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Physique-Chimie (Spé) — Mouvements et interactions

Gravitation et lois de Kepler

Loi de gravitation, champ gravitationnel, lois de Kepler, satellites

Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub

Résumé

La loi de gravitation universelle de Newton : deux corps de masses $m_1$ et $m_2$, séparés d'une distance $r$, s'attirent avec une force $F = G\,\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$ ($G = 6{,}67\times 10^{-11}\ \mathrm{N\cdot m^2\cdot kg^{-2}}$). Le champ gravitationnel créé par un corps de masse $M$ à la distance $r$ est $\vec{g} = -\dfrac{GM}{r^2}\,\vec{u}_r$, dirigé vers le centre du corps. Les lois de Kepler décrivent le mouvement des planètes : (1) les orbites sont des ellipses dont le Soleil est un foyer ; (2) le rayon Soleil-planète balaie des aires égales en des temps égaux ; (3) $\dfrac{T^2}{a^3} = \text{cste}$ pour les corps d'un même système ($T$ période, $a$ demi-grand axe). Pour un satellite en orbite circulaire : $v = \sqrt{\dfrac{GM}{r}}$ et $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{r^3}{GM}}$. L'orbite géostationnaire est à $\approx 36\,000\ \mathrm{km}$ d'altitude avec $T = 24\ \mathrm{h}$.

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Questions fréquentes

Les points clés à retenir sur Gravitation et lois de Kepler, extraits du quiz de révision.

La force de gravitation entre deux masses est proportionnelle à :
Réponse :
$\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
$F = G\,\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$. La force est proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance.
La 1re loi de Kepler stipule que les orbites planétaires sont :
Réponse :
Des ellipses dont le Soleil est un foyer
Les planètes décrivent des ellipses dont le Soleil occupe l'un des foyers (pas le centre). Une orbite circulaire est un cas particulier d'ellipse.
La 3e loi de Kepler s'écrit :
Réponse :
$\dfrac{T^2}{a^3} = \text{cste}$
$\dfrac{T^2}{a^3} = \dfrac{4\pi^2}{GM}$ est constant pour tous les corps orbitant autour du même astre. C'est la loi des périodes.
La vitesse d'un satellite en orbite circulaire est :
Réponse :
$v = \sqrt{\dfrac{GM}{r}}$
Du PFD en orbite circulaire : $\dfrac{GMm}{r^2} = \dfrac{mv^2}{r} \rightarrow v^2 = \dfrac{GM}{r} \rightarrow v = \sqrt{\dfrac{GM}{r}}$. Plus l'orbite est haute, plus la vitesse est faible.