13 : Gravitation
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Dans cette section, nous étudions la nature de la force gravitationnelle pour des objets aussi petits que nous et pour des systèmes aussi massifs que des galaxies entières. Nous montrons comment la force gravitationnelle affecte les objets sur Terre et le mouvement de l'Univers lui-même. La gravité est la première force à être postulée comme une force d'action à distance, c'est-à-dire que des objets exercent une force gravitationnelle les uns sur les autres sans contact physique et que cette force ne tombe à zéro qu'à une distance infinie. La Terre exerce une force gravitationnelle sur vous, tout comme notre Soleil, la Voie lactée et les milliards de galaxies, comme celles présentées ci-dessus, qui sont si éloignées que nous ne pouvons pas les voir à l'œil nu.
- 13.1 : Prélude à la gravitation
- Notre univers visible contient des milliards de galaxies dont l'existence même est due à la force de gravité. La gravité est responsable en dernier ressort de la production d'énergie de toutes les étoiles, déclenchant des réactions thermonucléaires dans les étoiles, permettant au Soleil de chauffer la Terre et rendant les galaxies visibles à des distances insondables.
- 13.2 : La loi de Newton sur la gravitation universelle
- Toutes les masses s'attirent les unes les autres par une force gravitationnelle proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Les masses sphériquement symétriques peuvent être traitées comme si toute leur masse était située au centre. Les objets non symétriques peuvent être traités comme si leur masse était concentrée à leur centre de masse, à condition que leur distance par rapport aux autres masses soit grande par rapport à leur taille.
- 13.3 : Gravitation près de la surface de la Terre
- Le poids d'un objet est l'attraction gravitationnelle entre la Terre et l'objet. Le champ gravitationnel est représenté par des lignes qui indiquent la direction de la force gravitationnelle ; l'espacement des lignes indique l'intensité du champ. Le poids apparent diffère du poids réel en raison de l'accélération de l'objet.
- 13.4 : Énergie potentielle gravitationnelle et énergie totale
- L'accélération due à la gravité change à mesure que nous nous éloignons de la Terre, et l'expression de l'énergie potentielle gravitationnelle doit refléter ce changement. L'énergie totale d'un système est la somme de l'énergie potentielle cinétique et gravitationnelle, et cette énergie totale est conservée lors du mouvement orbital. Les objets dont l'énergie totale est inférieure à zéro sont liés ; ceux dont l'énergie est nulle ou supérieure sont illimités.
- 13.5 : Orbites et énergie des satellites
- Les vitesses orbitales sont déterminées par la masse du corps en orbite et la distance par rapport au centre de ce corps, et non par la masse d'un objet orbital beaucoup plus petit. La période de l'orbite est également indépendante de la masse de l'objet en orbite. Des corps de masses comparables gravitent autour de leur centre de gravité commun et leurs vitesses et périodes doivent être déterminées à partir de la deuxième loi de Newton et de la loi de gravitation.
- 13.6 : Les lois du mouvement planétaire de Kepler
- Johannes Kepler a soigneusement analysé les positions dans le ciel de toutes les planètes connues et de la Lune, en traçant leurs positions à intervalles de temps réguliers. À partir de cette analyse, il a formulé trois lois : la première loi de Kepler stipule que chaque planète se déplace le long d'une ellipse. La deuxième loi de Kepler stipule qu'une planète balaie des zones égales en des temps égaux. La troisième loi de Kepler indique que le carré de la période est proportionnel au cube du demi-grand axe de l'orbite.
- 13.7 : Forces marémotrices
- Les marées de la Terre sont causées par la différence entre les forces gravitationnelles de la Lune et du Soleil sur les différents côtés de la Terre. Les marées de printemps ou les marées basses (hautes) se produisent lorsque la Terre, la Lune et le Soleil sont alignés, et les marées basses ou (basses) se produisent lorsqu'ils forment un triangle droit. Les forces des marées peuvent provoquer un échauffement interne, des modifications du mouvement orbital et même la destruction de corps orbitaux.
- 13.8 : La théorie de la gravité d'Einstein
- Selon la théorie de la relativité générale, la gravité est le résultat de distorsions de l'espace-temps créées par la masse et l'énergie. Le principe d'équivalence stipule que la masse et l'accélération faussent l'espace-temps et sont impossibles à distinguer dans des circonstances comparables. Les trous noirs, qui résultent d'un effondrement gravitationnel, sont des singularités dont l'horizon des événements est proportionnel à leur masse.
Vignette : Notre univers visible contient des milliards de galaxies dont l'existence même est due à la force de gravité. La gravité est responsable en dernier ressort de la production d'énergie de toutes les étoiles, déclenchant des réactions thermonucléaires dans les étoiles, permettant au Soleil de chauffer la Terre et rendant les galaxies visibles à des distances insondables. La plupart des points que vous voyez sur cette image ne sont pas des étoiles, mais des galaxies. (source : modification des travaux de la NASA).