Nous expliquons ce que sont les lois de Newton, comment elles expliquent l’inertie, la dynamique et le principe d’action-réaction.
Quelles sont les lois de Newton ?
Les lois de Newton ou lois du mouvement de Newton sont les trois principes fondamentaux sur lesquels repose la mécanique classique , l’une des branches de la physique . Ils ont été postulés par Sir Isaac Newton dans sa Philosohiae naturalis principia mathematica (« Principes mathématiques de la philosophie naturelle ») de 1687.
Cet ensemble de lois physiques a révolutionné les concepts de base concernant le mouvement des corps que l’humanité avait. Avec les apports de Galileo Galilei, il constitue la base de la dynamique . Lorsqu’il est combiné avec la loi de la gravitation universelle d’Albert Einstein , il permet la déduction et l’explication des lois de Kepler sur le mouvement planétaire.
Cependant, les lois de Newton ne sont valables qu’à l’intérieur des référentiels inertiels , c’est-à-dire ceux qui ne sont pas accélérés et dans lesquels n’interviennent que des forces réelles. De plus, ces lois sont valables pour des objets se déplaçant beaucoup moins que la vitesse de la lumière (300 000 km/s).
Les lois de Newton partent de la considération du mouvement comme le déplacement d’un objet d’un endroit à un autre, en tenant compte de l’endroit où il se produit, qui peut aussi se déplacer à une vitesse constante par rapport à un autre endroit.
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Première loi de Newton ou loi d’inertie
La première loi de Newton contredit un principe formulé dans l’ Antiquité par le sage grec Aristote, pour qui un corps ne pouvait maintenir son mouvement que si une force soutenue lui était appliquée. Newton déclare plutôt que :
« Chaque corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme à moins qu’il ne soit contraint de changer d’état par des forces qui lui sont imposées . «
Par conséquent, un objet en mouvement ou au repos ne peut pas modifier cet état, à moins qu’un certain type de force ne lui soit appliqué.
Selon ce principe, le mouvement fait intervenir des grandeurs vectorielles (douées de direction et de sens) . Il est possible de calculer l’accélération à partir de la vitesse initiale et finale. De plus, il propose que les corps en mouvement ont toujours tendance à se déplacer selon une trajectoire rectiligne et uniforme.
Un exemple parfait de la loi de l’ inertie est un lanceur de poids aux Jeux olympiques. L’athlète prend de l’élan en se déplaçant en cercles, en tournant le poids attaché à une corde sur son propre axe (mouvement circulaire), jusqu’à ce qu’il atteigne l’ accélération nécessaire pour le relâcher et le voir voler en ligne droite (mouvement rectiligne uniforme).
Ce mouvement rectiligne se poursuit jusqu’à ce que la gravité incurve sa trajectoire. En même temps, le frottement de l’objet avec l’air diminue sa vitesse (accélération négative) jusqu’à ce qu’il tombe.
Deuxième loi ou loi fondamentale de la dynamique
Dans cette loi, Newton définit la notion de force (représentée par F ), en exprimant que :
« Le changement d’un mouvement est directement proportionnel à la force qui lui est imprimée et se produit selon la ligne droite le long de laquelle cette force est imprimée. »
Cela signifie que l’accélération d’un objet en mouvement répond toujours à la quantité de force qui lui est appliquée à un moment donné, pour modifier sa trajectoire ou sa vitesse.
De ces considérations découle l’ équation fondamentale de la dynamique des objets de masse constante :
Force résultante ( résultante F ) = masse (m) x accélération (a)
Une force nette agit sur un corps de masse constante et lui donne une certaine accélération. Dans les cas où la masse n’est pas constante, la formule portera plutôt sur la quantité de mouvement (p), selon la formule suivante :
Momentum (p) = masse (m) x vitesse (v). Donc : F net = d (mv) / dt.
Ainsi, la force peut être liée à l’accélération et à la masse, que cette dernière soit variable ou non.
Pour illustrer cette seconde loi, le cas de la chute libre est idéal : si l’on fait tomber une balle de tennis d’un immeuble, l’accélération qu’elle subit va augmenter avec le temps , puisque la force de gravité va agir sur elle . Ainsi, sa vitesse initiale sera nulle, mais une force constante lui sera appliquée en ligne droite, vers le bas.
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Troisième loi ou principe d’action et de réaction
Selon la troisième loi de Newton,
« A toute action correspond une réaction égale mais de sens opposé : ce qui veut dire que les actions mutuelles de deux corps sont toujours égales et dirigées en sens opposé. »
De cette façon, chaque fois qu’une force est exercée sur un objet, elle exerce une force similaire dans le sens opposé et d’égale intensité, donc si deux objets (1 et 2) interagissent, la force exercée par l’un sur l’autre sera égale en grandeur à celle exercée par l’autre sur la première, mais de signe opposé.
C’est-à-dire : F 1-2 = F 2-1 . La première force sera appelée « action » et la deuxième force comme « réaction ».
Pour démontrer cette troisième loi, il suffit d’observer ce qui se passe lorsque deux personnes de poids similaire courent dans des directions opposées et se heurtent : toutes deux recevront la force de l’autre et seront projetées dans la direction opposée. La même chose se produit lorsqu’une balle rebondit sur le mur et est lancée dans la direction opposée , avec une force similaire à celle que nous projetons en la lançant.
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Biographie d’Isaac Newton
Isaac Newton (1642-1727) est né dans le Lincolnshire, en Angleterre. Fils de paysans puritains, sa naissance a été traumatisante et il est venu au monde si maigre et chétif qu’ils ont supposé qu’il ne vivrait pas longtemps.
Cependant, il a grandi pour devenir un enfant excentrique, avec des talents précoces pour les mathématiques et la philosophie naturelle . Il entre à l’Université de Cambridge à dix -huit ans pour poursuivre ses études. On dit qu’il est entré très peu en classe, car son principal intérêt était la bibliothèque et l’autodidacte.
Cela n’a pas empêché son développement académique. Il est devenu un important physicien, théologien, philosophe et mathématicien, reconnu par la Royal Society . On lui attribue l’invention du calcul mathématique, ainsi que diverses études sur l’optique et la lumière .
De plus, il contribua énormément au développement des mathématiques et de la physique : il découvrit le spectre des couleurs de la lumière, formula une loi de conduction thermique , une autre sur l’origine des étoiles , sur la vitesse du son dans l’air et la mécanique des fluides , et un énorme etc. Son grand travail était le Philosophiae naturalis principia mathematica .
Newton mourut en 1727, après avoir été un scientifique respecté et honoré, qui reçut une nomination seigneuriale (« sir ») de la reine Anne d’Angleterre. Il souffrait de coliques néphrétiques et d’autres affections rénales qui, après de nombreuses heures de délire, l’ont finalement conduit à sa tombe le 31 mars.
