Isaac Newton et la gravitation universelle


Après les travaux de Kepler et de Galilée, la description du mouvement des planètes était enfin correcte. Cette description n’était cependant pas complète, elle ne fournissait aucun renseignement sur la cause de ces mouvements et n’expliquait par pourquoi les orbites étaient des ellipses plutôt qu’une autre forme quelconque.

C’est Isaac Newton, un physicien anglais né en 1642, qui fournit la réponse à ces questions et acheva ainsi la quête d’une description complète des mouvements planétaires.

Newton

Isaac Newton : Woolsthorpe, 1643 – London, 1727

Une même loi pour la Terre et la Lune

Lorsque Newton entama sa carrière de physicien, la description du mouvement des corps distinguait encore la Terre et les cieux. D’un côté, on trouvait le mouvement des corps célestes qui obéissait aux lois de Kepler, de l’autre, le mouvement des corps terrestres qui suivait les lois proposées par Galilée.

Les deux ensembles de lois semblaient totalement différents et irréconciliables. Mais, en 1666, Isaac Newton fit un raisonnement qui ouvrit la voie à une réconciliation des deux descriptions.

Imaginons que nous placions un canon au sommet d’une montagne. Imaginons également qu’il soit possible d’utiliser ce canon pour tirer des boulets avec une puissance arbitrairement grande et que les boulets ne soient pas freinés par l’atmosphère terrestre.

Si nous plaçons peu de poudre dans le canon, nous enverrons le boulet à quelques dizaines de mètres. En augmentant la quantité de poudre, nous pourrons l’envoyer de plus en plus loin, à un kilomètre, à dix kilomètres et ainsi de suite. Le boulet sera soumis à la pesanteur de la Terre et obéira aux lois de Galilée sur le mouvement des corps.

Mais si nous multiplions encore la puissance du canon, à partir d’un certain moment, nous réussirons à envoyer le boulet de l’autre côté de la Terre. Enfin, en augmentant encore la vitesse, arrivera un point où le boulet fera le tour de la Terre avant de passer au-dessus de notre tête et de continuer son vol. Le boulet décrira alors un cercle ou une ellipse autour de la Terre : il sera en orbite et se conformera aux lois de Kepler sur le mouvement des corps célestes.

Avec ce raisonnement très théorique, Newton réconciliait les différents types de mouvement, l’orbite keplerienne du boulet-satellite s’identifiait au mouvement galiléen du boulet-projectile. Après cette révélation, Newton s’attacha à transformer son intuition en une théorie mathématique capable de décrire le mouvement de n’importe quel corps.

La loi de la gravitation universelle

Comme les premiers essais ne furent pas à la hauteur de ses ambitions, il abandonna le sujet pendant une longue période et il fallut attendre plus de 20 ans pour que Newton mette au point sa théorie et la publie finalement, en 1687, dans Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principes mathématiques de la philosophie naturelle).

Dans cet ouvrage, Newton montra que de nombreux phénomènes, en particulier le mouvement des astres et la chute des corps, pouvaient s’expliquer par l’action d’une force qui faisait s’attirer mutuellement tous les objets. C’était par exemple la force d’attraction du Soleil qui réglait le mouvement des planètes et la force d’attraction de la Terre qui faisait chuter les corps à sa surface.

En s’appuyant sur les lois de Kepler, Newton réussit à donner une expression mathématique à cette force et put énoncer la loi de la gravitation universelle : l’intensité de la force d’attraction entre deux corps est proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de leur distance mutuelle.

Les applications de la gravitation universelle

A partir de la loi de la gravitation universelle, Newton fut en mesure d’analyser mathématiquement de nombreux phénomènes.

Il démontra que les planètes devaient effectivement suivre des ellipses autour du Soleil et confirma toutes les lois découvertes par Kepler.

Il montra que les mouvements des corps célestes n’étaient pas toujours des ellipses. Certains objets, en particulier certaines comètes, suivaient d’autres de trajectoires, appelées paraboles et hyperboles. Ces courbes, contrairement aux ellipses, étaient ouvertes et les corps qui les parcouraient finissaient par s’éloigner indéfiniment du Soleil.

Newton fut également le premier à estimer les masses relatives de la Terre, du Soleil et des autres planètes.

Finalement, la loi de la gravitation universelle lui permit d’expliquer des phénomènes terrestres comme la marée, due à la force d’attraction de la Lune sur la Terre, ou bien la forme de notre planète et son renflement équatorial.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger