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Le mouvement orbital

La petite histoire de la gravité

Introduction aux principaux concepts

Galileo Galilei, dit Galilée (1564-1642)

Galileo Galilei est né à Pise en 1564. Lorsqu'il a dix-sept ans, son père l'envoie faire des études de médecine à l'université de Pise; sa famille est noble mais pauvre. Bien qu'il soit lui-même un mathématicien compétent, son père l'écarte volontairement des mathématiques parce qu'il considère que cela risque de nuire à sa carrière médicale.

Or, une leçon de géométrie à laquelle Galilée assiste par hasard éveille son intérêt et l'amène à entreprendre des études en mathématiques et en sciences, avec le consentement durement obtenu de son père.

L'une des découvertes expérimentales les mieux connues de Galilée, et l'une des plus importantes, est le fait que tous les objets tombent à la même vitesse, quelle que soit leur masse. On raconte que l'expérience a eu lieu à partir de la tour de Pise, du haut de laquelle Galilée a laissé tomber deux sphères d'égale grosseur.

Même si les sphères avaient des masses très différentes, l'une étant faite de plomb et l'autre de savon, les deux sphères touchaient le sol en même temps quand on les laissait tomber simultanément du haut de la tour.

Cette simple expérience a renversé des siècles de science aristotélicienne erronée qui affirmait que les objets lourds devaient tomber plus rapidement que les objets plus légers.

La révélation que tous les objets accélèrent au même rythme sous l'effet de la gravité a grandement contribué aux découvertes en mécanique d'Isaac Newton et, par conséquent, à notre compréhension actuelle de la mécanique orbitale.

Par ailleurs, la grande réputation de Galilée repose avant tout sur les découvertes qu'il a faites grâce au télescope. Il a fabriqué son premier instrument en 1609 et publié ses premières observations en 1610. Parmi ces découvertes, citons les satellites de Jupiter, les phases de Vénus, la configuration de la Lune et les taches solaires.

En 1633, Galilée a été jugé par l'Inquisition pour avoir appuyé la vision copernicienne de l'Univers, voulant que la Terre et les planètes tournent autour du Soleil. Il s'est rétracté sous la torture, après quoi on lui a finalement permis de rentrer à Florence.

Galilée a passé le reste de sa vie retiré du monde à travailler sur les principes de mécanique, sur ses observations de la Lune et sur l'application du pendule à l'ajustement des mouvements d'horlogerie.

La plume et le sou

La démonstration de la plume et du sou est une expérience très ancienne et très connue visant à faire la preuve que tout corps accélère à la même vitesse dans un champ gravitationnel.

Dans cette démonstration, une plume et un sou sont scellés dans de longs tubes cylindriques dont l'air a été retiré à l'aide d'une pompe à vide.

On met un auditoire au défi de prédire lequel des objets, de la plume ou du sou, sera le premier à toucher le fond du tube quand ce dernier sera inversé.

Notre expérience quotidienne suggère que les plumes tombent moins vite que les pièces de monnaie.

Au début de l'expérience, la plume et le sou se trouvent au fond du tube.

Lorsque le tube est rapidement inversé (voir illustration), la plume et le sou se retrouvent soudainement en haut du tube et tombent vers le bas.

En l'absence de toute résistance de l'air, on constate que la plume et le sou tombent exactement à la même vitesse et arrivent au fond du tube simultanément.

Ce comportement, en apparence bizarre, surprend généralement la plupart des auditoires.

Dans une variation de cette démonstration, une petite valve est fixée au cylindre pour permettre de faire entrer de l'air dans le tube (en l'ouvrant) ou d'en extraire (à l'aide d'une pompe à vide), et les comportements de la plume et du sou sont étudiés dans les deux conditions.

Bien sûr, la résistance de l'air nous amène à faussement conclure qu'un objet lourd tombe plus vite (accélère plus rapidement) qu'un objet léger (de faible masse).