Les trois lois du mouvement de Sir Isaac Newton décrivent le mouvement des corps massifs et leur interaction. Alors que 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 a construit sur des idées avancées à partir des travaux de scientifiques précédents, y compris Galilée et Aristote, et a pu prouver certaines idées qui n’avaient été 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 au même moment.)
Newton est peut-être surtout connu pour ses travaux sur l’étude de la gravité et du mouvement des planètes. Poussé par l’astronome Edmond Halley après avoir admis qu’il avait perdu sa preuve d’orbites elliptiques quelques années auparavant, Newton publia ses lois en 1687, dans son ouvrage fondateur « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica » (Principes mathématiques de la Philosophie Naturelle) dans lequel il formalisait 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 le frottement, la résistance de l’air, la température, les propriétés du matériau, etc., et se concentrer sur des phénomènes qui peuvent être décrits uniquement en termes de masse, de durée 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 convenablement précises.
Les lois de Newton concernent le mouvement de corps massifs dans un référentiel inertiel, parfois appelé référentiel newtonien, bien que Newton lui-même n’ait jamais décrit un tel référentiel. Un référentiel inertiel peut être décrit comme un système de coordonnées tridimensionnelles stationnaire ou en mouvement linéaire uniforme., c’est-à-dire qu’il n’accélère ni ne tourne. Il a constaté que le mouvement dans un tel référentiel 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 agi par une force extérieure. »Cela signifie simplement que les choses ne peuvent pas démarrer, s’arrêter ou changer de direction toutes seules. Il faut une force agissant sur eux de l’extérieur 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. Il déclare: « La force agissant sur un objet est égale à la masse de cet objet multipliée par son accélération. »Ceci est écrit sous forme mathématique comme F = ma, où F est la force, m est la masse et a est 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 seule force, 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 le fait accélérer, c’est-à-dire changer de vitesse, à une vitesse constante. Dans le cas le plus simple, une force appliquée à un objet au repos le fait accélérer dans le sens de la force. Cependant, si l’objet est déjà en mouvement, ou si cette situation est vue à partir d’un repère mobile, ce corps peut sembler accélérer, ralentir ou changer de direction en fonction de la direction de la force et des directions que l’objet et le repère se déplacent l’un par rapport à l’autre.
La Troisième Loi du Mouvement stipule: « Pour chaque 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 se produisent toujours par paires, donc lorsqu’un corps pousse contre un autre, le second corps repousse tout aussi fort. Par exemple, lorsque vous poussez un chariot, le chariot repousse contre vous; lorsque vous tirez sur une corde, la corde recule contre vous; lorsque la gravité vous tire contre le sol, le sol pousse 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, en particulier dans le cas où le premier objet est ancré à la Terre, la quasi-totalité de l’accélération est transmise au second objet, et l’accélération du premier objet peut être ignorée en toute sécurité. Par exemple, si vous deviez lancer une balle de baseball à l’ouest, vous n’auriez pas à considérer que vous avez en fait provoqué une accélération si légère 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 en 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 les vitesses que nous rencontrons dans la vie quotidienne. Ils forment la base de ce que l’on appelle maintenant la mécanique classique, qui est l’étude d’objets massifs qui sont plus grands que les très petites échelles traitées par la mécanique quantique et qui se déplacent plus lentement que les très grandes vitesses traitées par la mécanique relativiste.