Inertie - Inertia

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Mécanique classique
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d}{dt}}(m{\textbf {v}})}$ Deuxième loi du mouvement
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L'inertie est la résistance de tout objet physique à tout changement de sa vitesse . Cela inclut les modifications de la vitesse de l'objet ou de la direction du mouvement. Un aspect de cette propriété est la tendance des objets à continuer à se déplacer en ligne droite à une vitesse constante, lorsqu'aucune force n'agit sur eux.

L'inertie vient du mot latin, iners , qui signifie oisif, paresseux. L'inertie est l'une des principales manifestations de la masse , qui est une propriété quantitative des systèmes physiques . Isaac Newton a défini l'inertie comme une force, avant sa première loi dans le monumental Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica . Là, on lit :

DÉFINITION III. La vis insita , ou force innée de la matière, est un pouvoir de résistance par lequel tout corps, autant qu'il réside en lui, s'efforce de persévérer dans son état actuel, qu'il s'agisse de repos ou d'avancer uniformément en ligne droite.

Après quelques autres définitions, Newton déclare (à la page 83) sa première loi du mouvement :

LOI I. Tout corps persiste dans son état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite, à moins qu'il ne soit contraint de changer cet état par des forces qui lui sont imprimées.

Notez que Newton utilise la forme verbale active « persévérer », plutôt que d'autres formes passives telles que « continuer » ou « rester », que l'on trouve couramment dans les manuels modernes. Cela résulte de certains changements dans la mécanique originale de Newton (comme indiqué dans les Principia) effectués par Euler, d'Alembert et d'autres cartésiens.

Dans l'usage courant, le terme « inertie » peut faire référence à la « quantité de résistance d'un objet au changement de vitesse » ou, pour des termes plus simples, à « la résistance à un changement de mouvement » (qui est quantifié par sa masse), ou parfois à sa quantité de mouvement. , selon le contexte. Le terme « inertie » est plus correctement compris comme un raccourci pour « le principe d'inertie » tel que décrit par Newton dans sa première loi du mouvement , énoncée ci-dessus, selon laquelle un objet continuera à se déplacer à sa vitesse actuelle jusqu'à ce qu'une force provoque sa vitesse ou la direction à changer.

À la surface de la Terre, l'inertie est souvent masquée par la gravité et les effets de frottement et de résistance de l'air , qui tendent tous deux à diminuer la vitesse des objets en mouvement (généralement jusqu'au point de repos). Cela a induit en erreur le philosophe Aristote en lui faisant croire que les objets ne bougeraient que tant que la force leur était appliquée.

Le principe d'inertie est l'un des principes fondamentaux de la physique classique qui sont encore utilisés aujourd'hui pour décrire le mouvement des objets et comment ils sont affectés par les forces qui leur sont appliquées.

Histoire et évolution du concept

Compréhension précoce du mouvement

Le Mozi , qui était un ancien texte philosophique de la Chine pendant la période des Royaumes combattants , a été le premier à décrire l'idée d'inertie telle que rapportée dans les découvertes du sinologue Joseph Needham . En occident avant la Renaissance , la théorie du mouvement la plus généralement acceptée dans la philosophie occidentale était basée sur Aristote qui, vers 335 à 322 av. repos et que les objets en mouvement ne continuent à se déplacer que tant qu'il y a un pouvoir les incitant à le faire. Aristote a expliqué le mouvement continu des projectiles, qui sont séparés de leur projecteur, par l'action du milieu environnant, qui continue à déplacer le projectile d'une certaine manière. Aristote a conclu qu'un mouvement aussi violent dans le vide était impossible.

Malgré son acceptation générale, le concept de mouvement d'Aristote a été contesté à plusieurs reprises par des philosophes notables pendant près de deux millénaires . Par exemple, Lucrèce (à la suite, vraisemblablement, d' Épicure ) a déclaré que "l'état par défaut" de la matière était le mouvement, pas la stase. Au 6ème siècle, John Philoponus a critiqué l'incohérence entre la discussion d'Aristote sur les projectiles, où le médium maintient les projectiles, et sa discussion du vide, où le médium entraverait le mouvement d'un corps. Philoponus a proposé que le mouvement n'était pas maintenu par l'action d'un milieu environnant, mais par une certaine propriété conférée à l'objet lorsqu'il était mis en mouvement. Bien que ce ne soit pas le concept moderne de l'inertie, car il y avait toujours le besoin d'un pouvoir pour maintenir un corps en mouvement, cela s'est avéré un pas fondamental dans cette direction. Ce point de vue a été fortement combattu par Averroès et par de nombreux philosophes scolastiques qui ont soutenu Aristote. Cependant, ce point de vue n'est pas resté incontesté dans le monde islamique , où Philoponus avait plusieurs partisans qui ont développé ses idées.

Au 11ème siècle, le grand mathématicien persan Ibn Sina (Avicenne) a affirmé qu'un projectile dans le vide ne s'arrêterait pas à moins d'agir.

Théorie de l'impulsion

Au XIVe siècle, Jean Buridan rejette l'idée qu'une propriété génératrice de mouvement, qu'il nomme impulsion , se dissipe spontanément. La position de Buridan était qu'un objet en mouvement serait arrêté par la résistance de l'air et le poids du corps qui s'opposerait à son impulsion. Buridan a également soutenu que l'élan augmentait avec la vitesse; ainsi, son idée initiale de l'élan était similaire à bien des égards au concept moderne de l'élan. Malgré les similitudes évidentes avec les idées plus modernes de l'inertie, Buridan considérait sa théorie comme une simple modification de la philosophie de base d'Aristote, maintenant de nombreuses autres vues itinérantes , y compris la croyance qu'il y avait encore une différence fondamentale entre un objet en mouvement et un objet au repos . Buridan croyait également que l'impulsion pouvait être non seulement de nature linéaire mais aussi circulaire, provoquant le déplacement d'objets (tels que des corps célestes) en cercle.

La pensée de Buridan a été suivie par son élève Albert de Saxe (1316-1390) et les calculateurs d'Oxford , qui ont effectué diverses expériences qui ont encore miné la vision classique aristotélicienne. Leur travail à son tour a été élaboré par Nicole Oresme qui a été la pionnière de la pratique de la démonstration des lois du mouvement sous forme de graphes.

Peu de temps avant la théorie de l'inertie de Galilée, Giambattista Benedetti a modifié la théorie croissante de l'impulsion pour impliquer uniquement le mouvement linéaire :

"... [Toute] portion de matière corporelle qui se déplace d'elle-même lorsqu'une impulsion lui a été imprimée par une force motrice externe a une tendance naturelle à se déplacer sur un chemin rectiligne et non courbe."

Benedetti cite le mouvement d'un rocher dans une fronde comme exemple du mouvement linéaire inhérent des objets, contraints à un mouvement circulaire.

Inertie classique

Selon l'historien des sciences Charles Coulston Gillispie , l'inertie « est entrée dans la science comme une conséquence physique de la géométrisation de l'espace-matière par Descartes , combinée à l'immutabilité de Dieu ».

Galilée

Le principe d'inertie, qui trouve son origine chez Aristote pour les "mouvements dans le vide", stipule qu'un objet a tendance à résister à un changement de mouvement. Selon Newton, un objet restera au repos ou rester en mouvement (c. -à maintenir sa vitesse) à moins sollicité par une force extérieure nette, si elle résulte de la gravité , la friction , un contact ou une autre force. La division aristotélicienne du mouvement en mondain et céleste est devenue de plus en plus problématique face aux conclusions de Nicolaus Copernicus au 16ème siècle, qui soutenait que la Terre n'est jamais au repos, mais est en fait en mouvement constant autour du Soleil. Galilée , dans son développement ultérieur du modèle copernicien , a reconnu ces problèmes avec la nature alors acceptée du mouvement et, au moins partiellement, en conséquence, a inclus une reformulation de la description d'Aristote du mouvement dans le vide comme principe physique de base :

Un corps se déplaçant sur une surface plane continuera dans la même direction à une vitesse constante à moins d'être dérangé.

Galilée écrit que « tous obstacles extérieurs enlevés, un corps lourd sur une surface sphérique concentrique à la terre se maintiendra dans l'état où il a été ; s'il est mis en mouvement vers l'ouest (par exemple), il se maintiendra dans cet état mouvement." Cette notion qui est appelée « inertie circulaire » ou « inertie circulaire horizontale » par les historiens des sciences, est un précurseur, mais distinct de, la notion de Newton d'inertie rectiligne. Pour Galilée, un mouvement est « horizontal » s'il n'entraîne pas le mobile vers ou loin du centre de la terre, et pour lui, « un navire, par exemple, ayant reçu une fois une impulsion par la mer tranquille, se déplacerait continuellement autour de notre globe sans jamais s'arrêter."

Il convient également de noter que Galilée a conclu plus tard (en 1632) que sur la base de cette prémisse initiale d'inertie, il est impossible de faire la différence entre un objet en mouvement et un objet fixe sans une référence extérieure à laquelle le comparer. Cette observation est finalement devenue la base d' Albert Einstein pour développer la théorie de la relativité restreinte .

Le premier physicien à rompre complètement avec le modèle aristotélicien du mouvement fut Isaac Beeckman en 1614.

Les concepts d'inertie dans les écrits de Galilée seront plus tard affinés, modifiés et codifiés par Isaac Newton comme la première de ses lois du mouvement (publiée pour la première fois dans l'ouvrage de Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , en 1687) :

Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite, à moins qu'il ne soit contraint de changer cet état par des forces qui lui sont imprimées.

Depuis la publication initiale, les lois du mouvement de Newton (et par inclusion, cette première loi) sont devenues la base de la branche de la physique connue sous le nom de mécanique classique .

Le terme « inertie » a été introduit pour la première fois par Johannes Kepler dans son Epitome Astronomiae Copernicanae (publié en trois parties de 1617 à 1621) ; cependant, le sens du terme de Kepler (qu'il a dérivé du mot latin pour « oisiveté » ou « paresse ») n'était pas tout à fait le même que son interprétation moderne. Kepler a défini l'inertie uniquement en termes de résistance au mouvement, une fois de plus fondée sur la présomption que le repos était un état naturel qui n'avait pas besoin d'explication. Ce n'est que dans les travaux ultérieurs de Galilée et de Newton qui ont unifié le repos et le mouvement en un seul principe que le terme « inertie » a pu être appliqué à ces concepts tels qu'ils sont aujourd'hui.

Néanmoins, malgré la définition du concept si élégamment dans ses lois du mouvement, même Newton n'a pas réellement utilisé le terme « inertie » pour se référer à sa première loi. En fait, Newton considérait à l'origine le phénomène qu'il décrivait dans sa première loi du mouvement comme étant causé par des « forces innées » inhérentes à la matière, qui résistaient à toute accélération. Compte tenu de cette perspective, et empruntant à Kepler, Newton a attribué le terme « inertie » au sens « la force innée possédée par un objet qui résiste aux changements de mouvement » ; ainsi, Newton a défini « l'inertie » comme signifiant la cause du phénomène, plutôt que le phénomène lui-même. Cependant, les idées originales de Newton sur la « force résistive innée » étaient finalement problématiques pour diverses raisons, et donc la plupart des physiciens ne pensent plus en ces termes. Comme aucun mécanisme alternatif n'a été facilement accepté, et il est maintenant généralement admis qu'il n'y en a peut-être pas un que nous puissions connaître, le terme « inertie » en est venu à signifier simplement le phénomène lui-même, plutôt que tout mécanisme inhérent. Ainsi, en fin de compte, "l'inertie" dans la physique classique moderne est devenue un nom pour le même phénomène décrit par la première loi du mouvement de Newton, et les deux concepts sont maintenant considérés comme équivalents.

Relativité

La théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein , telle que proposée dans son article de 1905 intitulé " Sur l'électrodynamique des corps en mouvement ", a été construite sur la compréhension des référentiels inertiels développés par Galilée et Newton. Alors que cette théorie révolutionnaire a considérablement changé le sens de nombreux concepts newtoniens tels que la masse , l' énergie et la distance , le concept d'inertie d'Einstein est resté inchangé par rapport au sens original de Newton. Cependant, cela entraînait une limitation inhérente à la relativité restreinte : le principe de relativité ne pouvait s'appliquer qu'aux référentiels inertiels. Pour remédier à cette limitation, Einstein a développé sa théorie générale de la relativité ("The Foundation of the General Theory of Relativity", 1916), qui a fourni une théorie comprenant des cadres de référence non inertiels (accélérés).

Inertie de rotation

Inertie de rotation

Une quantité liée à l'inertie est l'inertie de rotation (→ moment d'inertie ), la propriété selon laquelle un corps rigide en rotation maintient son état de mouvement de rotation uniforme . Son moment cinétique reste inchangé, à moins qu'un couple externe ne soit appliqué ; c'est ce qu'on appelle aussi la conservation du moment cinétique. L'inertie de rotation est souvent considérée par rapport à un corps rigide. Par exemple, un gyroscope utilise la propriété qu'il résiste à tout changement dans l'axe de rotation.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

• Pourquoi la Terre tourne-t-elle ? (Youtube)