La première loi de Newton fait partie d’un ensemble de trois lois physiques qu’on nomme « les lois du mouvement de Newton ». Avec les deux autres, elle a jeté les bases de la mécanique classique. Les lois du mouvement décrivent la relation entre un corps et les forces qui agissent sur lui. Elles décrivent également son mouvement en réponse à ces forces. Plus précisément, la première loi définit qualitativement la force. La deuxième loi de Newton offre une mesure quantitative de la force et la troisième loi de Newton affirme qu’il n’existe pas de force isolée. Intéressons-nous de près à la première loi de Newton.
Qui est Newton ?
Mathématicien, physicien, astronome et théologien, Isaac Newton est l’un des fondateurs de la physique moderne. Il a jeté les bases de la mécanique classique. Newton a également formulé les lois du mouvement et de la gravitation universelle. Ces lois ont formé le point de vue scientifique dominant jusqu’à leur remplacement par la théorie de la relativité d’Einstein.
Newton a utilisé sa description mathématique de la gravité pour prouver les lois de Kepler sur le mouvement planétaire, la formation des marées, les trajectoires des comètes, la précession des équinoxes et d’autres phénomènes. Il a éliminé le doute sur l’héliocentrisme du système solaire.
Il a démontré que le mouvement des objets sur Terre et le déplacement des corps célestes pouvait être expliqué par les mêmes principes. L’inférence de Newton selon laquelle la Terre est un sphéroïde oblat a été confirmé plus tard par les mesures géodésiques de Maupertuis.
Quel est l’énoncé de la première loi de Newton ?
La première loi stipule que si la force nette (la somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un objet) est nulle, alors la vitesse de l’objet est constante. La vitesse est une quantité vectorielle qui exprime à la fois la vitesse de l’objet et la direction de son mouvement. Par conséquent, l’affirmation selon laquelle la vitesse de l’objet est constante signifie que le sens et la direction de son mouvement sont constants.
La première loi de Newton peut être énoncée mathématiquement lorsque la masse est une constante non nulle. Son équation est la suivante : ∑f=0. Par conséquent, un objet au repos restera au repos à moins qu’une force n’agisse sur lui. Un objet en mouvement ne changera pas de vitesse à moins qu’une force n’agisse sur lui. C’est ce qu’on appelle le mouvement uniforme.
Cela est évident avec les sondes spatiales qui se déplacent continuellement dans l’espace. En l’absence de forces nettes, un objet en mouvement a tendance à se déplacer indéfiniment le long d’une ligne droite. Newton a énoncé sa première loi pour établir un cadre de référence dans lequel ses autres lois seraient applicables.
La première loi de Newton est souvent appelée la loi de l’inertie. Newton considère que les corps en mouvement sont constamment soumis à des forces de frottement, ce qui les ralentit progressivement. Par exemple, les projectiles continuent leur mouvement tant qu’ils ne sont pas retardés par la résistance de l’air et entraînés vers le bas par la force de gravité.
La situation est similaire à celle d’une pierre qui tourne attachée à l’extrémité d’une corde. Si la corde est coupée, la force centripète cesse d’être exercée et la pierre s’envole en une ligne droite tangentielle.
Qu’est-ce qu’un système de référence inertiel ?
Comme nous le savons, le mouvement est relatif, c’est-à-dire qu’il dépend de l’observateur qui décrit le mouvement. Ainsi, pour le passager d’un train, le contrôleur marche lentement dans l’allée du train, tandis que pour quelqu’un qui voit le train passer depuis le quai d’une gare, le contrôleur se déplace à une grande vitesse. Par conséquent, un système de référence est nécessaire pour décrire correctement mouvement.
La première loi de Newton sert à définir un type spécial de systèmes de référence appelés systèmes de référence inertiels. Ce sont les systèmes de référence à partir desquels on peut observer qu’un corps sur lequel aucune force nette n’agit se déplace à vitesse constante. Un référentiel galiléen est une forme de système de référence inertiel.
Un référentiel inertiel peut être décrit comme un système de coordonnées tridimensionnelles qui n’accélère ni ne tourne. Ccependant, il peut être en mouvement linéaire uniforme par rapport à un autre référentiel inertiel. Newton n’a jamais décrit explicitement les référentiels inertiels, mais ils sont une conséquence naturelle de sa première loi du mouvement.
En fait, il est impossible de trouver un système de référence inertiel, car il y a toujours une sorte de forces agissant sur les corps. Toutefois, il est toujours possible de trouver un système de référence dans lequel le problème que nous étudions peut être traité comme si nous étions dans un système inertiel. Dans de nombreux cas, l’hypothèse d’un observateur fixe sur Terre est une bonne approximation du système inertiel.
Histoire de la découverte de la première loi de Newton
Avant Newton, Galileo Galilei avait déjà esquissé une première loi d’inertie, où il indiquait qu’un objet avait tendance à conserver son mouvement rectiligne et uniforme à moins qu’une force n’agisse sur lui pour l’obliger à modifier sa trajectoire.
Sa découverte a servi de base à Newton, qui, en observant la trajectoire de la lune, en a déduit que si elle ne partait pas en ligne droite suivant une trajectoire tangente à son orbite, c’est parce qu’une autre force agissait sur elle pour l’en empêcher. Cette force est la force d’attraction gravitationnelle.
Newton a supposé que la force de gravité agissait à distance, car rien ne relie physiquement la Terre et la Lune. De même, lorsqu’un lanceur de poids olympique fait tourner l’instrument sur son propre axe et le libère immédiatement, il se déplace dans une certaine direction le long d’une ligne droite, mais dessine finalement une parabole et tombe au sol.
Dans les deux cas, la gravité agit. Mais dans le cas de la boule, sa trajectoire est également affectée par le frottement avec l’air sur son passage (ce qui diminue sa vitesse). C’est-à-dire que les découvertes de Galileo ont permis à Newton de postuler l’existence de la force de gravité.
Newton a publié ces découvertes et d’autres dans son ouvrage Philosophiae naturalis principia mathematica (1687), l’un des plus grands traités de physique de tous les temps.
Des exemples simples de la première loi de Newton
Tous les objets tombent en ligne droite, à moins que le vent et/ou la résistance de l’air n’exerce sur eux une résistance qui modifie leur déplacement, comme cela se produit avec les feuilles des arbres.
Si une surface est polie pour réduire au minimum sa force de frottement, comme c’est le cas avec les sols cirés, les mouvements auront tendance à être conservés beaucoup plus longtemps à moins qu’une force plus importante ne les arrête. Les hommes dans l’espace ont ainsi plus de mal à arrêter de bouger à cause du manque de gravité.
Si vous foncez avec une voiture directement dans un mur de briques, la voiture s’arrêtera en raison de la force exercée sur elle par le mur. Cependant, le conducteur a besoin d’une force pour empêcher son corps de bouger, comme une ceinture de sécurité.
Les aéroglisseurs sont des véhicules difficiles à contrôler car, contrairement aux voitures, ils n’ont pas le même niveau de friction.