Données clés
- La gravité fournit l’accélération centripète qui courbe le mouvement orbital.
- Dans l’expérience de pensée du canon de Newton, un projectile lancé à une vitesse suffisante tombe autour de la Terre sans toucher sa surface.
- Un engin spatial reçoit une impulsion initiale d’une fusée et peut utiliser ses propulseurs pour effectuer des ajustements ponctuels.
- Le périapside est le point le plus proche du corps central et l’apoapside, le plus éloigné.
- Augmenter l’énergie à l’apoapside élève le périapside ; l’augmenter au périapside élève l’apoapside.
- Le freinage atmosphérique utilise le frottement de l’atmosphère pour retirer de l’énergie orbitale et économiser du propergol.
Fiches associées
Un engin spatial en orbite n’a pas échappé à la gravité de la planète. La gravité continue d’agir sur lui et lui fournit l’accélération centripète nécessaire pour courber sa trajectoire. Pendant qu’il tombe, sa vitesse le fait également avancer autour du corps central.
La NASA explique ce principe à l’aide de l’expérience de pensée du canon de Newton. L’illustration imagine un canon au sommet d’une montagne extraordinairement haute et simplifie la physique : elle laisse notamment de côté la résistance de l’atmosphère et les limites d’un véritable canon. La mécanique orbitale qu’elle représente, sans ces détails, est valable.
Du projectile à l’orbite
Avec une faible impulsion initiale, le boulet de canon décrit un arc et retombe à une certaine distance. Si sa vitesse augmente, il va plus loin. Avec une vitesse suffisante, il continue de tomber autour de la planète sans toucher sa surface : il a atteint une orbite. Dans l’exemple de Newton, sa trajectoire est une ellipse.
Un engin spatial suit le même principe général : une fusée lui fournit l’impulsion initiale, puis il continue de tomber autour du corps céleste. Les propulseurs permettent d’effectuer des ajustements ponctuels ; ils n’ont pas besoin de rester allumés pour que l’engin reste en orbite.
Gravité et chute libre
Pour suivre une trajectoire courbe, un objet a besoin d’une accélération dirigée vers le centre de cette courbe. En orbite, l’attraction gravitationnelle mutuelle entre le corps central et l’objet fournit cette accélération centripète.
Ainsi, la sensation d’apesanteur à bord ne signifie pas que la gravité a disparu. L’engin et ses occupants tombent ensemble en chute libre, tandis que la gravité continue de courber le mouvement orbital.
Périapside, apoapside et ajustements orbitaux
Sur une orbite elliptique, la distance au corps central varie. Le périapside est le point le plus proche et l’apoapside, le plus éloigné. Ce sont des termes généraux ; des noms spécifiques sont employés selon le corps en orbite, comme périgée et apogée pour la Terre, et périhélie et aphélie pour le Soleil.
L’énergie qu’un engin ajoute ou retire en différents points modifie la forme de sa trajectoire. Selon les explications de la NASA, augmenter l’énergie à l’apoapside élève le périapside ; l’augmenter au périapside élève l’apoapside. Réduire l’énergie en l’un de ces points abaisse l’altitude du point opposé. Ces manœuvres peuvent être réalisées en allumant les propulseurs embarqués.
Il est également possible de retirer de l’énergie orbitale en pénétrant délibérément et avec précaution dans l’atmosphère afin de profiter du frottement. Cette technique s’appelle le freinage atmosphérique ; la NASA indique qu’elle a été utilisée sur Vénus et Mars et qu’elle permet d’économiser du propergol.
Les lois de Kepler et le mouvement orbital
Les lois de Kepler décrivent certaines caractéristiques du mouvement orbital. La première établit que l’orbite de chaque planète est une ellipse dont le Soleil occupe l’un des foyers, sauf si d’autres objets la perturbent. La deuxième relie le mouvement à la vitesse : un objet sur une orbite très elliptique se déplace plus vite lorsqu’il est près du Soleil que lorsqu’il en est loin. La troisième relie la période orbitale au demi-grand axe de l’orbite et aux masses des objets qui tournent l’un autour de l’autre.
L’idée fondamentale de l’expérience de Newton reste utile pour comprendre les vols spatiaux : un objet est en orbite parce qu’il tombe continuellement tout en avançant, et les variations d’énergie peuvent modifier sa trajectoire.
Sources : NASA, « Gravité et mécanique : comment fonctionnent les orbites » ; NASA, « Gravité et mécanique : accélération en orbite et lois de Kepler » ; NASA, « Gravité et mécanique : gravitation ».