Quantité de mouvement
«La force inhérente à la matière (vis insita) est le pouvoir qu'elle a de résister. C’est par cette force que tout corps persévère de lui-même dans son état actuel de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite.»
Isaac Newton
La quantité de mouvement est une grandeur physique qui comme toute grandeur physique, prend une valeur particulière quand on la mesure. Sa valeur correspond à l'état particulier d'un système, état qui lui permet de se manifester de manière particulière dans la réalité physique.
L'espace est homogène, c'est tout du moins ce que nous constatons quand nous observons la nature. La physique postule que quel que soit l'endroit où nous sommes, les lois qui gouvernent le monde sont les mêmes.
Ce petit billet retrace rapidement les conséquences de cette assertion.
L'homogénéité de l'espace induit une invariance par translation et garantit une conservation de la quantité de mouvement.
La conservation de la quantité de mouvement se traduit par l'absence de variation de la quantité de mouvement sur le centre d'inertie de tout système observé dans un référentiel inertiel.
La quantité de mouvement est conservée lorsque sa variation instantanée est nulle.
On peut associer le mouvement à la vitesse de déplacement d'un corps. La quantité de mouvement est donc une quantité “orientée” dans la même direction que le déplacement du corps. Comme l'a spécifié Newton dans son principe d'inertie, son rapport avec la vitesse de déplacement du corps correspond à la masse du corps.
Introduction à la notion de force énoncée par Newton
Cela permet de définir un système isolé comme étant un système sur lequel la résultante des forces extérieures est nulle.
• Plus globalement, un système isolé, par opposition à un système ouvert, est un système physique qui n'interagit pas avec son ou ses environnements. On dit d’un système qu’il est isolé s’il n'échange ni matière, ni chaleur, ni travail avec l'extérieur. L'univers dans son ensemble est considéré comme un système isolé, ce qui reste un postulat à démontrer. Un système véritablement isolé reste théorique.
Tout système a des interactions avec son environnement et pour n'en citer qu'une seule, on peut mentionner la gravitation. Cependant, un système réel peut se comporter comme un système isolé avec une bonne approximation.
• Un système fermé peut échanger de la chaleur ou du travail avec l'extérieur, mais pas de la matière.
Impulsion et quantité de mouvement
En physique, il existe d'autres principes de conservation. On peut en citer 2 :
• La conservation du moment cinétique qui est due à l'invariance par rotation dans l'espace. L'espace est isotrope et les lois de la nature ne changent pas en fonction de la manière dont on regarde le monde.
• La conservation de l'énergie qui est due à l'invariance par translation dans le temps. Les lois de la nature ne varient pas dans le temps.
La désintégration d'un atome il y 10 milliards d'années était identique à la désintégration d'un atome aujourd'hui.
L'invariance par translation dans le temps et dans l'espace induit que l'énergie globale d'un système isolé - qui correspond à la capacité du système à produire un travail, le travail rendant compte d'un transfert d'énergie utile à un déplacement ou plus généralement à un changement d'état - se conserve. Cependant avec le temps, l'énergie se transforme et se dégrade c'est à dire que l'entropie ou le désordre du système augmente, sans jamais pouvoir diminuer.
Un exemple, les chocs élastiques
Un choc élastique est une collision qui prend place lorsque la somme des énergies cinétiques après la collision est égale à la somme des énergies cinétiques avant la collision. C'est une collision qui respecte le principe de conservation de l'énergie.
Si une pièce entre en collision élastique avec une autre pièce de même masse initialement au repos, l'angle séparant leurs deux trajectoires après la collision sera de 90°.
La quantité de mouvement du système reste la même alors que celles des énergies prises individuellement varient.
Le pendule de Newton.
(music : Arcade fire)
Référentiel galiléen
La caractère homogène et isotrope de l'espace permet de définir un type de référentiel particulier que l'on appelle galiléen ou encore inertiel.
Dans un référentiel galiléen - nom en hommage à Galilée - on décide que le principe d'inertie tel que défini par Newton est vérifié, c'est-à-dire qu'en son sein un corps sur lequel on n'exerce aucune force reste en mouvement rectiligne uniforme ou reste au repos, le repos étant un cas particulier.
Un corps ayant un mouvement rectiligne uniforme a une vitesse qui, bien que n’étant pas la même, est constante dans tous les référentiels galiléens, le référentiel particulier dans lequel il a une vitesse nulle, étant désigné comme son référentiel propre.
L'énergie mécanique n'est pas un invariant galiléen et dépend donc du référentiel choisi.
Source : Les idées froides