dépendent des rythmes quotidiens du jour et de la nuit pour fonctionner », a déclaré la directrice du programme, Anne Sylvester. « Les tournesols, comme les panneaux solaires, suivent le soleil d’Est en Ouest. Ces chercheurs puisent dans les informations contenues dans le génome du tournesol pour comprendre comment et pourquoi les tournesols suivent le soleil. « 

Voilà, je crois avoir répondu à la question, en recherchant les informations principalement sur ce site, de l’Université Davis, et dans la publication originale [1]. J’espère que la réponse vous satisfait et, si vous avez aimé cet article, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Hagop S. Atamian, Nicky M. Creux, Evan A. Brown, Austin G. Garner, Benjamin K. Blackman, Stacey L. Harmer, Science  05 Aug 2016: Vol. 353, Issue 6299, pp. 587-590; DOI: 10.1126/science.aaf9793

Pourquoi les planètes tournent autour du soleil ?

Dans deux articles précédents, j’ai expliqué « pourquoi le soleil se lève toujours à l’Est et se couche toujours à l’ouest ? » et « quelle est l’origine des saisons ? » Dans les deux cas, j’ai fait appel à la description de mouvements pour expliquer ces phénomènes.

Dans le premier cas, j’ai en effet mentionné que c’était principalement dû au mouvement de rotation de la Terre sur elle-même et, dans le second cas, que c’était dû au fait que l’axe de rotation était incliné par rapport à la normale au plan de l’écliptique (plan dans lequel les planètes effectuent une trajectoire elliptique autour du soleil).

Cette partie de la mécanique qui concerne la description des mouvements s’appelle la cinématique (du grec kinêma, le mouvement). Cette sous-branche de la mécanique se focalise sur la description des principaux mouvements rencontrés dans la nature, tels :

  • le mouvement rectiligne uniforme (m.r.u.) qui décrit le mouvement d’un objet se déplaçant en ligne droite à vitesse constante
  • le mouvement rectiligne uniformément varié, c’-est-a-dire uniformément accéléré (m.r.u.a.) ou uniformément ralenti, qui est le mouvement d’un objet en ligne droite avec une accélération constante positive (a > 0) ou négative (a < 0)
  • le mouvement circulaire uniforme (m.c.u.) qui est le mouvement d’un objet qui parcourt un cercle à vitesse constante

Le mouvement le plus général que l’on peut considéré est le
mouvement curviligne varié, où l’objet suit une trajectoire
quelconque avec une vitesse quelconque également (m.Cu.v.).

La question posée dans le présent article est en fait pourquoi tel ou tel objet possède tel type de trajectoire ? En particulier, pourquoi les planètes décrivent une trajectoire elliptique (presque circulaire) autour du soleil ?

La réponse à ces questions est donnée cette fois par l’étude de la dynamique (une autre sous-branche de la mécanique) qui étudie les causes responsables des trajectoires observées. Cette dynamique (du point) comporte un certain nombre de principes qui permettent de comprendre les causes qui produisent certains effets. Les deux premiers principes sont particulièrement éclairants et sont appelés lois de Newton.

La première loi de Newton, ou principe d’inertie, stipule que,
en l’absence d’influence extérieure, tout corps ponctuel perdure
dans un mouvement rectiligne uniforme. En l’absence d’influence extérieure, un corps au repos (ayant une vitesse nulle) reste donc au repos et un corps avançant en ligne droite à vitesse constante continue à avancer en ligne droite à vitesse constante. C’est comme un patineur qui, après s’être élancé sur la glace, se laisse glisser « en ne faisant plus rien » et supposant que la glace soit tellement lisse qu’elle ne freine pas le patineur : le patineur a tendance à conserver sa vitesse en continuant son mouvement rectiligne. C’est ce que l’on appelle l’inertie d’un corps, dans un référentiel galiléen, c-est-à-dire dans un référentïel où aucune influence extérieure ne se manifeste. Le m.r.u. d’un objet est donc simplement gouverné par le principe d’inertie.

Qu’en est-il d’un objet uniformément accéléré ?

Le mouvement rectiligne uniformément accéléré ne satisfait pas au principe d’inertie. Il y a accélération du mouvement (a < 0 ou
a > 0) et donc une influence extérieure doit agir.

Quelle est cette influence extérieure ?

Imaginez-vous dans votre voiture. Vous accélérez en appuyant sur la pédale d’accélérateur et donc, vous bénéficiez de la force moteur du moteur de votre voiture. Si vous voulez ralentir, vous appuyez sur la pédale de frein et donc, vous utilisez les forces de frottements des disques sur vos roues. Dans les deux cas, une action est exercée sur la voiture pour modifier son état de mouvement : une force.

Cette force, de contact, dans le cas présent, a 4 caractéristiques :
– un point d’application
. une direction
– un sens
– une grandeur
c’est ce que l’on appelle un vecteur.

Si cette force agit parallèlement à votre trajectoire, elle vous permet de changer votre état de mouvement en changeant la vitesse. La force motrice et les forces de frottements mentionnés ci-dessus agissent dans la direction de votre trajectoire. La force motrice agit dans le même sens que le mouvement et donc vous accélérez. Au contraire, les forces de frottement agissent dans le sens contraire du mouvement et donc vous décélérez.

Est-ce cette force qui agit sur les planètes ?

On vient de voir que si la force est parallèle à la trajectoire, on pouvait changer l’état de mouvement d’un objet en changeant sa vitesse.

Qu’en est-il pour les planètes ?

En fait, d’après le principe d’inertie, si aucune force n’agissait sur les planètes, celles-ci continueraient leur mouvement rectiligne uniforme, c-est-à-dire qu’elles s’éloigneraient à jamais du soleil en continuant sur une trajectoire en ligne droite à vitesse constante :

Ainsi, à l’instant t1, si aucune force n’agit sur la planète P, celle-ci continuerait son m.r.u. et donc s’éloignerait à jamais, en ligne
droite, du soleil. Si cela était, tous les habitants de la Terre finiraient dans un état congelé, loin de la source de chaleur qu’est le soleil.

On sait que les planètes tournent autour du soleil. Une force doit donc s’exercer sur ces planètes pour éviter quelles décrivent un m.r.u. Cette force doit s’exercer de façon telle à changer continûment la direction prise par la planète sur sa trajectoire.

C’est comme lorsque vous faites tourner une pierre avant de la lancer avec une fronde. c’est la lanière de la fronde, entourant la pierre, qui l’empêche, au début, de s’en aller en ligne droite. La lanière exerce donc une force de « rappel » sur la pierre. cette force de « rappel » s’exerce perpendiculairement à la trajectoire à tout instant, gardant la pierre emprisonnée dans un mouvement circulaire. Si l’on relâche un bord de la lanière à un instant donné, la pierre s’échappe alors, fonçant en ligne droite vers sa cible à vitesse constante, satisfaisant alors au principe de l’inertie.

Il se passe la même chose pour une planète entour du soleil :

A tout instant, il existe une force s’exerçant perpendiculairement
à la trajectoire de la planète, qui l’oblige à garder une trajectoire circulaire autour du soleil. Cette force, qui agit dans la direction joignant les positions de la planète et du Soleil à tout instant, dans le sens allant vers le Soleil, qui occupe le centre du cercle, s’appelle force centripète.

Cette force est due à l’attraction gravitationnelle qu’exerce le Soleil sur la planète. La grandeur de cette force à distance, est proportionnelle au produit des masses de la planète et du soleil et inversement proportionnelle en carré de la distance qui sépare ces deux objets. Le mouvement des planètes autour du soleil est donc dû à l’influence d’une force qui modifie l’état de mouvement du corps considéré. C’est là l’expression du principe fondamental de la dynamique, encore appelé deuxième loi de Newton. 

COOL, non ?

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