L'équilibre gravitation / force centrifuge

 
Les planètes qui tournent autour de leur soleil sont en équilibre, tout commes les satellites qui tournent autour des planètes.
Nous parlerons donc des satellites en général puisque les planètes sont des satellites de leur étoile. En particulier, la Terre est un satellite du Soleil tout comme la Lune est un satellite de la Terre.
Quelque soit la distance du satellite de son astre central, il y a toujours un équilibre aussi longtemps qu'il n'y a pas de risque de collision ou d'éjection (éloignement excessif).

La gravitation

La force exercée par l'astre central sur son satellite s'exprime par la formule suivante:
F   =   M * G
D2
dans laquelle:
  • F = force appliquée sur le satellite
  • M = masse du satellite
  • G = constante de gravitation fonction de la masse de l'astre central et indépendante de la masse du satellite
  • D = distance entre astre central et satellite

La force centrifuge

La force centrifuge du satellite s'exprime par la formule suivante:
F   =   M * ω2 * R
dans laquelle:
  • F = force centrifuge du satellite
  • M = masse du satellite
  • ω = vitesse angulaire du satellite
  • R = rayon de courbure instantanée
Si on remplace la vitesse angulaire par la vitesse linéaire ( V = ω * R ), on obtient:
F   =   M * V2
R
dans laquelle:
  • F = force centrifuge du satellite
  • M = masse du satellite
  • V = vitesse linéaire du satellite
  • R = rayon de courbure instantanée

Condition d'équilibre

L'équilibre s'obtient avec: distance du satellite = rayon de courbure:
R = D
ce qui donne
F   =   M * G
D2
  =   M * V2
R
Si on remplace D par R, on obtient:
M * G
R2
  =   M * V2
R
et donc:
V   =     G  
R
La vitesse linéaire est proportionnelle à la constante de gravitation (qui est en fait fonction de la masse de l'astre central et indépendante de la masse du satellite) et inversement proportionnelle à la racine carrée de la distance du satellite à l'astre central.
À titre d'exemple le tableau des vitesses des planètes en fonction de leurs distances au Soleil:
Nom
rayon
moyen
distance
au soleil
Période
de
rotation
Vitesse
linéaire
moyenne
Mercure 2440 km 46 à 70 Mkm 88 j 48 km/s
Vénus 6050 km 108 Mkm 224,7 j 35 km/s
Terre 6400 km 150 Mkm 365,26 j 30 km/s
Mars 3400 km 206 à 250 Mkm 687 j 24 km/s
Jupiter 70000 km 740 à 817 Mkm 4335 j
(11,7 ans)
13 km/s
Saturne 58000 km 1350 à 1500 Mkm 10758 j
(29 ans)
10 km/s
Uranus 25500 km 2730 à 3010 Mkm 30687 j
(84 ans)
6,8 km/s
Neptune 24600 km 4500 Mkm 60224 j
(164 ans)
5,4 km/s

Paradoxe

On sait que la Terre, du fait du mouvement des marées, tend à accélérer la Lune autour de la Terre, c'est à dire à augmenter la vitesse de rotation de la Lune. Comme la vitesse de la Lune tend à augmenter, elle ne peut trouver un nouvel équilibre qu'en s'éloignant un peu de la Terre où sa vitesse linéaire aura en fait été... diminuée... !!!
L'énergie cinétique de la Lune se transforme donc instantanément en énergie potentielle (éloignement de la Lune). Il est évident que cette énergie provient du ralentissement de la rotation de la Terre sur elle-même.
 
Mars 2022
 
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