Les lois de Newton (ou principes fondamentaux de la mécanique) sont trois lois de la physique classique qui relient les forces agissant sur un corps et le mouvement de ce corps. Ces lois ont été énoncées par Sir Isaac Newton (également basées sur les études de Galilée).
Les lois de Newton suffisent à expliquer tous les mouvements de la mécanique classique, c'est-à-dire les mouvements qui s'effectuent à des vitesses bien inférieures à la vitesse de la lumière dans le vide. Tous peuvent être démontrés grâce à l’application de la méthode scientifique.
Ces trois lois sont basées sur un système de références inertielles, c'est-à-dire avec des forces réelles à vitesse constante.
Première loi de Newton : la loi de l'inertie
La première loi de Newton, également connue sous le nom de loi de l'inertie, stipule que :
"Tout corps maintient un état de repos ou un mouvement rectiligne uniforme tant qu'aucune autre force n'agit sur lui ou que la somme des forces agissant sur lui est nulle."
Si un objet en mouvement ne reçoit aucune force supplémentaire, il se déplace en ligne droite avec une vitesse constante. Si au contraire on exerce une force latérale sur ce même corps, il changera de direction. En d’autres termes, un objet ne changera pas son état de mouvement à moins que quelque chose ne le fasse.
Exemples
Par exemple, si vous poussez une boîte sur une surface sans friction, elle continuera à bouger indéfiniment à moins que vous n'appliquiez une force opposée.
D’un autre côté, si une balle est toujours au sol, elle restera immobile à moins que quelque chose ne la fasse bouger.
D'autre part, la Lune décrit une trajectoire circulaire car elle subit constamment une force centripète en direction de la Terre due à la force de gravité avec laquelle la Terre et la Lune s'attirent (loi de la gravitation universelle). Si la Lune ou tout autre corps céleste n’avait pas l’influence de la gravité d’autres planètes, ils décriraient une trajectoire rectiligne.
Deuxième loi de Newton : loi de la dynamique
La deuxième loi de Newton est la loi fondamentale de la dynamique : elle établit la relation entre force et accélération.
« Une force agissant sur un corps lui donne une accélération, proportionnelle à la force et inversement proportionnelle à la masse du corps. »
Formule d'élan
La masse est une mesure de la quantité de matière présente dans le corps. Newton introduit la notion de quantité de mouvement. Il s'agit d'une quantité vectorielle égale au produit entre la masse et le vecteur vitesse.
p = m · v
Où
-
m est la masse
-
v est le vecteur vitesse
Formule de force
À partir de la quantité de mouvement, nous pouvons déduire la manière la plus complète de définir la force pour un corps de masse constante.
F = m une
Où
-
F est le vecteur force (N)
-
m est la masse (kg)
-
a est le vecteur accélération (m/s)
Si un objet au repos ne reçoit aucune force extérieure, il restera au repos. Si, au contraire, nous appliquons une force nette, le corps subit une accélération et acquiert un mouvement uniformément accéléré.
Troisième loi de Newton : loi d'action et de réaction
La troisième loi ou loi d’action et de réaction nous dit ce qui suit :
« Lorsqu’un corps agit sur un autre corps avec une force (appelée force d’action), le deuxième corps agit également sur le premier corps avec une force (appelée force de réaction) de même ampleur et direction, mais dans la direction opposée. Ce principe est également connu sous le nom de principe d’action et de réaction.
Exemples
Un exemple classique de cette loi est l’impulsion d’une fusée spatiale. Lorsque les gaz sont éjectés vers l’arrière du moteur-fusée, ils exercent une force vers l’avant sur la fusée, la faisant accélérer dans la direction opposée.
La troisième loi de Newton s'applique également à la production d'énergie nucléaire. Lorsqu’un noyau d’uranium se divise en deux noyaux plus petits (fission nucléaire), une grande quantité d’énergie est libérée.
Cette libération d'énergie est due à la conservation de la quantité de mouvement. Les deux fragments du cœur s'éloignent l'un de l'autre à grande vitesse sous l'effet de l'action-réaction, et cette énergie cinétique est convertie en énergie thermique qui est ensuite utilisée pour produire de l'électricité dans un réacteur nucléaire.
Exemples d'applications des lois de Newton
Les lois de Newton sont fondamentales pour la physique et ont un large éventail d'applications dans la vie quotidienne et dans la science.
Voici quelques exemples de domaines dans lesquels ces lois sont particulièrement pertinentes :
- Ingénierie : Les lois de Newton sont essentielles à la conception et à la construction de machines, de véhicules et de structures.
- Astronomie : Ils sont utilisés pour prédire et comprendre le mouvement des planètes, des étoiles et autres corps célestes.
- Physique du mouvement : Les lois de Newton sont à la base de la cinématique, qui traite de l'étude du mouvement des objets.
- Ingénierie spatiale : elles sont cruciales pour la conception et l’exploitation des engins spatiaux et des satellites.
- Technologie automobile : Elles sont appliquées pour développer des systèmes de sécurité dans les véhicules, tels que les airbags et les systèmes de freinage.
- Biomécanique : Elles permettent de comprendre comment les êtres vivants se déplacent et répondent aux forces qui leur sont appliquées.