L'attraction

          La gravitation gouverne notre vie quotidienne, de la chute des corps aux mouvements des planètes. Pourtant son intensité est plus faible que celle des interactions fortes, faibles, électromagnétiques, si bien qu’on peut la négliger à l’échelle des particules. L’interactions gravitationnelle est de portée infinie (elle s’exerce à très grande distance).

A) La loi de la gravitation : 

          La loi de la gravitation ou loi de l'attraction universelle, est la loi décrivant la force responsable de la chute des corps et du mouvement des corps célestes, et de façon générale, de l'attraction entre des corps ayant une masse, par exemple les planètes, les satellites naturels ou artificiels. C’est une des quatre interactions fondamentales de la physique. La loi de l’attraction a été découverte par Isaac Newton. Il est arrivé à trouver la loi expérimentale et mathématique de la chute des corps et du mouvement de tous les corps célestes, il a affirmé que « les corps sont attirés en raison inverse du carré de la distance et en raison directe de la masse. » Cette loi de gravitation est écrite :

Avec : - F la valeur de la force de gravité mesurée en newtons (N)
- G la constante gravitationnelle (G = 6,67384.10-11 N.m².kg-2)
- MA et MB masses de deux corps considérés en kilogrammes (kg)
- d est la distance séparant les deux corps en mètres (m). Elle est comptée entre les centres des deux corps.

Remarque : cette relation n’est correcte que si les corps sont homogènes ou s’ils possèdent une répartition sphérique de leur masse comme la Terre.

B) Evolution des idées sur l'attraction : 

L'histoire des théories de la gravitation a subi de grands changements au cours du temps.

Aristote

          Au IVe siècle av. J.-C, selon Aristote, la chute des corps est liée à leur organisation dans l’univers et à leur structure. À son époque, il est admis que la Terre est sphérique et se maintient en équilibre, sans aucun support physique, au centre d'un Ciel qui est lui aussi sphérique. Pour Aristote, les corps tombent parce qu’ils cherchent leur « place naturelle » au centre de l’univers, qui est le centre de la Terre. Pour lui, tous les éléments possèdent un mouvement naturel rectiligne par lequel il regagne son lieu naturel lorsqu'il en a été séparé par violence : les éléments lourds (la terre et l'eau) vont vers le centre de la Terre, confondu avec le centre de l'univers ; les éléments légers (l'air et le feu) se dirigent vers le Ciel.

Copernic

          Pour Nicolas Copernic, un astronome polonais, la gravité n'est pas interprétée comme la tendance d'un corps lourd à rejoindre son lieu naturel mais comme la tendance d'une partie séparée de sa planète à rejoindre cette planète et à s'y réunir. Il pense que la gravité est particulière à chaque astre et est réservée aux parties de cet astre : les parties terrestres tendent vers la Terre, les lunaires vers la Lune (et les solaires vers le Soleil). Ainsi, si une partie terrestre était transportée et placée dans le voisinage de la Lune, elle retomberait vers la Terre et non vers la Lune, pourtant plus proche.

Kepler

          Johannes Kepler, astronome allemand, poursuit la réflexion amorcée par Copernic et réfute l'idée d'Aristote. Kepler affirme que la tendance naturelle vers le haut n'existe pas, qu'elle n'est qu'une conséquence du mouvement vers le bas d'un corps plus lourd. Il simplifie donc le problème, en affirmant que tous les mouvements vers le bas ou le haut ont une seule et même cause. Kepler soutient que l'attraction est mutuelle entre deux corps apparentés : la pierre attire la Terre autant qu'elle en est attirée et deux pierres placées dans l'espace s'attirent l'une l'autre. Pour Kepler, cependant, la gravitation n'est pas universelle. L'attraction mutuelle ne s'exerce qu'entre des corps apparentés.

Galilée

          En 1591, Galilée réfute Aristote, selon lequel un corps lourd tombe plus vite qu’un corps léger. Il imagine une expérience de la tour de Pise. L’objectif de cette expérience consiste à mesurer le temps de chute des corps de différentes masses. Sept paires de boulets, de taille et de poids divers, sont lâchées depuis la sixième galerie : deux par deux, ils touchent le sol au même moment. Il arriva à la conclusion que, ce temps que met un corps pour tomber est le même pour tous, quelque soit le poids, la taille et la nature du corps. Cette expérience permit de démontrer que les idées d'Aristote étaient fausses.

Newton

          Au début du XVII ème siècle, Galilée énonce les lois du mouvement des corps terrestres et Kepler, celles des corps célestes. Mais rien ne relie ces deux domaines. C’est Newton qui les unifie en 1687 : la chute d’une pomme et le mouvement de la Lune découlent d’une loi unique, celle de la gravitation universelle. Une pomme serait tombée sur sa tête, il en aurait conclu qu’une force aurait été exercée sur elle.

La pomme de Newton : Cette pomme était située à 5 mètres du sol et il était tout naturel qu'elle tomba par terre. La première chose à laquelle il pensa ensuite fut la déduction suivante : Si la branche de l'arbre où était posée cette pomme était deux fois plus haute, la pomme serait aussi tombée par terre, naturellement. Si la branche de l'arbre où était posée cette pomme était dix fois plus haute, la pomme serait aussi tombée par terre, naturellement. Si la branche de l'arbre où était posée cette pomme était cent fois plus haute, la pomme serait aussi tombée par terre, naturellement... ... De ce fait, si la branche de l'arbre où était posée cette pomme était à la même distance que la Lune, la pomme serait aussi tombée par terre, naturellement... Donc la Lune, telle une grosse Pomme doit donc tomber sur la Terre, pourtant elle ne tombe pas mais tourne autour de la Terre.

          La différence principale entre la pomme et la Lune, c'est que la pomme, avant de commencer à tomber, était immobile dans l'arbre alors que la Lune est en mouvement. Les conditions initiales de la chute de la Lune et de la pomme ne sont pas identiques et c'est ce qui fait toute la différence.

Représentation des forces exercées par la Terre sur la Lune et inversement