1Interaction et champ de gravitation
Propriété — loi de la gravitation universelle. Deux corps à répartition sphérique de masse (ou ponctuels), de masses et , dont les centres sont distants de , exercent l’un sur l’autre des forces attractives, opposées, portées par la droite , de même valeur
Définition. Un astre de masse crée autour de lui un champ de gravitation , dirigé vers son centre, de valeur à la distance de ce centre. Un corps de masse y subit la force .
Remarque. Au voisinage du sol, s’identifie au champ de pesanteur : . Le champ de gravitation ne dépend pas de la masse du corps qui le subit.
2Satellite en orbite circulaire
Propriété — le mouvement est uniforme. Pour un satellite de masse en orbite circulaire de rayon autour d’un astre de masse , la seule force est la force de gravitation, centripète. La deuxième loi de Newton projetée dans le repère de Frenet donne
La vitesse garde donc une valeur constante : le mouvement est circulaire uniforme.
Propriété — vitesse et période. On en déduit, quelle que soit la masse du satellite,
Plus l’orbite est haute, plus le satellite est lent et plus sa période est longue.
3Lois de Kepler
Propriété. Pour les planètes du système solaire et, plus généralement, pour tout corps en orbite autour d’un astre :
- première loi (des orbites) : la trajectoire est une ellipse dont l’astre attracteur occupe l’un des foyers ;
- deuxième loi (des aires) : le segment reliant l’astre au corps balaie des aires égales pendant des durées égales — le corps va plus vite quand il est plus près de l’astre ;
- troisième loi (des périodes) : , où est le demi-grand axe de l’ellipse. Le rapport est le même pour tous les satellites d’un même astre.
Méthode — établir la troisième loi dans le cas circulaire. élever au carré : , soit , constante indépendante du satellite. L’orbite circulaire est le cas particulier .
Méthode — tester la troisième loi. tracer en fonction de à partir de données astronomiques : les points doivent s’aligner sur une droite passant par l’origine, de coefficient directeur .
4Applications
Définition. Un satellite géostationnaire reste à la verticale du même point de l’équateur : son orbite est équatoriale, parcourue dans le sens de rotation de la Terre, et sa période est égale à la période de rotation propre de la Terre, . La troisième loi impose alors un unique rayon, , soit une altitude d’environ .
Méthode — déterminer la masse d’un astre. mesurer la période et le rayon de l’orbite d’un de ses satellites, puis écrire . La masse du satellite n’intervient pas.
• , • • , distance Terre-Lune • .
5Savoir-faire du chapitre
- Calculer une force et un champ de gravitation ; relier à et .
- Démontrer, dans le repère de Frenet, que le mouvement circulaire d’un satellite est uniforme.
- Établir et exploiter et ; ne pas oublier .
- Énoncer les lois de Kepler, établir la troisième dans le cas circulaire et la tester sur des données astronomiques.
- Déterminer le rayon de l’orbite géostationnaire et la masse d’un astre à partir d’un de ses satellites.
6Exemples types
Altitude , donc . Alors et , soit environ .
. La troisième loi donne , soit une altitude et une vitesse .
La Lune décrit une orbite quasi circulaire de rayon en . D’où , en bon accord avec la valeur de référence .
Deux satellites de la Terre ont des rayons d’orbite . Comme , la vitesse du second est deux fois plus petite ; comme , sa période est fois plus longue. La troisième loi est bien vérifiée : est multipliée par quand l’est aussi.
- Utiliser l’altitude au lieu du rayon d’orbite : toutes les formules font intervenir la distance au centre de l’astre.
- Faire intervenir la masse du satellite : elle se simplifie, et n’en dépendent pas.
- Croire qu’un mouvement circulaire uniforme a une accélération nulle : elle vaut et est dirigée vers l’astre.
- Prendre pour la période géostationnaire : c’est le jour sidéral, .
- Oublier de convertir les durées en secondes et les distances en mètres avant l’application numérique.