Nous expliquons ce que sont les lois de Newton et quels sont leurs fondements théoriques. En outre, ses fonctionnalités et applications.
Que sont les lois de Newton ?
Les lois de Newton ou lois du mouvement de Newton sont connues comme l’ensemble des principes théoriques qui expliquent la plupart des phénomènes observés et étudiés par la mécanique classique , une branche de la physique qui analyse le mouvement et l’énergie des corps.
Ces lois sont la pierre angulaire de la physique moderne , ainsi que les transformations de Galilée qui, comparées aux lois de la gravitation universelle, permettent d’obtenir et d’expliquer les lois de Kepler qui rendent compte du mouvement planétaire.
Ces lois ont été publiées en 1687 dans la Philosophiae naturalis principia mathematica de Newton (« Principes mathématiques de la philosophie naturelle »), parmi d’autres découvertes de la mécanique et du calcul mathématique, considérées comme l’œuvre scientifique la plus importante de l’histoire de la physique.
Voir aussi: Lois de la thermodynamique
Qui était Isaac Newton ?
Isaac Newton était un physicien, théologien, philosophe et mathématicien anglais , crédité de l’invention du calcul mathématique et de nombreuses études sur l’optique et la lumière .
Ses contributions aux mathématiques et à la physique sont nombreuses et reconnues , telles que la découverte du spectre des couleurs de la lumière, la formulation d’une loi de conduction thermique, des propositions sur l’origine des étoiles , des études de la vitesse du son dans l’ air et la mécanique des fluides . .
Son grand ouvrage, cependant, est la Philosophiae naturalis principia mathematica et, surtout, les trois lois du mouvement.
Contexte historique de ses lois
Les spéculations du philosophe grec Aristote concernant le mouvement ont été considérées comme valables pendant de nombreux siècles, même en dépit des soupçons de leur inexactitude.
Des érudits du mouvement ultérieurs tels que l’Espagnol Juan de Celaya et son disciple Domingo de Soto ont poursuivi leurs études sur le mouvement uniformément accéléré et la chute libre, jetant les bases de ce qui allait devenir plus tard les études révolutionnaires de l’Italien Galileo Galilei (qui a introduit les marches) . de la méthode scientifique ) et celles du Britannique Isaac Newton (qui a été le premier à formuler les principes complets du mouvement).
Fondement théorique
Les formulations élémentaires de Newton partaient de la considération du mouvement comme translation d’un objet d’un endroit à un autre , le comprenant comme un concept relatif par rapport à une origine qui, à son tour, peut être en mouvement par rapport à un autre point de référence, celui c’est-à-dire que Newton a compris l’importance de faire la distinction entre le mouvement relatif et le mouvement absolu.
Newton est parti du concept de masse (m) , qu’il considérait comme la quantité de matière présente dans un corps. La quantité de mouvement est comprise comme la masse multipliée par la vitesse (v).
Première loi de Newton : loi d’inertie
La première loi de Newton contredit un principe formulé par Aristote , qui postulait qu’un corps ne peut maintenir son mouvement que si une force soutenue lui est appliquée. La loi de Newton stipule que : « Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme à moins qu’il ne soit forcé de changer d’état par des forces qui lui sont imprimées.
Ainsi, un objet en mouvement ou au repos ne peut pas changer d’état sans qu’un certain type de force ne lui soit appliqué . Le mouvement selon ce principe est une dimension vectorielle (qui a sens et sens), et permet de calculer l’accélération (positive ou négative) à partir de la variation des vitesses.
Référentiels inertiels
Cette première loi permet de définir un type particulier de référentiels appelés référentiels inertiels . Avec eux, il est possible de distinguer le mouvement apparent d’un objet, si l’observateur se déplace avec lui, ou si, au contraire, il est à un point fixe par rapport à l’objet en mouvement :
- observateurs inertiels . Ce sont celles dans la perspective desquelles les lois de Newton sont remplies car elles observent le mouvement de l’objet depuis « l’extérieur » et depuis un point statique. S’ils existent, ils pourraient apprécier le « vrai » mouvement.
- Observateurs non inertiels . Ce sont eux qui sont soumis aux forces et, par conséquent, leur perspective de mouvement est relative, puisqu’ils sont immergés dans l’ensemble des forces sur le plan de l’objet.
Deuxième loi de Newton : loi fondamentale de la dynamique
Cette loi traite de la définition de la notion de force (F) . En principe, il s’exprime : « Le changement d’un mouvement est directement proportionnel à la force motrice qui y 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 à la quantité de force appliquée pour modifier son déplacement.
De là naît l’équation fondamentale de la dynamique , pour des objets de masse constante : Force résultante (F résultante ) = masse (m) x accélération (a). Une force nette agit sur un corps de masse constante et lui donne une accélération proportionnelle.
Dans les cas où la masse n’est pas constante, cette formule variera, et s’écrira en fonction de la quantité de mouvement (p) , calculable selon la formule : Quantité de mouvement (p) = masse (m) x vitesse ( v) . Ainsi:
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.
Conservation de la quantité de mouvement
Ce principe, qui découle de la deuxième loi de Newton, permet de décrire la physique des collisions entre objets en mouvement :
- choc élastique . La quantité de mouvement (p) et l’énergie cinétique des objets entrant en collision sont conservées.
- collision inélastique . La quantité de mouvement du système des deux corps (p) est conservée, mais pas l’énergie cinétique des objets en collision. Les deux corps peuvent subir des déformations et une augmentation de température , pouvant rester attachés l’un à l’autre après la collision.
Troisième loi de Newton : principe d’action et de réaction
Cette loi stipule : « A toute action correspond une réaction égale mais de sens opposé, c’est-à-dire que les actions mutuelles de deux corps sont toujours égales et dirigées dans le sens opposé. Cela signifie que pour chaque force exercée sur un objet, il exerce une force égale mais opposée sur le premier.
Ainsi, si deux objets 1 et 2 interagissent, la force exercée par 1 sur 2 sera égale en grandeur à celle exercée par 2 sur 1, mais de signe opposé : F12 = F21. La première sera appelée « action » et la seconde « réaction ».
preuve de la troisième loi
Il est simple de démontrer cette troisième loi à partir d’expériences quotidiennes. Par exemple, lorsque deux personnes de poids similaire se poussent, elles reçoivent toutes deux l’impulsion mais sont projetées dans la direction opposée. La même chose se produit lorsque nous faisons rebondir une balle sur le mur : elle sera lancée dans la direction opposée avec la même force que nous lui avons donnée lorsque nous l’avons lancée.
Contributions post-Newton
Suivant les formulations de Newton, de nombreux scientifiques ultérieurs ont étudié les principes et les ont simplifiés pour les appliquer à des systèmes non inertiels, comme Jean d’Alembert dans son Traité de dynamique (1743) ou Louis de Lagrange au XIXe siècle.
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