Mécanique orbitale

T’es-tu déjà demandé pourquoi la Lune ne tombe pas sur la Terre? Heureusement, la gravité terrestre a piégé la Lune, ainsi que de nombreux autres objets spatiaux, dans l’orbite de la Terre. Mais quelle est la nature des forces gravitationnelles agissant sur les objets en orbite?
 
Commençons par une expérience de pensée qu’on appelle le canon de Newton. Lorsqu’on tire un boulet de canon, la gravité et la résistance de l’air font en sorte qu’il retombe sur Terre. Concentrons-nous sur la gravité. 
 
Imagine qu’on tire des boulets de canon du sommet d’une très haute montagne. La gravité terrestre courbe la trajectoire du boulet, qui retombe sur Terre. La longueur du trajet effectué par le boulet avant de retomber sur Terre dépend de sa vitesse. En fait, si la vitesse du boulet était assez élevée, il ne reviendrait jamais sur Terre. Dans une telle situation, la Terre s’éloignerait du boulet au même rythme que le boulet descendrait. Le boulet de canon serait ainsi mis en orbite, tout comme la Lune.
 

Que sont les lois de Kepler?

Johannes Kepler était un astronome et mathématicien allemand. Vers 1605, il a élaboré ses trois lois du mouvement planétaire. Celles-ci permettent de comprendre les orbites des satellites et planètes. Les théories de Kepler sont fondées sur l’observation de notre système solaire. Ainsi, elles se réfèrent souvent à notre Soleil. Mais les astronomes ont découvert d’autres systèmes planétaires depuis le 17e siècle. Les lois de Kepler s’appliquent également à ces systèmes planétaires.

Quelle est la première loi de Kepler?

La première loi de Kepler stipule que chaque planète suit une trajectoire elliptique autour du Soleil. Autrement dit, le Soleil est le foyer de l’orbite elliptique de la planète. Le point de la trajectoire le plus proche du Soleil s’appelle le périhélie. Le point de la trajectoire le plus éloigné du Soleil s’appelle l’aphélie.

Quelle est la deuxième loi de Kepler?

La deuxième Loi de Kepler stipule que l’aire balayée par une ligne reliant une planète au Soleil aura toujours la même superficie si le temps écoulé est le même. Comme tu viens de l’apprendre, les orbites des planètes sont elliptiques. Cela signifie que les planètes se déplacent plus rapidement quand elles sont proches du Soleil et plus lentement quand elles sont éloignées de lui.

Cette loi s’applique également aux satellites et aux autres engins spatiaux. Bien sûr, les satellites orbitent autour de la Terre et non du Soleil. Nous pouvons donc reformuler la deuxième loi de Kepler pour qu’elle s’applique aux satellites et aux engins spatiaux : « L’aire balayée par une ligne reliant un vaisseau spatial au centre de la Terre aura toujours la même superficie si le temps écoulé est le même ». Autrement dit, un satellite se déplace plus rapidement lorsqu’il est proche de la Terre et ralentit lorsqu’il s’en éloigne.

Quelle est la troisième loi de Kepler?

La troisième loi de Kepler stipule que le carré de la période orbitale d’une planète (P) est proportionnel au cube de sa distance moyenne par rapport au Soleil (a). Autrement dit, plus une planète est éloignée du Soleil, plus elle prend de temps pour compléter une orbite.
Encore une fois, la loi s’applique également aux satellites. Plus un satellite est éloigné de la surface de la Terre, plus il prend de temps pour compléter une orbite.

Quels sont les concepts physiques derrière les lois de Kepler?

Si Kepler a énoncé les lois qui décrivent le mouvement orbital, c’est le mathématicien et physicien anglais Isaac Newton qui, plus tard, en a élaboré les concepts physiques sous-jacents. En 1687, Newton publie son livre le plus célèbre, intitulé Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Ce livre explique les trois lois qui sont à la base de ce que les scientifiques appellent la mécanique « newtonienne » ou « classique ».

 
Voici les lois du mouvement de Newton :

• Première loi de Newton — Un objet au repos aura tendance à rester au repos à moins qu’une force extérieure n’agisse sur lui. De même, un objet en mouvement aura tendance à se déplacer en ligne droite à moins qu’une force extérieure n’agisse sur lui.
• Deuxième loi de Newton — L’accélération d’un objet est proportionnelle à la force appliquée sur lui et suit la même direction que cette force.
• Troisième loi de Newton — Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.

La troisième loi de Newton est probablement la mieux connue. C’est elle qui rend le vol spatial possible. Les moteurs-fusées fonctionnent en propulsant les gaz d’échappement à l’arrière de l’engin spatial. Étant donné que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée, le vaisseau spatial est propulsé vers le haut.

Newton a également élaboré la loi universelle de la gravitation. Celle-ci stipule que l’attraction gravitationnelle entre deux objets est directement proportionnelle au produit de leurs masses. Elle est également inversement proportionnelle au carré de la distance entre les objets. Autrement dit, plus les objets sont grands et plus ils sont rapprochés, plus l’attraction gravitationnelle entre eux est grande. L’inverse est aussi vrai.
 
À notre connaissance, le même principe s’applique partout dans l’Univers. Il s’agit donc d’une loi dite « universelle ».
 
On appelle le mouvement qui résulte de cette attraction gravitationnelle le mouvement à deux corps.
 

Quels sont les différents types d’orbites?

Il existe différents types d’orbites. Le type d’orbite dans lequel on met un satellite varie selon la nature de la mission. L’orbite terrestre basse (OTB) est la plus accessible. La majorité des objets artificiels en orbite autour de la Terre se trouvent dans cette zone, qui s’étend de 160 km à 1 000 km au-dessus de la surface terrestre. Son extrémité inférieure correspond aux facteurs de traînée atmosphérique. Son extrémité supérieure correspond à la ceinture de radiation de Van Allen intérieure.
 
Une orbite polaire passe au-dessus des pôles de la Terre. Ainsi, l’objet se déplace du nord au sud. Une orbite héliosynchrone est un type d’OTB polaire. En orbite héliosynchrone, un satellite tourne sur son axe à une vitesse d’un tour par an, sous l’effet du champ gravitationnel irrégulier de la Terre. Par conséquent, le plan orbital du satellite maintient toujours le même angle par rapport au Soleil. De plus, le satellite traverse l’équateur à la même heure locale lors de chaque orbite. Ainsi, le satellite connaît les mêmes conditions de lumière chaque fois qu’il passe au-dessus d’un point particulier sur la surface de la Terre.

Les missions météorologiques, de télédétection (observation à distance) et de reconnaissance (observation militaire) utilisent donc des orbites héliosynchrones. Cela permet aux satellites de détecter le mouvement en observant les changements dans les ombres.

Une orbite géostationnaire (GEO) correspond à une altitude d’environ 35 700 km. Un satellite en GEO suit l’équateur terrestre au même rythme que la rotation de la Terre. Vu depuis la Terre, le satellite semble stationnaire. Arthur C. Clarke, auteur britannique de science-fiction, a été le premier à proposer l’utilisation de cette orbite par les satellites de communication. Son article a paru dans Wireless World en 1945. C’est pourquoi la GEO est parfois appelée « orbite de Clarke ». La majorité des satellites de communication et de nombreux satellites météorologiques sont placés en orbite géostationnaire.    
 

Depuis le lancement de Spoutnik 1 en 1957, les scientifiques et les ingénieurs ont lancé environ 8 000 objets artificiels dans l’espace. Heureusement pour nous, ces objets n’échappent pas aux lois de la physique. Car grâce à la physique, ils restent dans l’espace au lieu de nous tomber sur la tête!