La chute des corps

« La chute des corps Le premier phénomène physique auquel les êtres humains sont confrontés est celui de la gravitation.

C’est le phénomène que le jeune enfant observe en laissant tomber, inlassablement, son gobelet du haut de sa chaise.

Il ne suffit cependant pas d’observer pour pouvoir expliquer et le chemin de l’expérimentation à la théorie peut être long et difficile, car souvent l’intuition ne suffit pas. La cosmologie d’Aristote La première théorie visant à expliquer la chute des corps est due au philosophe grec Aristote.

Pour celui-ci, l’univers est constitué de deux régions différentes subdivisées en sphères concentriques. Ce sont le monde sublunaire, qui s’étend du centre de la Terre à la sphère de la Lune, et le monde supra-lunaire, de la sphère de la Lune à celle des étoiles.

Pour Aristote Aristote, les lois de la nature ne ~385 à ~382 sont pas les mêmes dans ces deux régions.

Le monde sublunaire est imparfait, le monde supra-lunaire est parfait et immuable. 2 Dans le monde sublunaire il y a deux sortes de mouvements : la chute des corps, qu’Aristote qualifie de mouvement naturel, et le mouvement violent causé par une force extérieure comme le lancer d’un objet.

Pour expliquer la chute des corps, Aristote semble avoir été inspiré par le mouvement des objets dans un liquide.

En plaçant divers objets dans l’eau, on constate qu’il y en a qui flottent alors que d’autres coulent, certains plus rapidement que d’autres.

En immergeant des objets, on n ur at toiles fixes Jupiter e Ma rs M Vénus ure erc il le Terre on Lun e aire S es é un S d ère ph M DossierGravité Le monde sublunaire So Vol.

11 • été – automne 2016 André Ross Professeur retraité de subl Monde ire na alu r p su re de Rotation de la sphè s fix es remarque qu’une fois relâchés, les corps lourds restent au fond de l’eau alors que les plus légers remontent à la surface, certains plus rapidement que d’autres. Pour Aristote, la chute des corps dans l’air est un phénomène analogue qu’il explique en ayant recours aux quatre éléments d’Empédocle.

Ces éléments sont, du plus léger au plus lourd, le feu, l’air, l’eau et la terre.

Ces quatre éléments sont présents dans chaque corps mais en proportions différentes. Aristote explique que chaque corps tend à occuper la place naturelle de son élément dominant.

Cette tendance est d’autant plus grande que la proportion de l’élément dominant est importante.

Ainsi, plus un corps est lourd (c’est-à-dire comporte une grande proportion de l’élément terre), plus il tombe rapidement car sa tendance à occuper son emplacement naturel est forte. Plus un corps comporte une grande proportion de l’élément feu, plus il s’élève rapidement. Cette propension est facile à constater lorsqu’on observe un feu : on voit bien que les flammes s’élèvent et, tout corps contenant une forte proportion de cet élément fera de même. Dans cette région intérieure de l’univers, des perturbations interviennent souvent, mais lorsque la cause de ces perturbations prend fin le mouvement du corps est à nouveau régi par les lois naturelles.

Par exemple, en lançant un objet dans les airs, on lui imprime un mouvement violent, contre nature.

Lorsque la cause de ce mouvement violent prend fin, cet objet tend à reprendre sa place naturelle. Dans la conception aristotélicienne de la chute des corps, le vide n’est pas concevable. Comme dans l’eau, le mouvement requiert la présence de corps en interaction et la vitesse du mouvement dépend de la composition de ces corps.

L’impossibilité du vide force donc Aristote à ajouter un cinquième élément à ceux d’Empédocle.

Ce cinquième élément, appelé éther ou quintessence, est présent dans le monde supra-lunaire et comble l’espace entre les planètes et les étoiles. Le monde supra-lunaire La région la plus externe est le monde supralunaire, qui s’étend de la sphère de la Lune à la sphère des étoiles fixes.

Dans cette région, les corps sont parfaits et immuables.

D’un point de vue géométrique, la sphère est le corps le plus parfait.

Les corps célestes sont donc sphériques et leur mouvement ne peut être décrit que par des sphères en rotation. La théorie d’Aristote sur le monde supra-lunaire s’inspire de la théorie d’Eudoxe pour expliquer le mouvement des planètes.

Depuis longtemps, les savants avaient constaté que sept objets célestes se déplaçaient sur un fond d’étoiles fixes.

Ces objets mobiles appelés planètes (vagabonds en grec) sont le Soleil et la Lune, ainsi que les planètes connues à l’époque : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. À l’exception de Mars qui, parfois, semble ralentir et même se déplacer en sens inverse durant quelques semaines, on avait observé que les planètes se déplacent d’ouest en est. Eudoxe, né en ~408, a tenté d’expliquer ces phénomènes en proposant un modèle dans lequel la Terre est fixe et les planètes sont situées sur un ensemble de sphères transparentes, homocentriques et interreliées qui tournent à différentes vitesses constantes autour de la Terre.

Quant aux étoiles, elles étaient fixées à la sphère la plus extérieure. La théorie d’Aristote sur la chute des corps présentait des failles majeures, mais en l’absence d’une meilleure explication du mouvement, elle fut adoptée pendant près de 2000 ans. La chute des corps selon Galilée La théorie aristotélicienne du mouvement est une théorie « spéculative », c’est-à-dire un ensemble d’hypothèses échafaudées à partir d’une observation superficielle et qui ne sont pas vérifiables expérimentalement. On doit à Galilée (1564-1642) Galilée la première démarche pour 1564-1642 établir expérimentalement une description de la chute des corps. Plusieurs des objections soulevées à l’encontre du modèle héliocentrique de Nicolas Copernic (1473-1543) découlaient de l’incompatibilité de ce modèle et de la théorie du mouvement d’Aristote.

Galilée a compris qu’il fallait développer une autre théorie du mouvement pour que le modèle héliocenCorps lourd trique puisse être adopté.

Il montre d’abord, en adopCorps léger tant un raisonnement par l’absurde, que l’explication d’Aristote n’est pas En attachant les corps, valide : le corps léger ralentit Si les corps lourds tombent plus vite que les corps légers, en attachant ensemble un corps léger et un corps lourd, le plus léger des deux ralentira le corps lourd et l’assemblage doit tomber moins le corps lourd. L’assemblage doit donc tomber moins vite que le corps lourd. Attachés, ils forment un nouveau corps plus lourd que le corps lourd. L’assemblage doit donc tomber plus vite que le corps lourd. Vol.

11 • été – automne 2016 La chute des corps | André Ross • Professeur retraité 3 DossierGravité vite que le plus lourd des deux corps. Cependant, une fois attachés ensemble, ils forment un nouveau corps plus lourd que le plus lourd des deux.

Ce nouveau corps doit donc tomber plus vite que le plus lourd des deux.

Ce qui est une contradiction. Par conséquent, tous les corps doivent tomber à la même vitesse. Vol.

11 • été – automne 2016 Du pendule à l’inertie 4 Galilée s’est intéressé aux phénomènes que les aristotéliciens ne pouvaient expliquer à l’aide de leur théorie du mouvement, entre autres, le mouvement du pendule.

Avec la théorie d’Aristote, il est facile de comprendre que le corps lourd suspendu au bout de la corde va descendre pour retrouver sa place naturelle.

Une fois qu’il l’a atteinte, pourquoi remonte-t-il ? Ne serait-il pas naturel qu’il demeure suspendu au point le plus bas de la trajectoire ? En étudiant le mouvement des pendules Galilée utilise divers montages dans lesquels le mouvement s’apparente à celui du pendule. En modifiant le dispositif, il constate que la bille remonte à peu près à la même hauteur d’où elle a été lancée, même en diminuant la pente et en allongeant le parcours de la remontée. La bille perd graduellement de la vitesse dans la remontée et, en l’absence de frottement, la hauteur atteinte devrait être exactement celle d’où la bille est partie. Que va-t-il se passer s’il n’y a pas de remontée et que la partie de droite du dispositif demeure horizontale ? Par un passage à la limite, Galilée conclut que la bille devrait rouler indéfiniment à vitesse constante. Le mouvement continue donc sans qu’aucune force n’agisse pour le maintenir.

Cette conclusion sera reprise par Isaac Newton qui en fit sa première loi du mouvement appelée principe d’inertie. Pour Aristote, l’état naturel d’un corps, c’est le repos et une force doit s’exercer pour qu’un objet puisse quitter cet état.

Avec les expériences de Galilée sur les pendules, il faut abandonner cette idée.

Le déplacement en mouvement rectiligne à vitesse constante ne nécessite pas l’intervention d’une force qui le maintiendrait en mouvement.

Il n’y a plus de différence qualitative entre repos et mouvement. La chute des corps La chute d’un corps est trop rapide pour qu’il soit facile d’en prendre des mesures.

Pour procéder à une étude quantitative de ce mouvement, il faut pouvoir le ralentir.

Galilée s’est servi du plan incliné pour établir un lien entre le temps et la distance parcourue. Laissons-le relater l’expérience : On utilise un plan incliné de 1 coudée1 environ, large.... »