Ton programme de MPSI : ce chapitre est traité par Mouvements dans un champ de force centrale conservatif (PCSI).
Hors programme en MPSI, donc pas exigible :
- Vitesses cosmiques : vitesse en orbite basse et vitesse de libération
Le cours
Résumé en cinq points
- Force centrale entraîne moment cinétique constant, donc mouvement plan et loi des aires, avec constante.
- Si en plus la force ne dépend que de , l'énergie mécanique se conserve et s'écrit avec .
- La lecture du graphe de donne la nature du mouvement radial : état lié si la zone accessible est bornée, état de diffusion sinon.
- En champ newtonien, les trajectoires liées sont des ellipses, et ne dépend que de l'astre attracteur.
- Pour une orbite, , le satellite géostationnaire est à environ d'altitude dans le plan équatorial, et les vitesses cosmiques valent environ et .
Pourquoi ce chapitre
Ce chapitre relie la mécanique du point à l'astronomie et aux satellites. Il repose sur une seule idée. Quand la force est dirigée vers un point fixe, deux grandeurs se conservent : le moment cinétique et, si la force dérive d'une énergie potentielle, l'énergie mécanique. Ces deux constantes suffisent à décrire le mouvement sans intégrer l'équation différentielle vectorielle.
La méthode de l'énergie potentielle effective ramène un problème à deux dimensions à un problème radial à une dimension. On la retrouvera en spé. La partie Kepler et satellites donne de nombreuses applications numériques, du satellite géostationnaire à la vitesse de libération. Le programme limite l'étude quantitative des trajectoires au cas circulaire.
1Force centrale et conservation du moment cinétique
1.1Définition
Définition 1.1Force centrale
Un point matériel de masse est soumis à un champ de force centrale de centre fixe quand la force qu'il subit est à chaque instant portée par la droite . On écrit en coordonnées polaires de centre , où est le vecteur radial unitaire et .
- La force est attractive si et répulsive si .
- Exemples classiques : la force gravitationnelle exercée par un astre à symétrie sphérique, la force électrostatique entre deux charges ponctuelles, la force de rappel d'un ressort dont une extrémité est fixée en .
Attention
« Centrale » ne veut pas dire « qui ne dépend que de ». C'est la direction qui définit le caractère central.
1.2Conservation du moment cinétique
Théorème 1.2Conservation du moment cinétique
Hypothèses
- référentiel galiléen ;
- point fixe dans ce référentiel ;
- force centrale de centre , et pas d'autre force (ou alors les autres forces ont aussi un moment nul en ).
Alors est un vecteur constant au cours du mouvement.
Démonstration
Le théorème du moment cinétique s'écrit avec et . Comme est colinéaire à , ce produit vectoriel est nul. Donc .
Ce raisonnement est exigible et tient en trois lignes.
1.3Première conséquence, le mouvement est plan
Propriété 1.3Mouvement plan
Hypothèses
- force centrale de centre ;
- constant et non nul.
Alors reste dans le plan passant par et orthogonal à : le mouvement est plan.
Par construction est orthogonal à . Le plan est fixé par les conditions initiales, puisque se calcule à l'instant initial.
RemarqueCas
Si , la vitesse initiale est colinéaire à et le mouvement est rectiligne le long de la droite portant . C'est la chute radiale d'un corps vers un astre.
1.4Deuxième conséquence, la loi des aires
On travaille dans le plan du mouvement, en coordonnées polaires de centre . La vitesse s'écrit , d'où
Définition 1.4Constante des aires
La quantité est constante. On l'appelle constante des aires. Elle a la dimension d'une surface par unité de temps, en .
Loi 1.5Loi des aires
Hypothèses
- force centrale de centre .
Alors le rayon vecteur balaie des aires égales pendant des durées égales :
Démonstration
Entre et , le rayon vecteur balaie un petit triangle de base et de hauteur . Son aire vaut . Donc .
C'est la deuxième loi de Kepler, et elle vaut pour toute force centrale, pas seulement pour la gravitation.
RemarqueConséquence qualitative
Plus le point est proche de , plus il va vite en rotation. Une comète est rapide au périhélie et lente à l'aphélie.
2Force centrale conservative et énergie potentielle effective
2.1Force centrale conservative
Propriété 2.1Conservation de l'énergie mécanique
Hypothèses
- force centrale ne dépendant que de : ;
- elle dérive d'une énergie potentielle avec ;
- les éventuelles autres forces ne travaillent pas (réaction normale sans frottement).
Alors l'énergie mécanique se conserve.
2.2Construction de l'énergie potentielle effective
On part de l'énergie cinétique en polaires : On remplace grâce à la constante des aires, . Il vient . Donc
Définition 2.2Énergie potentielle effective
On pose l'énergie potentielle effective et l'énergie mécanique s'écrit .
Le problème à deux degrés de liberté est devenu formellement identique à un problème à un degré de liberté, celui d'un point de masse se déplaçant sur un axe dans le potentiel .
Le terme est toujours positif et diverge quand . On l'appelle parfois barrière centrifuge. Il traduit le fait qu'un point de moment cinétique non nul ne peut pas atteindre le centre.
2.3Lecture graphique du mouvement radial
On trace en fonction de , et la droite horizontale d'ordonnée . Comme , le mouvement n'est possible que là où .
Les points où sont les points de rebroussement radial, où s'annule et change de signe. Ce ne sont pas des points d'arrêt, car la vitesse orthoradiale n'y est pas nulle.
Définition 2.3États lié et de diffusion
- État lié : la zone accessible est un intervalle borné . La distance au centre oscille entre ces deux valeurs pendant que le point tourne, la trajectoire reste dans une couronne. Si de plus est égale au minimum de , alors est constant et la trajectoire est un cercle.
- État de diffusion : la zone accessible est non bornée vers les grands . Le point vient de l'infini, approche le centre jusqu'à une distance minimale, puis repart vers l'infini.
Le caractère borné ou non du mouvement radial se lit sur la valeur de par rapport aux valeurs remarquables de . C'est une capacité exigible : il faut savoir la commenter sur un graphe fourni.
2.4Capacité numérique
Le programme demande de savoir obtenir des trajectoires par un langage de programmation.
MéthodeObtenir une trajectoire numériquement
- Écrire le système du premier ordre sur à partir du principe fondamental de la dynamique. Pour une force , les composantes sont et avec .
- Intégrer avec une méthode d'Euler ou avec une fonction d'intégration de bibliothèque, puis tracer en fonction de .
- Contrôler que l'énergie mécanique et la constante des aires restent constantes. Une dérive visible signale un pas de temps trop grand.
- Faire varier la vitesse initiale à distance initiale fixée : on passe d'un état lié à un état de diffusion.
3Cas du champ newtonien
3.1Force et énergie potentielle
Un champ newtonien est un champ central en . Pour la gravitation exercée par un astre de masse sur un point de masse : avec la convention nulle à l'infini et SI. La force électrostatique a la même forme, avec un signe qui peut être répulsif.
L'énergie potentielle effective vaut Pour non nul, elle part de en à cause du terme centrifuge, décroît, passe par un minimum négatif, puis remonte et tend vers 0 par valeurs négatives quand .
Propriété 3.1Classification des trajectoires
- égale au minimum de : trajectoire circulaire.
- Minimum : état lié, trajectoire elliptique.
- : cas limite, trajectoire parabolique, le point atteint l'infini avec une vitesse nulle.
- : état de diffusion, trajectoire hyperbolique.
Attention
Le programme affirme le caractère elliptique sans étude géométrique des coniques. Il ne faut pas chercher à établir l'équation polaire de la trajectoire : elle est hors programme en PCSI.
3.2Lois de Kepler
Elles sont énoncées pour les planètes du système solaire et se transposent aux satellites d'une planète.
Loi 3.2Lois de Kepler
- Chaque planète décrit une ellipse dont le Soleil occupe un des foyers.
- Le rayon vecteur reliant le Soleil à la planète balaie des aires égales pendant des durées égales.
- Le rapport est le même pour toutes les planètes, où est la période de révolution et le demi-grand axe de l'ellipse.
La deuxième loi est une conséquence du caractère central de la force, démontrée plus haut. Les deux autres sont propres au champ en .
3.3Mouvement circulaire
C'est le seul cas dont l'étude quantitative complète est exigible. On suppose constant.
Propriété 3.3Mouvement circulaire uniforme
Hypothèses
- champ newtonien ;
- trajectoire circulaire de rayon .
Alors le mouvement est uniforme.
Démonstration
La constante des aires donne , qui est constant. Donc la vitesse est constante.
On applique le principe fondamental de la dynamique en projection sur . L'accélération d'un mouvement circulaire uniforme est centripète et vaut . Donc
La période vaut d'où
C'est la troisième loi de Kepler dans le cas circulaire. Le programme demande de savoir l'établir ainsi, puis d'admettre sa généralisation au cas elliptique en remplaçant par le demi-grand axe .
À retenir
Le rapport ne dépend que de la masse de l'astre attracteur, pas de la masse du satellite.
3.4Énergie mécanique
Pour le mouvement circulaire de rayon :
On retient les relations . L'énergie mécanique est négative, ce qui est cohérent avec un état lié.
Propriété 3.4Énergie d'une orbite elliptique
Hypothèses
- champ newtonien ;
- trajectoire elliptique de demi-grand axe .
Alors on admet
L'énergie ne dépend que du demi-grand axe, pas de l'excentricité. Deux orbites de même demi-grand axe coûtent la même énergie. Faire passer un satellite d'une orbite basse à une orbite haute exige de fournir de l'énergie, puisque augmente (devient moins négative) quand augmente.
4Satellites terrestres
4.1Ordres de grandeur de référence
- Masse de la Terre : .
- Rayon terrestre : .
- Produit SI, ce qui équivaut à avec .
4.2Satellite géostationnaire
Définition 4.1Satellite géostationnaire
Un satellite est géostationnaire quand il reste à la verticale du même point de la surface terrestre. Trois conditions, qu'il faut savoir justifier :
- sa période est égale à la période de rotation propre de la Terre, le jour sidéral, et non ;
- il tourne dans le même sens que la Terre ;
- son orbite est dans le plan équatorial.
Le centre de la Terre est un foyer de l'orbite, donc le plan de l'orbite contient le centre de la Terre. Si ce plan n'était pas l'équateur, le satellite traverserait alternativement les deux hémisphères et ne pourrait pas rester au-dessus d'un point fixe.
Le calcul donne soit une altitude d'environ . La vitesse vaut environ .
4.3Différentes orbites selon la mission
- Orbite basse : altitude de quelques centaines de kilomètres, période d'environ 90 minutes. Utilisée pour les stations habitées et l'observation fine de la Terre. Une orbite quasi polaire permet de survoler toute la surface au fil des rotations terrestres.
- Orbite moyenne : de l'ordre de d'altitude, période de l'ordre de la demi-journée. C'est le domaine des constellations de navigation et de localisation, où il faut voir plusieurs satellites simultanément depuis un point au sol.
- Orbite géostationnaire : télécommunications et météorologie à grande échelle, car l'antenne au sol peut rester fixe et le satellite voit toujours la même portion du globe.
4.4Vitesses cosmiques
Définition 4.2Vitesses cosmiques
- La première vitesse cosmique est la vitesse d'un satellite en orbite circulaire basse, de rayon voisin de :
- La deuxième vitesse cosmique, ou vitesse de libération, est la vitesse minimale à communiquer depuis la surface pour que le point puisse s'éloigner indéfiniment.
La condition de libération est , soit d'où
Ces deux valeurs sont à citer de mémoire.
Méthodes
MéthodeAppliquer le théorème du moment cinétique
- Écrire le système, le référentiel supposé galiléen, le point fixe choisi et le bilan des forces.
- Sans cela le théorème du moment cinétique n'est pas applicable.
MéthodeUtiliser les deux constantes du mouvement
- Poser dès le début et .
- Les évaluer avec les conditions initiales.
- Écrire l'égalité de ces constantes entre deux instants, par exemple entre le périastre et l'apoastre.
MéthodeRépondre à une question qualitative sur la nature du mouvement
- Passer par et le graphe.
- Ne pas chercher à résoudre l'équation différentielle.
MéthodeTraiter un mouvement circulaire
- Appliquer le principe fondamental projeté sur , avec l'accélération centripète .
- La troisième loi de Kepler en découle en deux lignes.
MéthodeVérifier le sens physique pour un satellite
- Une orbite plus haute correspond à une vitesse plus faible et à une période plus grande.
- Elle correspond aussi à une énergie mécanique plus élevée.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Démontrer la conservation du moment cinétique pour une force centrale, puis en déduire que le mouvement est plan.
- Établir la loi des aires à partir de et du calcul de l'aire élémentaire balayée.
- Construire l'énergie potentielle effective à partir de la conservation de l'énergie mécanique et de la constante des aires.
- Discuter, sur un graphe de fourni, l'existence d'un état lié ou d'un état de diffusion selon la valeur de .
- Établir que le mouvement circulaire est uniforme, puis calculer , et retrouver la troisième loi de Kepler.
- Exprimer l'énergie mécanique d'une orbite circulaire et citer la relation pour l'ellipse.
- Déterminer l'altitude d'un satellite géostationnaire et justifier qu'il est dans le plan équatorial.
- Retrouver la vitesse de libération par un bilan énergétique et donner sa valeur pour la Terre.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Conservation du moment cinétique. Hypothèses : référentiel galiléen, point O fixe, force centrale de centre O seule, ou autres forces de moment nul en O. Alors LO est constant. Exigible avec démonstration.
- Planéité. Si LO ≠ 0, le mouvement a lieu dans le plan passant par O et orthogonal à LO. Si LO = 0, il est rectiligne sur une droite passant par O. Exigible avec démonstration.
- Loi des aires. C = r² θ̇ est constante et la vitesse aréolaire vaut dA/dt = C/2. Valable pour toute force centrale, conservative ou non. Exigible avec démonstration.
- Conservation de l'énergie mécanique. Hypothèses : force F(r) er dérivant de Ep(r) avec F = − dE_p/dr, et autres forces qui ne travaillent pas. Exigible.
- Énergie potentielle effective. Em = ½ m ṙ² + Ep,eff(r) avec Ep,eff = Ep + m C²/(2r²). Exigible avec démonstration.
- État lié et état de diffusion. Le mouvement radial est borné quand l'intervalle accessible contenant r₀, où Ep,eff(r) ≤ Em, est borné. Lecture graphique exigible.
- Nature des trajectoires newtoniennes selon Em : cercle, ellipse, parabole, hyperbole. Affirmée, admise, sans aucune étude géométrique.
- Lois de Kepler. Énoncé exigible, avec transposition aux satellites. La deuxième loi est démontrée, la première est admise.
- Mouvement circulaire newtonien. Il est uniforme, avec v = √(GM/R) et T²/R³ = 4π²/(GM). Exigible avec démonstration.
- Troisième loi pour une ellipse. T²/a³ = 4π²/(GM). Admise, à exploiter.
- Énergie en orbite circulaire. Em = − GMm/(2R) = − Ec = Ep/2. Exigible avec démonstration.
- Énergie en orbite elliptique. Em = − GMm/(2a). À exprimer à partir des constantes du mouvement, en utilisant seulement rp + ra = 2a.
- Satellite géostationnaire. Altitude d'environ 36 000 km et orbite dans le plan équatorial. Exigible avec justification.
- Vitesses cosmiques. v₁ = √(GM_T/RT) ≈ 7,9 km/s et v₂ = √2 v₁ ≈ 11,2 km/s. Expressions et valeurs exigibles.
- Hors programme, à signaler si un énoncé les utilise : équation polaire r = p/(1 + e cos θ), formules de Binet, vecteur de Runge-Lenz, réduction du problème à deux corps et masse réduite, relation entre excentricité et constantes du mouvement.
Clés de démonstration
Moment cinétique constant. On écrit le théorème du moment cinétique en O, fixe dans un référentiel galiléen. Le moment OM ∧ F est nul car les deux vecteurs sont colinéaires, donc dL_O/dt = 0. L'astuce est de prendre comme point de calcul le centre de force lui-même, et pas un autre point.
Mouvement plan. LO = OM ∧ m v est orthogonal à OM à chaque instant. LO est fixe et non nul, donc la relation OM · LO = 0 impose à M de rester dans un plan fixe contenant O. L'astuce est de traduire la constance d'un vecteur en constance d'un plan orthogonal.
Loi des aires. On calcule r er ∧ (ṙ er + r θ̇ e_θ) = r² θ̇ ez. La composante radiale de la vitesse disparaît dans le produit vectoriel. On identifie ensuite r² θ̇ au double de l'aire du triangle élémentaire ½ r × r dθ, divisée par dt.
Énergie potentielle effective. On écrit Ec = ½ m (ṙ² + r² θ̇²) puis on élimine θ̇ par θ̇ = C/r². Il ne reste que r et ṙ. L'astuce est d'utiliser une constante du mouvement pour supprimer une variable.
Mouvement circulaire uniforme. Si r = R est constant, alors θ̇ = C/R² est constant, donc v = R |θ̇| aussi. Le principe fondamental projeté sur er donne m v²/R = GMm/R². L'astuce est de tirer l'uniformité de la loi des aires, sans calcul d'accélération orthoradiale.
Énergie d'une ellipse. Aux distances extrêmes rp et ra, ṙ = 0, donc Em = − GMm/r + m C²/(2r²). En multipliant par r², on obtient Em r² + GMm r − m C²/2 = 0, dont rp et ra sont les deux racines. Leur somme vaut − GMm/Em, et comme rp + ra = 2a, on trouve Em = − GMm/(2a). L'astuce est la relation entre coefficients et racines, qui évite toute géométrie.
Plan équatorial du géostationnaire. Le plan de l'orbite contient le centre O de la Terre. Un point fixe au sol décrit un cercle dans un plan parallèle à l'équateur. Pour que le satellite reste sur la même verticale, son plan doit être parallèle à l'équateur et passer par O. C'est donc l'équateur lui-même. L'astuce est de comparer les deux plans.
Vitesse de libération. Comme Ep,eff tend vers 0 à l'infini, la zone accessible est non bornée si et seulement si Em ≥ 0. On écrit cette condition à la surface avec la vitesse de lancement.
Exemples et contre-exemples à connaître
- Chute radiale. Si la vitesse initiale est colinéaire à OM, C = 0 et il n'y a pas de barrière centrifuge. Pour une force attractive, le point atteint O s'il est lancé vers O, ou s'il est lancé vers l'extérieur avec Em < 0 en champ newtonien. En champ newtonien ou pour le ressort, c'est le seul cas où le point peut atteindre O, car m C²/(2r²) l'emporte alors sur Ep près de 0. Ce n'est plus vrai pour une attraction en 1/rⁿ avec n > 3.
- Mouvement rectiligne uniforme. En l'absence de force, la loi des aires est vérifiée par rapport à n'importe quel point : les triangles balayés ont même base et même hauteur. Ce cas montre que la loi des aires ne dit rien de la gravitation.
- Ressort de longueur à vide nulle, Ep = ½ k r². Ep,eff tend vers +∞ en 0 et à l'infini. Tous les états sont liés, il n'existe jamais d'état de diffusion.
- Répulsion coulombienne, Ep = + K/r avec K > 0. Ep,eff est strictement décroissante, sans minimum. Il n'y a aucun état lié, seulement de la diffusion. C'est le cadre de l'expérience de Rutherford.
- Pendule conique. La tension du fil est dirigée vers le point d'attache O, mais le poids ne l'est pas. LO n'est donc pas constant, seule sa composante verticale l'est. C'est le contre-exemple à « une force vers O suffit ».
- Force centrale non conservative, par exemple F = f(θ) er. Le moment cinétique se conserve, l'énergie mécanique non. « Centrale » et « conservative » sont deux hypothèses distinctes.
- Satellite freiné par l'atmosphère. Le frottement n'est pas central, donc C diminue. Paradoxe classique : le satellite descend et accélère (exercice 8).
- Satellite géosynchrone incliné. Il a la bonne période mais une orbite hors de l'équateur. Vu du sol, il oscille du nord au sud et n'est pas géostationnaire.
- Orbite rasante. Un projectile lancé horizontalement à v₁ au ras du sol, sans atmosphère, décrit un cercle de rayon RT. C'est la définition concrète de la première vitesse cosmique.
Techniques du chapitre
Calculer C avec l'angle de lancement. Seule la composante orthoradiale de la vitesse compte, C = r₀ v₀ sin α, où α est l'angle entre v₀ et er. Mini-exercice : r₀ = 7 000 km, v₀ = 8,0 km/s, α = 60°. On trouve C = 7,0 × 10⁶ × 8,0 × 10³ × 0,866 = 4,8 × 10¹⁰ m²/s.
Égaler C aux apsides. Au périastre et à l'apoastre, la vitesse est orthoradiale, donc rp vp = ra va. Mini-exercice : la Terre est à 147,1 millions de km du Soleil au périhélie et à 152,1 millions de km à l'aphélie. On en déduit vp/va = 152,1/147,1 = 1,034. La Terre va 3,4 % plus vite début janvier que début juillet.
Lire la nature du mouvement sur Ep,eff. On repère les limites de Ep,eff en 0 et à l'infini, puis ses extremums. Mini-exercice : pour Ep = ½ k r², Ep,eff = ½ k r² + m C²/(2r²) diverge aux deux bords. Toute valeur de Em au-dessus du minimum donne un état lié.
Trouver l'orbite circulaire comme minimum de Ep,eff. Mini-exercice : en champ newtonien, dE_p,eff/dr = GMm/r² − m C²/r³ s'annule pour rc = C²/(GM). Avec C = R v, on retrouve v² = GM/R. Le principe fondamental et la méthode énergétique concordent.
Utiliser la troisième loi en rapport. Écrire T²/a³ pour deux corps en orbite autour du même astre élimine G et M. Mini-exercice : la Lune a une période de 27,3 jours pour un rayon de 3,84 × 10⁵ km. Un satellite de période un jour est donc à 3,84 × 10⁵ / 27,32/3 ≈ 3,84 × 10⁵ / 9,07 ≈ 4,2 × 10⁴ km du centre.
Peser un astre. La relation M = 4π² a³/(G T²) donne la masse de l'astre central, jamais celle du satellite. Mini-exercice : pour la Terre, a = 1,50 × 10¹¹ m et T = 3,16 × 10⁷ s. On trouve M_Soleil = 39,5 × 3,38 × 10³³ / (6,67 × 10⁻¹¹ × 9,99 × 10¹⁴) ≈ 2,0 × 10³⁰ kg.
Contrôler une simulation par les invariants. On trace Em et C en fonction du temps. Mini-exercice : avec la méthode d'Euler explicite sur une orbite circulaire, Em augmente à chaque pas et l'orbite spirale vers l'extérieur. Diviser le pas par dix divise la dérive par environ dix, car la méthode est d'ordre un.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Station en orbite basse
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Une station de masse m = 4,2 × 10⁵ kg est en orbite circulaire à 400 km d'altitude. On donne GM_T = 3,99 × 10¹⁴ SI et RT = 6 370 km. Calculer sa vitesse, sa période et son énergie mécanique.
Technique Principe fondamental radial en mouvement circulaire.
Voir le corrigé
- Le rayon de l'orbite vaut R = RT + h = 6 770 km.
- v = √(GM_T/R) = √(5,89 × 10⁷) ≈ 7,68 km/s, un peu moins que v₁.
- T = 2πR/v = 4,25 × 10⁷ / 7 680 ≈ 5,5 × 10³ s, soit environ 92 minutes.
- Em = − ½ m v² = − 0,5 × 4,2 × 10⁵ × 5,89 × 10⁷ ≈ − 1,2 × 10¹³ J.
piège : Prendre l'altitude h au lieu du rayon RT + h dans la formule.
Exercice 2. Discussion sur le potentiel effectif newtonien
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
On pose Ep = − K/r avec K > 0 et C ≠ 0. Déterminer le minimum de Ep,eff, puis décrire le mouvement selon Em. Quelle est la distance minimale d'approche pour Em = 0 ?
Technique Étude de fonction et lecture graphique.
Voir le corrigé
- dE_p,eff/dr = K/r² − m C²/r³ s'annule pour rc = m C²/K.
- La valeur du minimum vaut Emin = − K/rc + m C²/(2r_c²) = − K²/(2m C²).
- Le cas Em < Emin est impossible. Le cas Em = Emin donne le cercle de rayon rc. Si Emin < Em < 0, r oscille entre deux racines, c'est un état lié. Si Em ≥ 0, c'est un état de diffusion.
- Pour Em = 0, on résout − K/r + m C²/(2r²) = 0, ce qui donne r = rc/2.
piège : Appeler « points d'arrêt » les points où Ep,eff = Em. Seule ṙ y est nulle, pas la vitesse.
Exercice 3. La comète de Halley
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
La comète passe à 0,59 ua du Soleil au périhélie et à 35 ua à l'aphélie. L'unité astronomique (ua) est le rayon moyen de l'orbite terrestre. Calculer la période de la comète et le rapport vp/va.
Technique Troisième loi en rapport avec la Terre, puis loi des aires aux apsides.
Voir le corrigé
- Le demi-grand axe vaut a = (0,59 + 35)/2 ≈ 17,8 ua.
- On compare avec la Terre, pour laquelle a = 1 ua et T = 1 an. On obtient T = 17,83/2 ≈ 75 ans.
- Aux apsides, la vitesse est orthoradiale, donc rp vp = ra va.
- On en déduit vp/va = 35/0,59 ≈ 59.
piège : Utiliser dans la troisième loi la distance au périhélie ou à l'aphélie à la place du demi-grand axe.
Exercice 4. Énergie d'une orbite elliptique
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
Établir Em = − GMm/(2a) à partir des constantes du mouvement. En déduire la vitesse à la distance r, puis la vitesse de Halley au périhélie. On prendra 29,8 km/s pour la vitesse orbitale de la Terre.
Technique Somme des racines d'un polynôme du second degré.
Voir le corrigé
- Aux apsides, ṙ = 0, donc Em r² + GMm r − m C²/2 = 0.
- La somme des racines donne rp + ra = − GMm/Em = 2a, d'où Em = − GMm/(2a).
- En écrivant ½ m v² − GMm/r = − GMm/(2a), on obtient v² = GM (2/r − 1/a).
- Pour la Terre, supposée en orbite circulaire, GM_Soleil = v_T² × 1 ua. On en déduit vp = 29,8 × √(2/0,59 − 1/17,8) = 29,8 × √3,33 ≈ 54 km/s.
- Bonus : le produit des racines donne C² = GM rp ra / a.
piège : Écrire Em = ½ m v² − GMm/r avec une énergie cinétique réduite à sa partie orthoradiale en un point quelconque de l'orbite.
Exercice 5. Satellite géostationnaire
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
Calculer le rayon et la vitesse d'un satellite géostationnaire. Justifier son plan. Au-delà de quelle latitude est-il invisible depuis le sol ?
Technique Troisième loi avec le jour sidéral, puis géométrie de la tangente.
Voir le corrigé
- On prend T = 86 164 s. R = (GM_T T²/(4π²))1/3 = (7,50 × 10²²)1/3 ≈ 4,22 × 10⁷ m, soit une altitude de 35 800 km.
- La vitesse vaut v = 2πR/T ≈ 3,07 km/s.
- Le plan de l'orbite contient le centre de la Terre et doit être parallèle à l'équateur (section 2), c'est donc l'équateur.
- Un observateur à la latitude λ, sur le méridien du satellite, le voit à l'horizon quand cos λ = RT/R = 0,151. Cela donne λ ≈ 81°. Au-delà, le satellite est sous l'horizon.
piège : Prendre 24 h, qui est le jour solaire, au lieu du jour sidéral. L'écart sur R est faible, mais le raisonnement est faux.
Exercice 6. Transfert d'orbite basse vers orbite géostationnaire
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
On passe d'une orbite circulaire de rayon r₁ = 6 670 km à une orbite de rayon r₂ = 42 160 km par une demi-ellipse tangente aux deux cercles. Calculer les deux impulsions de vitesse et la durée du transfert.
Technique Relation v² = GM (2/r − 1/a) et conservation de C.
Voir le corrigé
- Le demi-grand axe de l'ellipse de transfert vaut a = (r₁ + r₂)/2 = 24 415 km.
- Sur l'orbite basse, v₁c = √(GM/r₁) = 7,73 km/s. Au périgée de l'ellipse, vp = √(GM (2/r₁ − 1/a)) = 10,16 km/s. Première impulsion : Δv₁ ≈ 2,43 km/s.
- À l'apogée, va = vp r₁/r₂ = 1,61 km/s. Sur l'orbite haute, v₂c = √(GM/r₂) = 3,08 km/s. Seconde impulsion : Δv₂ ≈ 1,47 km/s.
- La durée du transfert vaut une demi-période, soit π √(a³/GM) ≈ 1,9 × 10⁴ s, environ 5,3 h.
- On accélère deux fois, et pourtant la vitesse finale est plus faible que la vitesse initiale. C'est l'énergie mécanique qui augmente.
piège : Oublier qu'à l'apogée la vitesse est orthoradiale, ce qui seul justifie r₁ vp = r₂ va.
Exercice 7. Tir vertical
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
Un projectile est lancé verticalement depuis le sol à v₀ = 5,0 km/s. On néglige l'atmosphère et la rotation terrestre, et on donne g = 9,8 m/s². Calculer l'altitude maximale et comparer au modèle du champ uniforme.
Technique Mouvement à C = 0 et conservation de l'énergie.
Voir le corrigé
- La vitesse initiale est radiale, donc C = 0 et le mouvement est rectiligne sur la verticale.
- On écrit l'énergie avec GM = g R_T² : ½ v₀² − g RT = − g R_T²/(RT + h).
- On en déduit RT + h = RT / (1 − v₀²/(2 g RT)) = RT / 0,800.
- On trouve h ≈ 0,25 RT ≈ 1,6 × 10³ km. Le modèle uniforme donne v₀²/(2g) ≈ 1,3 × 10³ km, qui sous-estime h car le champ réel faiblit avec l'altitude.
- h diverge quand v₀ tend vers √(2 g RT) = v₂, ce qui est cohérent avec la vitesse de libération.
piège : Appliquer le modèle du champ uniforme au-delà de quelques dizaines de kilomètres d'altitude.
Exercice 8. Le paradoxe du freinage atmosphérique
Approfondissement · Type écrit Mines
Un satellite en orbite circulaire subit un faible frottement f = − α v, avec α > 0. On suppose l'orbite quasi circulaire à chaque instant. Déterminer r(t) et commenter l'évolution de la vitesse.
Technique Théorème de la puissance mécanique avec Em = − GMm/(2r).
Voir le corrigé
- On écrit dE_m/dt = − α v² = − α GM/r.
- Avec Em = − GMm/(2r), on a dE_m/dt = GMm ṙ/(2r²). On en déduit ṙ = − 2α r/m, puis r = r₀ exp(− 2αt/m).
- La vitesse v = √(GM/r) augmente, donc Ec augmente.
- Explication : la puissance du poids, − GMm ṙ/r² = 2α GM/r, vaut le double de la puissance perdue par frottement.
- C = √(GM r) diminue, ce qui est normal car f n'est pas centrale. Le modèle est valable si 2α/m ≪ 1/T.
piège : Conclure qu'un frottement ralentit forcément le satellite.
Exercice 9. Stabilité des orbites circulaires
Approfondissement · Type oral Centrale
Une force centrale s'écrit F = − K/rⁿ er, avec K > 0. À quelle condition sur n les orbites circulaires sont-elles stables ? Comparer la pulsation des petites oscillations radiales à la vitesse angulaire.
Technique Approximation harmonique au voisinage du minimum de Ep,eff.
Voir le corrigé
- On a dE_p/dr = K r⁻ⁿ, d'où dE_p,eff/dr = K r⁻ⁿ − m C²/r³. Cette dérivée s'annule pour K rc3−n = m C².
- On calcule la dérivée seconde en rc : d²E_p,eff/dr² = − n K rc−n−1 + 3m C²/r_c⁴ = (3 − n) K rc−n−1.
- Le cercle est un minimum de Ep,eff, donc stable, si et seulement si n < 3.
- La pulsation radiale vérifie ω_r² = (3 − n) K rc−n−1/m. La vitesse angulaire vérifie ω_θ² = C²/r_c⁴ = K rc−n−1/m. On en déduit ωr/ω_θ = √(3 − n).
- Pour n = 2, on a une oscillation radiale par tour : l'orbite est fermée, avec un seul périastre, et on retrouve l'ellipse de Kepler. Pour n = − 1, c'est-à-dire le ressort, on a deux oscillations par tour : ellipse centrée sur O.
piège : Oublier le terme centrifuge dans la dérivée seconde. On trouverait alors d²E_p,eff/dr² = − n K rc−n−1, négative pour tout n > 0. On conclurait à tort que les orbites circulaires sont instables pour toute force attractive en 1/rⁿ avec n > 0, y compris pour la gravitation.
Erreurs fréquentes
- Confondre altitude et rayon, ou jour solaire et jour sidéral, dans les applications numériques sur les satellites.
- Écrire C = r v en un point quelconque. Cette égalité n'est vraie qu'aux apsides et sur un cercle. En général, C = r v sin α.
- Comparer T²/a³ pour deux corps qui n'orbitent pas autour du même astre. La constante 4π²/(GM) dépend de l'astre attracteur.
- Croire qu'une orbite plus haute est plus rapide, ou que monter coûte moins d'énergie. La vitesse diminue avec l'altitude, mais Em augmente.
- Supposer qu'une force centrale est forcément conservative, ou appliquer la conservation de LO alors qu'une autre force, comme le poids d'un pendule ou un frottement, a un moment non nul en O.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de physique-chimie de PCSI (arrêté de 2021), deuxième semestre, thème 2 « mouvements et interactions (2) », partie 2.6 « Mouvements dans un champ de force centrale conservatif ». Elle suppose connus le théorème du moment cinétique en un point fixe et les notions d'énergie potentielle et d'énergie mécanique vues au premier semestre.