Lien vers le livre

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PREFACE
Ayant acquis une certaine expérience de l’enseignement au cours de ma carrière dans la
Recherche au Commissariat à l’Energie Atomique, j’ai pu aider de nombreux jeunes dans le
domaine scientifique, et tout naturellement, j’ai prolongé cette activité durant mes années de
retraite.
Mon attention a été attirée par des élèves, en majorité du Secondaire, quelque peu rebutés par
l’enseignement trop formel de la Physique, mais néanmoins toujours passionnés par l’Espace,
le Ciel, l’Univers…sujet d’intérêt qui a incontestablement la primeur, ce qui paraît tout à fait
compréhensible à l’aube d’un siècle qui nous réserve certainement de grandes découvertes
dans ce domaine. J’ai rencontré également des personnes de tous âges, sans grande formation
scientifique mais passionnées par ces mêmes sujets, qui demandent des explications, posent
des questions sur des émissions scientifiques vues à la télévision, entendues à la radio, ou sur
des articles de revues de vulgarisation.
Cela m’a donné l’idée d’écrire pour ces étudiants et ces néophytes passionnés un livre qui se
situerait entre le livre de vulgarisation et le manuel pourrait-on dire « pré-scolaire ».
Toute personne qui s’intéresse à l’infiniment grand se doute bien que la gravitation joue un
rôle essentiel dans l’évolution de l’Univers, depuis sa naissance jusqu’à nos jours, ainsi que
dans la formation et l’évolution des corps célestes qui le constituent depuis les amas de
galaxies jusqu’à notre propre planète.
La théorie de la gravitation universelle établie par Newton, a apporté une vision cohérente du
monde. Bien que cette théorie soit dépassée actuellement par la Relativité Générale
d’Einstein, elle est toujours largement utilisée et ses résultats restent encore d’une grande
précision. Pour notre propos, elle est tout à fait suffisante. Il est essentiel de la connaître. Du
reste, elle figure à juste raison dans les programmes du Secondaire.
La pierre angulaire de la théorie de Newton est la force de gravitation universelle. Cette force
de Newton a l’avantage d’être simple et peut être abordée facilement. Elle sera par conséquent
l’élément important de la ligne « pré-scolaire » de ce livre. Nous avons baptisé cette ligne « fil
d’Ariane ». Aussi, en nous plaçant au niveau d’un collégien et d’un lycéen et en suivant ce
fil, nous amenons le lecteur à découvrir cette force de Newton à travers la notion de champ de
gravitation, à écrire ensuite la force centrifuge, enfin à établir la troisième loi de Kepler dans
le cas simple d’orbites circulaires ; nous terminons ce fil d’Ariane par les notions importantes
d’énergie et de vitesse de libération.
Le lecteur assidu qui ne se sera pas enfui à la première formule rencontrée, s’étonnera sans
doute d’être capable de calculer des rayons d’orbites, des périodes de révolution pour
n’importe quelle planète ou satellite, y compris ceux des nouvelles exo-planètes que l’on
découvre actuellement. Peut-être même arrivera-t-il à calculer cette vitesse de libération qu’il
faut acquérir pour échapper à l’attraction d’un astre à moins que ce ne soit, je souhaite que
non, à celle de ce livre…
Parallèlement pour ne pas oublier les néophytes ou autres astronomes amateurs, dans de
nombreux autres chapitres qui s’écartent un peu du fil d’Ariane, nous essayons d’expliquer
quelques rudiments d’astronomie ou de décrire des phénomènes dont on parle souvent où la
gravitation est omniprésente mais où son rôle n’apparaît pas toujours de manière évidente.
Enfin dans les derniers chapitres, nous parlons brièvement du monde de l’atome et des forces
de la nature autres que la gravitation. Le bagage ainsi acquis le long de ce livre peut nous
aider alors à mieux comprendre la formation d’une étoile et de son cortège de planètes, sujet
qui clôt ce livre.

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Informations et notation.
Ce livre est écrit la plupart du temps sous la forme d’un dialogue entre ma petite fille
Joséphine (JO) au langage plutôt brut d’école et moi-même son papy (PA). Je fais endosser à
JO qui passe dans ce livre du statut de jeune collégienne à celui de lycéenne, les
interrogations, les questions parfois pertinentes, parfois farfelues, accumulées durant mon
enseignement par mes élèves, y compris les erreurs conséquences parfois de mes explications
brouillonnes. Le lecteur ne doit pas s’attendre non plus à trouver les très belles photos de
planètes ou de galaxies que l’on peut trouver maintenant facilement sur Internet ou des revues
spécialisées ; nous avons plutôt insisté sur l’aspect pédagogique en essayant de donner des
explications simples avec des figures claires.
Les quelques passages en italique d’environ une page de certains chapitres sont là pour
détendre ; ils sont totalement fantaisistes non sans avoir cependant un certain rapport avec le
thème du chapitre.
Beaucoup de chapitres sont accessibles au lecteur sans grande formation scientifique. Lorsque
les difficultés commencent certains passages sont encadrés par les sigles : * >>>>> (début) et
* <<<<< (fin). Si le texte demande un niveau plus élevé (Première et Terminale), les sigles
précédents deviennent : * * >>>>> et * * <<<<< . Les chapitres 11 et 21 qui font
entièrement partie de cette catégorie, sont notés * * >>>>> dès le début du texte.
Les chapitres 3-4-5-6-7-9-10-17-18-19-22 constituant le fil d’Ariane comprennent une courte
introduction intitulée « Fil d’Ariane » en tête de chacun de ces chapitres.
La liste de leurs numéros, qui s’allonge au fur et à mesure de la progression, accompagne
cette mention. Ces chapitres 3-4-5-6-7-9-10-17-18-19-22 du fil d’Ariane sont référencés dans
la Table des matières.
Les chapitres (ch.) sont notés ainsi : (ch.8-2) pour chapitre 8, section 2.
Quand il y a deux nombres en référence, le premier est toujours le numéro de chapitre, en
caractère gras. Ainsi la référence des figures, tableaux, formules, exercices(Ex), s’écrit :
(fig.8–3) et signifie figure 3 du chapitre 8. De même : (ch.19-(3)) veut dire formule (3) du
chapitre 19, (ch 19 - 2) section 2 du chapitre 19 , etc…
Pour les étudiants, on propose en fin de certains chapitres dans « Entraînement » des
exercices que l’on rencontre fréquemment dans les classes de Seconde à Terminale. Les
calculs sont détaillés et ne font intervenir la plupart du temps que des opérations élémentaires.
Les exercices sont récapitulés dans la Table des matières.

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REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Myhà Vuong, Carlos De Breuck astrophysiciens à l’E.S.O. (Munich) et
Danièle Alloin astrophysicienne au S.A.P. (Saclay) pour leurs commentaires, critiques et
suggestions à la lecture de ce manuscrit, ainsi que Michel Renard Professeur de Physique des
classes préparatoires au lycée Blaise Pascal de Clermont-Fd pour les discussions approfondies
dans le prolongement de plusieurs points traités dans ce livre, en particulier sur le champ de
gravitation.

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Table des matières
1 - PETITS PAS DANS L’ESPACE ..................................................................................... 11
1 - Etat des lieux du ciel. ...................................................................................................... 11
2 - Une nouvelle unité pour mesurer les distances : l’année-lumière (al). ........................... 14
3 - Dimensions du système solaire et de la Voie Lactée. ..................................................... 15
Ex 1-1 - Temps mis par la lumière pour parcourir 1 ua. ................................................................................... 17
Ex 1-2 - Calcul de vitesses. .............................................................................................................................. 17
Ex 1-3 - Vitesse de révolution du Soleil autour du centre galactique. .............................................................. 17
2 - RONDE OU PLATE ? CENTRE DE L’UNIVERS OU NON ? ..................................... 20
1 - La Terre était-elle ronde ou plate ? ................................................................................. 20
2 - La Terre était-elle ou non le centre de l’Univers ? ......................................................... 24
Ex 2-1 - Calcul d’Eratosthène du rayon de la Terre. ........................................................................................ 27
Ex 2-2 - Disparition d’un voilier à l’horizon. ................................................................................................... 28
3 - LE POIDS DE MES KILOS ............................................................................................... 31
Fil d’Ariane : 3 ..................................................................................................................... 31
1 - Une confusion fréquente. ................................................................................................ 31
2 - Qu’est-ce que le poids au juste ? ..................................................................................... 31
3 - Le poids sur d’autres planètes. ........................................................................................ 33
4 - LA POMME DE NEWTON ............................................................................................ 34
Fil d’Ariane : 3-4 .................................................................................................................. 34
1 - Newton découvre les lois de la gravitation. .................................................................... 34
2 - La prison terrestre. .......................................................................................................... 37
3 - Poids et force de gravitation. .......................................................................................... 38
4 - Champ de pesanteur et champ de gravitation. ................................................................ 39
Ex 1-1 - Variation de l’attraction gravitationnelle de la Terre avec la distance. .............................................. 42
5 - ON CULTIVE LE CHAMP ............................................................................................. 43
Fil d’Ariane : 3-4-5 .............................................................................................................. 43
1 - Le champ de gravitation d’une planète. .......................................................................... 43
2 - Un moyen d’obtenir g
0
. Le pendule simple. .................................................................. 44
3 - Le pendule de Foucault. .................................................................................................. 46
Ex 5-1 - Masse de la Terre connaissant son rayon et le champ de gravité. ...................................................... 48
Ex 5-2 - Champ de gravité de Mars. ................................................................................................................. 48
Ex 5-3 - Champ de gravité de la Lune. ............................................................................................................. 48
Ex 5-4 - Calcul du champ de pesanteur. ........................................................................................................... 49
Ex 5-5 - Calcul de la période du pendule de Foucault. ..................................................................................... 49