Chapitre 3.6 – L`énergie potentielle gravitationnelle des astres

Référence : Marc Séguin, Physique XXI Volume A Page 1
Note de cours rédigée par : Simon Vézina
Chapitre 3.6 – L’énergie potentielle gravitationnelle
des astres
Équation générale du travail de la force gravitationnelle
Nous avons donné la définition suivante à la force gravitationnelle :
gmF
g
v
v
=
et
r
r
M
Gg ˆ
2
−=
v
g
F
v
: Force gravitationnelle subit par m (N)
g
v
: Champ gravitationnel produit par M (N/kg)
M
: Masse qui produit le champ gravitationnel (kg)
m
: Masse qui subit l’influence du champ gravitationnel (kg)
G : Constante de la gravitation universelle (
2211
kgmN1067,6 ⋅×
−
)
r
ˆ
: Vecteur unitaire de M (source) à m (cible)
Nous allons maintenant évaluer le travail effectué par la force gravitationnelle lorsque la
masse m s’éloigne de M dans la direction radiale (direction de
r
ˆ
) :
∫
⋅= sFW
v
v
d
⇒
∫
=
⋅=
f
i
r
rr
rFW v
vd
(Déplacement selon de l’axe r : rs
v
v
dd
=
)
⇒
∫
=
⋅=
f
i
r
rr
rrFW ˆ d
v
(Remplaçons rrr
ˆ
dd
=
v
)
⇒
∫
=
⋅−=
f
i
r
rr
rrr
r
Mm
GW ˆ d
ˆ
2
(Expression de la force :
r
r
mM
GF ˆ
2
−=
v
)
⇒
∫
=
⋅−=
f
i
r
rr
rr
r
r
GMmW ˆˆ
d
2
(Factoriser les constantes)
⇒
∫
=
−=
f
i
r
rr
r
r
GMmW
2
d (Produit scalaire :
1
ˆ
ˆ
=
⋅
r
r
)
⇒
f
i
r
r
r
GMmW 
−
−= 1 (Résoudre l’intégrale :
1
1
+
=
+
∫
n
x
x
n
n
)
⇒
( )
( )
−
−
−
−=
if
rr
GMmW 11 (Évaluer l’intégrale)
⇒
−−=
fi
r
GMm
r
GMm
W (Simplifier)
g
F
v
r
ˆ
M
m
r
g
v

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Nous manipulons notre expression de la sorte : (entrer le signe négatif dans la parenthèse)
−− −=
fi
r
GMm
r
GMm
W
Nous allons maintenant associer un terme d’énergie potentielle gravitationnelle pour la
distance initiale et la distance finale entre nos deux masses :
i
gi
r
GMm
U−= et
f
gf
r
GMm
U−=
Ainsi :
gfgig
UUW
−
=
ou
gg
UW
∆
−
=
Énergie potentielle gravitationnelle de deux masses
De façon générale, on peut associer une énergie potentielle gravitationnelle
g
U à un
système de deux masses ponctuelles ou sphériques et homogènes s’exerçant des forces
gravitationnelles entre elles selon la distance r qui séparent les deux masses :
r
GMm
U
g
−=
où
g
U : Énergie potentielle gravitationnelle entre M et m (J)
M
: Masse qui produit le champ gravitationnel (kg)
m
: Masse qui subit l’influence du champ gravitationnel (kg)
G : Constante de la gravitation universelle (
2211
kgmN1067,6 ⋅×
−
)
r
: Distance entre la masse M et m (m)
Convention : Lorsque
∞
=
r
, 0
=
∞
U
Remarques :
L’énergie potentielle gravitationnelle est toujours négative ( 0<
g
U ). Le signe négatif
dans la définition de l’énergie potentielle gravitationnelle est très important, car cela
signifie qu’il y a une attraction entre les deux masses M et m .
L’énergie potentielle gravitationnelle ne dépend pas d’un système d’axe, mais
uniquement de la distance r qui séparent les deux masses.
Lorsque la distance entre les deux masses est très petite , l’énergie est très négative .
( r petit
⇒
peu d’énergie potentielle, donc U
g
très négatif)
Lorsque la distance entre les deux masses est très grande , l’énergie tend vers zéro .
( r grand
⇒
beaucoup d’énergie potentielle, donc U
g
près de zéro et négatif)
M
m
r

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Différence entre les deux équations de l’énergie potentielle
gravitationnelle
Voici les deux expressions associées à l’énergie potentielle gravitationnelle
g
U :
1) mgyU
g
= (Valide si le champ gravitationnel est constant)
2)
r
GMm
Ug−=
(Valide pour des masses sphériques ou ponctuelles)
Situation A : La chute de la brique en deux méthodes. On désire évaluer la variation de
l’énergie potentielle gravitationnelle d’une brique de 0,4 kg qui tombe d’
une hauteur de
2 m au sol à l’aide des deux expressions pour l’énergie potentielle gravitationnelle.
L’expérience se fait sur la Terre (
2
m/s8,9 =g , kg1098,5
24
×=
T
M , km6380 =
T
R ).
Méthode 1 : Champ gravitationnel constant
•
(
)
(
)
(
)
28,94,0 ==
igi
mgyU
⇒
J84,7=
gi
U
•
(
)
(
)
(
)
08,94,0 ==
fgf
mgyU
⇒
J0=
gf
U
•
(
)
(
)
84,70 −=−=∆
gigfg
UUU
⇒
J84,7−=∆
g
U
Méthode 2 : Équation générale (9 chiffres significatifs)
•
(
)
(
)
(
)
6380002
4,01098,51067,6
2411
××
−=−=
−
i
gi
r
GMm
U
⇒
J89,25007264−=
gi
U
•
(
)
(
)
(
)
6380000
4,01098,51067,6
2411
××
−=−=
−
f
gf
r
GMm
U
⇒
J73,25007272−=
gf
U
•
(
)
(
)
89,2500726473,25007272 −−−=−=∆
gigfg
UUU
⇒
J84,7−=∆
g
U
Conclusion :
Lorsqu’il y a un petit déplacement dans un champ gravitationnel relativement constant,
l’expression mgyU
g
= est assez précise et donc valide.

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Énergie totale d’un système et type de trajectoire
L’énergie totale E d’un système est égale à l’addition de
l’énergie cinétique totale K avec l’énergie potentielle totale U :
UKE
+
=
où
E
: Énergie totale du système (J)
K
: Énergie cinétique totale du système (J)
U : Énergie potentielle totale du système (J)
Le système Terre-Lune possède une
énergie totale négative.
Dans un système à deux corps massifs, l’énergie potentielle gravitationnelle des deux
masses M et m est toujours négative . Il y a donc trois scénarios possibles pour le bilan de
l’énergie qui produisent des trajectoires différentes :
Bilan de
l’énergie
Comparaison
K et U Type de trajectoire Exemple
0
<
E
UK < Fermée Système Terre-Lune
0
=
E
UK = Ouverte à l’infini Vitesse de libération1
0
>
E
UK > Ouverte Comète qui ne repassera pas
près de la Terre
Exemple : Système où E < 0 avec
nc
W (M est immobile et m est en mouvement)
Pour quitter la liaison, la masse m doit acquérir une énergie externe afin que le système
puisse satisfaire 0
≥
E. Un moteur pourrait jouer ce rôle permettant au système
d’augmenter son énergie totale via un travail non-conservatif
nc
W. C’est grâce à cette
technique que l’on peut envoyer des satellites dans l’espace.
Exemple : système où E > 0 (M est immobile
et m est en mouvement)
La masse m possède une vitesse non nulle à
une très grande distance de la masse M et elle
sera déviée lorsqu’elle passera près de la masse
M attractive. L’objet n’est pas en orbite.
1
La vitesse de libération sera présentée dans la situation 2.

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Situation 2 : La vitesse de libération sur la Lune. De la surface de la
Lune, on lance une balle vers le haut. On désire déterminer le module
de la vitesse minimale qu’elle doit posséder pour ne jamais retomber.
La Lune a une masse de kg1035,7
22
×et un rayon de 1738 km.
Donnée de base :
Initiale :
Lunei
rr =
i
gi
r
mM
GU −= et
2
2
1
ii
mvK =
Finale : ∞=
f
r 0=
gf
U et 0=
f
K car 0=
∞
v
Appliquons la conservation de l’énergie : ( J0=
nc
W)
ncigifgf
WKUKU ++=+
⇒
2
2
1
0
i
i
mv
r
mM
G+−= (Remplacer termes)
⇒
i
i
r
mM
Gmv =
2
2
1 (Isoler énergie cinétique)
⇒
i
i
r
M
Gv 2
2
= (Isoler
2
i
v )
⇒
i
i
r
M
Gv 2=
(Vitesse de libération)
⇒
( )
(
)
( )
6
22
11
10738,1
1035,7
1067,62
×
×
×=
−
i
v (Remplacer valeurs num.)
⇒
m/s1038,2
3
×=
i
v
(Évaluer km/s38,2 =
i
v )
Vitesse de libération
La vitesse de libération
lib
v correspond à la vitesse initiale minimale que
doit avoir un objet situé à une distance r d’un corps très massif de masse
M (comme la Terre ou le Soleil) afin de pouvoir s’en éloigner jusqu’à une
distance infinie ( 0=
∞
v ) :
r
GM
v2
lib
=
Fusée en décollage
Sur Terre, cette vitesse est égale à 11,2 km/s . À cette vitesse, le frottement de l’air est très
important. C’est pour cette raison qu’on ne peut pas uniquement lancer de la Terre un objet
ayant comme destination l’espace. Il faut le propulser graduellement (voir image ci-contre).
Libération du Soleil depuis la Terre : ≈ 42,1 km/s
Libération de la Lune depuis la Lune : ≈ 2,4 km/s
Libération de la voie lactée depuis notre système solaire : ≈ 1000 km/s