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En 1687, un homme nommé Isaac Newton publia un livre qui changea tout.
Il s'appelait Principia Mathematica, et il y a énoncé trois lois simples qui expliquent comment les objets se déplacent — d'une balle qui roule à une fusée quittant la Terre.
Newton n'a pas découvert la gravité en se faisant frapper à la tête par une pomme. C'est un mythe. Ce qu'il a réellement fait était bien plus impressionnant : il a vu ce que tout le monde voyait — les choses tombent — et s'est demandé pourquoi.
À la fin de cette leçon, vous comprendrez les trois lois qui gouvernent chaque poussée, tirage, collision et orbite dans l'univers.
Réchauffement
Avant de commencer
Commençons par quelque chose que vous avez expérimenté chaque jour de votre vie.
Les objets résistent au changement
Première loi de Newton
Un objet au repos reste au repos, et un objet en mouvement reste en mouvement à la même vitesse et dans la même direction — sauf s'il est soumis à une force déséquilibrée.
Cette propriété s'appelle l'inertie. Tout dans l'univers résiste à tout changement de son mouvement.
Un livre assis sur une table y restera pour toujours à moins que quelque chose ne le pousse. Un disque de hockey glissant sur la glace sans friction glisserait indéfiniment en ligne droite à moins que quelque chose ne l'arrête.
C'était révolutionnaire. Avant Newton, les gens supposaient que les objets ralentissent naturellement. Newton a réalisé que le ralentissement n'est pas naturel — cela ne se produit que parce que des forces comme le frottement et la résistance de l'air.
L'inertie dans la vie quotidienne
Vous expérimentez l'inertie chaque jour
Les ceintures de sécurité existent à cause de l'inertie. Quand une voiture s'arrête soudainement, vous ne vous arrêtez pas avec la voiture — votre corps continue de se déplacer vers l'avant à la vitesse d'origine de la voiture. La ceinture de sécurité est la force déséquilibrée qui vous arrête.
Le tour de la nappe fonctionne à cause de l'inertie. Les assiettes sont au repos et résistent à être bougées. Si vous tirez le tissu assez vite, le frottement n'a pas le temps d'accélérer les assiettes, et elles restent sur place.
Un ballon de soccer sur le sol reste parfaitement immobile jusqu'à ce que quelqu'un le botte. Il n'a aucune envie de bouger, aucune tendance à bouger. Il est complètement indifférent.
La force égale la masse fois l'accélération
Deuxième loi de Newton
La force égale la masse fois l'accélération : F = ma
C'est l'équation la plus utile en physique. Elle vous dit trois choses à la fois :
1. Plus vous appliquez de force à un objet, plus il accélère (accélère, ralentit ou change de direction).
2. Plus un objet a de masse, moins il accélère pour la même force.
3. Si vous connaissez deux des trois valeurs — force, masse ou accélération — vous pouvez calculer la troisième.
La masse est la quantité de matière qu'un objet contient. Elle est mesurée en kilogrammes.
L'accélération est la rapidité avec laquelle la vitesse change. Elle est mesurée en mètres par seconde au carré (m/s²).
La force est mesurée en Newtons (N) — oui, l'unité porte son nom.
Appliquer F = ma
Pousser des chariots
Pensez à ce scénario : vous êtes à l'épicerie. Vous poussez un chariot vide, et il roule facilement. Ensuite, vous remplissez le chariot d'épiceries lourdes et vous poussez avec la même force.
Chaque action a une réaction égale et opposée
Troisième loi de Newton
Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.
Cela signifie que les forces viennent toujours par paires. Vous ne pouvez pas pousser sans être repoussé.
Quand vous marchez, votre pied pousse vers l'arrière sur le sol, et le sol vous pousse vers l'avant. Cette poussée vers l'avant est ce qui vous déplace.
Quand une fusée se lance, elle ne pousse pas contre le sol ou l'air. Elle jette un gaz chaud vers le bas à une vitesse énorme, et le gaz repousse la fusée avec une force égale — vers le haut.
Quand vous nagez, vos mains poussent l'eau vers l'arrière, et l'eau vous pousse vers l'avant.
Les forces sont toujours égales en taille et opposées en direction. Toujours.
Sauter sur la Terre
Une question qui donne à réfléchir
Quand vous sautez, vos jambes poussent vers le bas sur la Terre. Par la troisième loi de Newton, la Terre vous pousse vers le haut avec une force égale — c'est ce qui vous projette en l'air.
Mais voici la partie étrange : si vous poussez vers le bas sur la Terre, et que la Terre vous pousse vers le haut, alors les forces sont égales. Vous volez vers le haut. Donc la Terre devrait se déplacer vers le bas.
Gravitation universelle
Loi de la gravitation universelle de Newton
Newton a réalisé que la même force qui fait tomber une pomme d'un arbre est la même force qui maintient la Lune en orbite autour de la Terre.
Chaque objet ayant une masse attire chaque autre objet ayant une masse. La force de l'attraction dépend de deux choses :
1. Masse : les objets plus massifs tirent plus fort.
2. Distance : les objets plus éloignés tirent plus faiblement. La force diminue avec le carré de la distance — deux fois plus loin signifie un quart de la traction.
Poids vs masse
La masse est la quantité de matière en vous. Elle ne change pas peu importe où vous êtes.
Le poids est la force de la gravité tirant sur votre masse. Il change selon où vous êtes.
Sur la Lune, vous avez la même masse mais un sixième du poids, car la gravité de la Lune est plus faible.
Pourquoi la Lune ne tombe-t-elle pas ?
Elle tombe — constamment. Mais elle bouge aussi de côté si vite que le moment où elle tombe un peu, la surface de la Terre s'est courbée loin en dessous. Elle continue de tomber et continue de manquer. C'est ce qu'une orbite est : tomber et manquer le sol pour toujours.
Sans poids mais pas sans gravité
L'énigme de la station spatiale
Les astronautes de la Station spatiale internationale flottent comme s'ils étaient sans poids. Vous avez probablement vu les vidéos — ils dégringolent, l'eau forme des bulles flottantes, et rien ne tombe.
Voici le fait surprenant : la Station spatiale internationale orbite à environ 400 km au-dessus de la Terre. À cette altitude, la gravité est toujours environ 90 % aussi forte qu'à la surface.
Les lois de Newton dans le monde réel
Forces en ingénierie et sports
Chaque structure, véhicule et sport sur Terre obéit aux lois de Newton.
Les ponts doivent équilibrer toutes les forces pour rester immobiles (première loi). Les ingénieurs calculent le poids du trafic (deuxième loi) et s'assurent que chaque support repousse avec une force égale (troisième loi).
Les fusées fonctionnent purement par la troisième loi — jeter la masse dans une direction pour accélérer dans l'autre. Il n'y a pas d'air à pousser dans l'espace. L'échappement descend ; la fusée monte.
Le sport est de la physique appliquée. Une batte de baseball transfère la force à une balle (deuxième loi). Un sprinter pousse vers l'arrière sur les blocs de départ et les blocs les poussent vers l'avant (troisième loi). Un disque de hockey glisse sur la glace avec un frottement minimal, démontrant la première loi.
Chaque fois qu'un ingénieur conçoit une voiture, un pont ou un vaisseau spatial, il résout les équations de Newton.
Physique dans votre sport préféré
À votre tour
Appliquez maintenant ce que vous avez appris.