Les trois lois du mouvement de Sir Isaac Newton décrivent le mouvement des corps massifs et leur interaction. Si les lois de Newton peuvent nous sembler évidentes aujourd’hui, il y a plus de trois siècles, elles étaient considérées comme révolutionnaires.
Newton était l’un des scientifiques les plus influents de tous les temps. Ses idées sont devenues la base de la physique moderne. Il s’est appuyé sur les idées mises en avant par les travaux de scientifiques précédents, notamment Galilée et Aristote, et a pu prouver certaines idées qui n’étaient que des théories dans le passé. Il a étudié l’optique, l’astronomie et les mathématiques – il a inventé le calcul. (Le mathématicien allemand Gottfried Leibniz est également crédité de l’avoir développé indépendamment à peu près à la même époque).
Newton est peut-être plus connu pour son travail d’étude de la gravité et du mouvement des planètes. Pressé par l’astronome Edmond Halley après avoir admis qu’il avait perdu sa preuve des orbites elliptiques quelques années auparavant, Newton a publié ses lois en 1687, dans son ouvrage fondamental « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica » (Principes mathématiques de la philosophie naturelle) dans lequel il a formalisé la description de la façon dont les corps massifs se déplacent sous l’influence de forces extérieures.
En formulant ses trois lois, Newton a simplifié son traitement des corps massifs en les considérant comme des points mathématiques sans taille ni rotation. Cela lui a permis d’ignorer des facteurs tels que la friction, la résistance de l’air, la température, les propriétés des matériaux, etc. et de se concentrer sur les phénomènes qui peuvent être décrits uniquement en termes de masse, de longueur et de temps. Par conséquent, les trois lois ne peuvent pas être utilisées pour décrire précisément le comportement de grands objets rigides ou déformables ; cependant, dans de nombreux cas, elles fournissent des approximations suffisamment précises.
Les lois de Newton se rapportent au mouvement des corps massifs dans un référentiel inertiel, parfois appelé référentiel newtonien, bien que Newton lui-même n’ait jamais décrit un tel référentiel. Un cadre de référence inertiel peut être décrit comme un système de coordonnées tridimensionnel qui est soit stationnaire, soit en mouvement linéaire uniforme, c’est-à-dire qu’il n’accélère pas et ne tourne pas. Il a découvert que le mouvement dans un tel cadre de référence inertiel pouvait être décrit par trois lois simples.
La première loi du mouvement stipule : « Un corps au repos restera au repos, et un corps en mouvement restera en mouvement à moins qu’il ne soit actionné par une force extérieure. » Cela signifie simplement que les choses ne peuvent pas démarrer, s’arrêter ou changer de direction toutes seules. Il faut qu’une force extérieure agisse sur eux pour provoquer un tel changement. Cette propriété des corps massifs à résister aux changements de leur état de mouvement est parfois appelée inertie.
La deuxième loi du mouvement décrit ce qui arrive à un corps massif lorsqu’il est sollicité par une force extérieure. Elle stipule : « La force agissant sur un objet est égale à la masse de cet objet multipliée par son accélération. » Cette formule s’écrit sous la forme mathématique F = ma, où F est la force, m la masse et a l’accélération. Les lettres en gras indiquent que la force et l’accélération sont des quantités vectorielles, ce qui signifie qu’elles ont à la fois une magnitude et une direction. La force peut être une force unique, ou elle peut être la somme vectorielle de plus d’une force, qui est la force nette après que toutes les forces sont combinées.
Lorsqu’une force constante agit sur un corps massif, elle provoque son accélération, c’est-à-dire le changement de sa vitesse, à un rythme constant. Dans le cas le plus simple, une force appliquée à un objet au repos provoque son accélération dans la direction de la force. Cependant, si l’objet est déjà en mouvement, ou si cette situation est vue à partir d’un cadre de référence en mouvement, ce corps pourrait sembler accélérer, ralentir ou changer de direction selon la direction de la force et les directions dans lesquelles l’objet et le cadre de référence se déplacent l’un par rapport à l’autre.
La troisième loi du mouvement stipule : « Pour toute action, il y a une réaction égale et opposée. » Cette loi décrit ce qui arrive à un corps lorsqu’il exerce une force sur un autre corps. Les forces s’exercent toujours par paires. Ainsi, lorsqu’un corps pousse contre un autre, le second corps exerce une pression équivalente. Par exemple, lorsque vous poussez un chariot, le chariot repousse contre vous ; lorsque vous tirez sur une corde, la corde repousse contre vous ; lorsque la gravité vous tire vers le bas contre le sol, le sol pousse vers le haut contre vos pieds ; et lorsqu’une fusée enflamme son carburant derrière elle, les gaz d’échappement en expansion poussent sur la fusée, ce qui la fait accélérer.
Si un objet est beaucoup, beaucoup plus massif que l’autre, notamment dans le cas où le premier objet est ancré à la Terre, pratiquement toute l’accélération est communiquée au second objet, et l’accélération du premier objet peut être ignorée sans risque. Par exemple, si vous lancez une balle de baseball vers l’ouest, vous n’aurez pas à considérer que vous avez en fait provoqué une légère accélération de la rotation de la Terre pendant que la balle était en l’air. Cependant, si vous étiez debout sur des patins à roulettes et que vous lanciez une boule de bowling vers l’avant, vous commenceriez à reculer à une vitesse notable.
Les trois lois ont été vérifiées par d’innombrables expériences au cours des trois derniers siècles, et elles sont encore largement utilisées à ce jour pour décrire les types d’objets et de vitesses que nous rencontrons dans la vie quotidienne. Elles constituent le fondement de ce que l’on appelle aujourd’hui la mécanique classique, qui est l’étude des objets massifs plus grands que les très petites échelles abordées par la mécanique quantique et qui se déplacent plus lentement que les très grandes vitesses abordées par la mécanique relativiste.