Evolution idées en physique: Mécanique

L’Évolution des idées en physique, Albert Einstein et Léopold Infeld

I) La Naissance de la conception mécanique

              A) Le premier fil conducteur

D'après les Mécaniques d'Aristote :

             « Le corps en mouvements s’arrête quand la force qui le pousse ne peut plus agir de façon à le pousser »

D'après la Loi de l'inertie de Newton :

             « Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite, à moins qu'il ne soit déterminé à changer cet état par des forces agissant sur lui »

             Cette loi ne peut cependant pas être dérivée de l'expérience, mais seulement de la pensée spéculative compatible avec l'observation. L'expérience idéalisée ne peut jamais être réalisée.

D'après les Deux nouvelles sciences de Galilée :

              « Une vitesse quelconque imprimée à un corps se conserve rigoureusement aussi longtemps que les causes extérieures d'accélération ou de ralentissement sont écartées, condition qui se réalise seulement dans le plan horizontal ; car dans les plans qui vont en montant il existe une cause de ralentissement, tandis que dans les plans déclives il existe déjà une cause d'accélération. D’où il suit que le mouvement sur le plan horizontal est perpétuel ; car, si la vitesse est uniforme, elle ne peut être affaiblie ni diminuée, et encore bien moins supprimée. »

               On peut donc établir une connexion entre la force et le changement de vitesse et non pas la connexion entre la force et la vitesse même, comme dans la base de la mécanique classique formulée par Newton.

D'après les Principia de Newton :

               « Une force imprimée est une action exercée sur un corps pour changer son état de repos ou de mouvement uniforme sur une ligne droite.

Cette force réside uniquement dans l'action et ne reste plus dans le corps quand cette dernière est finie. Car le corps conserve tout état nouveau qu'il acquiert par sa vis inertiae seulement. Les forces imprimées peuvent avoir des origines diverses : _ la percussion

                                                                             _ la pression

                                                                             _ une force centripète »

                 Autrement dit une force extérieure agit dans la direction du mouvement ( ex : pierre qui tombe)

                  B) Vecteurs

L'action d'une force extérieure ne change pas seulement la vitesse mais aussi la direction du mouvement. ( basé sur la loi de l'inertie) Ceci introduit le concept de vecteur en physique.

L'accroissement de la vitesse d'un mouvement peut être graphiquement représentée par deux vecteurs, un plus court qui représente la vitesse avant l'accroissement, et un plus long, dans la même direction qui représente la vitesse après l'accroissement.

Un vecteur en pointillé prolonge la premier vecteur, il signifie le changement de vitesse.

Lors d'une force dirigée contre le mouvement qui produit une décélération, le vecteur en pointillé est alors représente face au deuxième vecteur.

Il est clair que ce sont non seulement les vitesses qui sont des vecteurs, mais aussi leurs changements ( vecteur pointillé). Or comme tout changement de vitesse est dû à l'action d'une force extérieure, celle-ci doit aussi être représentée par un vecteur. Il ne suffira pas d'indiquer seulement la vigueur de la force mais aussi sa direction.  

                      C) L'énigme du mouvements

Le vecteur vitesse d'un point est situé sur la tangente de la courbe représentant sa trajectoire. Dans le cas d'une courbe ce n'est pas seulement la direction mais aussi la grandeur de la vitesse, indiquée par la longueur du vecteur, qui varie pendant le mouvement.

Nous appelons changement de vitesse le vecteur tracé en pointillé. Son origine coïncide avec l'extrémité du premier vecteur et son extrémité avec celle du second vecteur.

Une force extérieur est responsable du changement de vitesse ; le vecteur force a donc la même direction que le changement de vitesse.

La direction d'un point quelconque peut être déduite. Il faut pour cela tracer les vecteurs vitesses pour deux instants séparés par un très court intervalle de temps, qui, par conséquent, correspondent à des positions très proches l'une de l'autre. Le vecteur qui joint l’extrémité du premier vecteur à l'extrémité du second indique la direction de la force agissante. Il est primordial que les deux vecteurs vitesses soient séparés par un « très très court » intervalle de temps.

Tout ce que nous avons dit à propos du mouvement peut être résumé en une phrase :

                        La force et le changement de vitesse sont des vecteurs qui ont la même direction

Conformément à la Loi de gravitation de Newton, la force d'attraction dépend, d'une manière simple, de la distance qui les sépare l'un de l'autre.

En considérant le même corps en mouvement et les mêmes changement dans des intervalles de temps égaux, le changement de vitesse est d'après Newton, proportionnel à la force.

Deux conjectures complémentaires sont ainsi nécessaire pour tirer des conclusions quantitatives concernant le mouvement des planètes: la première est la loi générale du mouvement de Newton, la seconde est sa loi de la gravitation.

                           D) Masse pesante/inerte

Si la même force agit sur deux corps différents, mais qui sont tous les deux au repos, les vitesses finales ne seront pas les mêmes. Nous disons que la vitesse dépend de la masse du corps, étant plus petites si la masse est plus grande ( inversement proportionnel )

Nous avons des forces identiques agissant sur des masses au repos. Constatant que la vitesse de la première masse est trois fois plus grande que celle de la seconde, nous concluons que la première masse est trois fois plus petite que la seconde.
Cette manière de déterminer le rapport entre deux masses est basée sur l'application de la loi d'inertie.

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