Le principe fondamental de la dynamique est un outil développé dans le cadre de la mécanique classique, qui permet de faire le lien entre les forces appliquées à un corps et l'évolution cinématique de ce corps. Appliqué à un solide de masse m dont le mouvement est défini dans un référentiel dit galiléen, le principe s'énonce :
F = m γ = m dv / dt
F représente l'ensemble des forces appliquées à l'objet, et γ son accélération. dv / dt est la dérivée de la vitesse par rapport au temps (soit l'accélération).
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Appliquée à un point matériel (un solide de dimension négligeable devant les distances mises en jeu) ou à un ensemble de points matériels, cette loi peut se réécrire de diverses manières, toutes équivalentes :
- le théorème du mouvement du centre de masse (ou barycentre) :
"le barycentre d'un système matériel se meut comme si toute la masse du système y était transportée, les forces extérieures au système agissant toutes sur ce barycentre"
- le théorème du moment cinétique appliqué à un point matériel :
"la dérivée par rapport au temps du moment cinétique en un point d'un système matériel est, à chaque instant, égale au moment résultant des forces extérieures par rapport à ce même point"
- le théorème de l'énergie cinétique (autrefois appelé théorème des forces vives) :
"la variation de l'énergie cinétique d'un système matériel pendant un intervalle de temps donné est égal à la somme des travaux des forces intérieures et extérieures appliquées à ce système pendant cet intervalle de temps".
Notons que du théorème du moment cinétique découle directement la deuxième loi de Kepler (lois des aires), résultant du seul fait que l'interaction gravitationnelle est une force "centrale".
On doit ces principes à Galilée et Huygens, mais ils ont été affinés par la suite par Clairaut, Descartes, Euler et D'Alembert.
Galilée (1564-1642) était d'abord un physicien et il étudia la mécanique et la dynamique des corps en mouvement. Il démontra l'invariance de l'accélération dans le champ de pesanteur terrestre à la surface du globe et établit la loi de l'inertie (tout corps non soumis à une force extérieure est animé d'un mouvement rectiligne uniforme et se trouve dans un référentiel que l'on nomme aujourd'hui "galiléen").
Christian Huygens (1629-1695), hollandais, développa une théorie ondulatoire de la lumière. En 1673, il publia la loi sur l'accélération centrifuge des corps en mouvement circulaire. Il séjourna quinze ans en France sur l'invitation de Colbert.
René Descartes (1596-1650) apporta alors une vision complètement nouvelle de l'univers. L'univers évolue seul : il n'est point besoin d'un dieu intervenant à tout moment. Descartes étudia l'optique et fit une théorie de la réflexion et de la réfraction. Il introduisit les concepts mathématiques en physique, en particulier un système de coordonnées aujourd'hui dites cartésiennes facilitant les calculs.
Alexis Clairaut (1713-1765) fut l'un des membres de l'expédition en Laponie. Il s'attaqua à des problèmes de mécanique céleste comme celui des 3 corps appliqué au système Terre-Lune perturbé par le Soleil. Il appliqua la théorie de la gravitation universelle aux comètes, en particulier aux perturbations de Jupiter et Saturne sur la trajectoire de la comète de Halley.
Leonhard Euler (1707-1783), mathématicien suisse, étudia les perturbations mutuelles de Jupiter et de Saturne ainsi que les orbites paraboliques des comètes. On lui doit la définition des "angles d'Euler" permettant la détermination de la position d'un solide en mouvement dans un trièdre trirectangle.
Jean-Baptiste Le Rond d'Alembert (1717-1783) publia un traité de dynamique contenant le théorème sur les forces d'inertie connu aujourd'hui sous le nom de théorème de d'Alembert. Il établit également les équations du mouvement de la Terre autour de son axe et réalisa la première théorie mathématique de la précession.
Le caractère universel de la gravitation a été mis en évidence par Newton (1642-1727) dans son œuvre "Principes mathématiques de philosophie naturelle". Newton a été le premier à comprendre que la pomme qui tombe d'un arbre et la Lune qui tourne autour de la Terre obéissent à une même loi et que leurs mouvements sont en fait de même nature.
La loi de la gravitation universelle s'énonce ainsi : "deux points matériels de masse m et m' exercent l'un sur l'autre une force attractive directement proportionnelle aux masses et inversement proportionnelle au carré de la distance r les séparant". Le module F de cette force vaut :
où G est la constante gravitationnelle.
Cette loi suppose la transmission instantanée des forces dans l'espace.
Portrait de Sir Isaac Newton
Crédit :
Danielle Briot - Collection particulière
La mécanique céleste est alors l'application de la mécanique newtonienne et des principes fondamentaux de la mécanique aux corps du système solaire. C'est Laplace qui a mis en place les fondements de la mécanique céleste qui va (presque) tout expliquer :
- le mouvement des planètes et de leurs satellites
- la précession et la nutation
- les marées
- l'applatissement des planètes
En première approximation, la mécanique newtonienne explique donc parfaitement les mouvements dans le système solaire. Mais avant d'aborder un cas aussi complexe, on s'intéresse d'abord au problème restreint à 2 corps.
Pierre Simon de Laplace
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Danielle Briot - Collection particulière