Pourquoi les planètes tournent autour du soleil ?

Spread the love
  • 12
  •  
  •  
  •  
  •  
    12
    Partages

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 ?

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 🙂

  •  
    12
    Partages
  • 12
  •  
  •  

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *