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  • Photo du rédacteurJC Duval

La fronde gravitationnelle

Ce que David a fait avec sa fronde, moi Michel-Ange je le fais avec mon outil.

Michel-Ange (1475-1564)

 

En astronautique, l'effet de fronde est utilisé pour augmenter la vitesse d'une sonde spatiale.

Un des succès les plus remarquables de l'effet de fronde gravitationnelle est le cas de la sonde Voyager lancée à la fin des années 70. Sa mission, explorer les planètes externes du système solaire, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.

La sonde a rejoint Jupiter à la vitesse de 15 km/s, l'a contournée à la vitesse de 40 km/s pour ensuite continuer son périple à plus de 20 km/s. La sonde a accéléré pour ensuite ralentir mais au final, elle est repartie plus vite qu’elle n'était arrivée.

Pour rejoindre Neptune, le trajet aurait dû prendre 30 ans, or en enchaînant les assistances gravitationnelles, le temps du voyage a été divisé par deux !!

 

Si un aérolithe vient à passer près d'une planète, il est alors dévié sous l'effet de l'attraction gravitationnelle et sa vitesse augmente jusqu'à ce que sa trajectoire soit au plus près de la planète. J'avais abordé le sujet dans un billet consacré à Kepler et sa fameuse loi des aires.


D'un autre coté, par définition même, un système 'isolé' conserve en toute circonstance son énergie totale. Tout naturellement, on serait donc tenté de penser qu'après avoir été accélérée, notre sonde ralentisse pour reprendre sa vitesse initiale. Or il n'en est rien. En quittant le champ gravitationnel de la planète, la sonde voyage plus vite que lorsqu'elle y est entrée. 🙄 Comment est-ce possible ?


Pour faire court, la sonde n'est pas un système isolé et pour expliquer l'écart entre la vitesse initiale et la vitesse finale, il faut consentir à un transfert d'énergie, en l'occurence cinétique, de la planète vers la sonde. Pour obtenir ce gap, la sonde va tout simplement profiter de la vitesse de déplacement de la planète.

Bon, ce que je raconte n'est peut-être pas très clair, alors voyons cela d'un peu plus près 🧐

 

Quelques illustrations

☞ oh-iih-oh-iih-ooooh

En se balançant à une branche fixe, Tarzan ne gagne pas de vitesse : il change juste sa direction.

Mais maintenant si la branche bouge et accompagne le saut … notre Tarzan se balancera beaucoup plus haut.

En plus de voir sa direction changer, Tarzan est entraîné avec la branche et sa vitesse augmente.

S'il passe d'arbres en arbres, il sautera de plus en plus haut et de plus en plus vite.


☞ Revenons à notre sonde …


• La vitesse finale de la sonde est directement liée à la vitesse de la planète.

• Le champ gravitationnel ne fait que dévier la trajectoire de la sonde. En entrant dans le champ de gravitation, la sonde subit une attraction d'autant plus forte qu'elle se rapproche de la planète, elle accélère de plus en plus fort mais en s'en éloignant elle subit l'effet inverse, elle décélère, ce qui au final se solde par un bilan nul.

• Cependant sa vitesse a augmenté, et c'est le couplage entre la translation et la gravitation qui va transmettre une propulsion à la sonde. La planète est un centre de rotation qui se déplace avec la sonde. La sonde vient pivoter autour de la planète, planète qui de son côté l'emporte dans son mouvement. Un effet de fronde résulte de ce couplage, ce qui catapulte la sonde et lui donne un supplément de vitesse, supplément qu’elle va conserver par la suite dans son voyage.


☞ Si vous êtes sportifs ...

• En cyclisme, si dans une côte vous doublez votre compagnon de course en prenant appui sur son vélo, il va vous communiquer une part de son énergie cinétique. Vous lui aurez piqué un peu de sa quantité de mouvement.

• Au tennis, si vous frappez aussi fort que Federer, la balle va repartir plus vite qu'elle n'est arrivée.


👉 C'est exactement ce qui arrive avec notre sonde spatiale. En passant, c'est comme si la planète donnait un coup de raquette à la sonde qui va ainsi voir sa vitesse augmenter. Au passage, la sonde a volé un peu de sa quantité de mouvement à la planète.

A noter que si la sonde arrive à contre-sens, cette fois-ci elle va restituer de l'énergie cinétique à la planète et sa vitesse va diminuer. C'est comme si la planète faisait un amorti au tennis.

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