mécanique (PTSI) · Chapitre 7 · Application directe du cours
Pourquoi la Lune ne tombe pas : le boulet de Newton
Mouvements dans un champ de force centrale conservatif · niveau 2
Énoncé
En 1687, Newton imagine un canon au sommet d'une montagne : plus le boulet est rapide, plus il retombe loin… jusqu'à « rater » la Terre en permanence et revenir à son point de départ — il est en orbite. La Lune, à , fait exactement cela.
- Pour une orbite circulaire de rayon , écrire la 2e loi de Newton et en déduire .
- Calculer pour la Lune, puis . Comparer aux jours observés.
- Évaluer et la comparer à . Pourquoi est-elle si faible ?
- De combien la Lune « tombe-t-elle » en ? Montrer que cette chute est exactement l'écart entre la tangente et l'orbite circulaire.
Corrigé
1. L'accélération centripète est fournie par la gravitation : , d'où (la masse de la Lune disparaît).
2. , : . , soit , en accord avec les jours observés.
3. , soit : cohérent avec la décroissance en (la Lune est à , et ).
4. En , la chute vaut (). Pendant ce temps la Lune avance de ; le cercle de rayon s'écarte de sa tangente, sur cette longueur, de , exactement la même quantité : la Lune tombe vers la Terre sans jamais s'en rapprocher.
Ce que ça nous apprend. Une orbite est une chute libre qui « rate » sans cesse l'astre central : la même force qui fait tomber une pomme retient la Lune. La gravitation de Newton unifie ciel et Terre.
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