I- Quel est le
phénomène responsable de la succession jour - nuit
?
1- La Terre est presque libre,...
La Terre est un solide (à peu de choses près !)
en mouvement dans le vide (ou presque !). Elle n'est donc soumise
à aucune force de contact de type réaction du
support (comme un objet posé sur une table), force de
frottement contre des solides ou des fluides,...
Les chocs qu'elle subit actuellement des quelques "grains" de
matière rencontrés ont des directions
aléatoires et ne sont pas suffisants pour modifier son
mouvement. Elle est globalement neutre électriquement et
possède un champ magnétique trop faible pour subir
des forces d'origine électromagnétique.
En bref, la Terre serait parfaitement tranquille si elle
n'était pas soumise à l'attraction gravitationnelle
des autres astres.
2- les forces d'attraction gravitationnelles...
La gravitation est l'interaction la plus "faible" en physique.
En physique classique, elle concerne tous les corps
matériels (ayant donc une masse) et "lie" toute particule
matérielle à toutes les autres particules de
l'univers !
En effet, l'interaction gravitationnelle entre deux corps A et
B de masse ma et mb, distants de d, se traduit par un ensemble de
deux forces d'attraction opposées (même support,
même valeur mais des directions opposées) ce qui
respecte bien le sacro-saint principe de l'action et de la
réaction.
Les forces de gravitation exercées par le corps A sur
le corps B et par le corps B sur le corps A sont des forces
opposées (même direction mais sens opposés),
toujours attractives. La force est proportionnelle à
chacune des masses et décroît rapidement avec la
distance (lorsqu'on double la distance, la force est
divisée par 4). Malgré cette décroissance
rapide, sa portée est infinie et supplante, en
général, à très grande distance, les
autres types de forces.
Ces forces ont pour valeur commune : F= G
x ma x mb / d2 .
La constante G, appelée constante
de Newton, est une des grandes constantes de la physique et
a pour valeur dans le système d'unités de
mesure international (masses en kilogrammes, distances en
mètres, forces en newtons) : G= 6,67. 10-11
(i.e. 0,0000000000667)
Exemple : pour deux corps de 1 kg
placés à une distance de 1 m, la valeur de la
force d'attraction est donc F=0,0000000000667 x 1 x 1 / 12 =
0,0000000000667 N (newtons). Cette attraction est sur Terre
difficile à mettre en évidence puisque
l'ensemble de tous les autres corps constituant le globe et
tout ce qu'il supporte exerce dans le même temps sur
chacun de ces deux corps un ensemble d'autres forces
d'attraction que l'on appelle globalement le poids et dont
la valeur est d'environ 10 N ! Sans parler bien sûr de
toutes les autres forces qui peuvent intervenir et qui sont
toutes bien plus importantes (y compris la résistance
de l'air).
Ce qui est donc remarquable dans
l'attraction gravitationnelle, c'est à la fois sa
faiblesse (G est très petit), sa rapide
décroissance avec la distance (en 1 / d2) et,
toutefois, son champ d'action pratiquement illimité :
la force d'attraction gravitationnelle exercée sur le
système solaire par une étoile du centre de la
galaxie est infinitésimale, c'est pourtant l'ensemble
de ces forces qui explique que le système solaire
reste lié à l'amas galactique
!
3- ...entravent le mouvement de translation ;
Finalement, la Terre, dont la masse est évaluée
à 6.1024 kg, est soumise à
l'attraction de l'ensemble des corps de l'univers, et ceci
d'autant plus qu'ils sont massifs et proches. Chacune de ces
attractions se traduit par une force que l'on peut rapporter au
centre de gravité du globe. Les plus importantes sont dues
à la Lune et au Soleil, puis de manière de plus en
plus faible aux planètes proches, aux planètes
éloignées, aux astéroïdes, aux astres de
notre Galaxie, aux autres galaxies...
Nous nous permettrons de négliger dans la suite toutes
les attractions autres que celles de la Lune et du Soleil ;
elles n'ont qu'un effet très minime, sans
conséquences "visibles" sur les mouvements que nous allons
décrire dans la suite, ou sensible seulement après
des centaines d'années.
4- le mouvement de rotation est un mouvement circulaire
uniforme (vitesse de rotation constante)
Les attractions gravitationnelles modifient le mouvement de
translation de la Terre (nous en verrons les conséquences
dans la suite). En revanche, aucun couple de forces ne modifie son
mouvement de rotation. Lorsqu'on lance, par exemple, une boule de
pétanque en lui imprimant un mouvement de rotation avant de
la lâcher, son mouvement de translation suit les lois de la
chute libre à cause de l'attraction terrestre mais elle
conserve son mouvement de rotation, à vitesse constante,
jusqu'au choc sur le sol.
La rotation du globe autour de son axe s'effectue donc
à vitesse constante.
Ce mouvement de rotation est né des conditions de
formation de la Terre et du mouvement moyen des blocs de
matière qui se sont agglomérés et, une fois
la "toupie" lancée, s'est poursuivi de manière
uniforme en l'absence d'un couple de frottement ou de tout autre
couple de forces (de très légères variations
provenant des marées ont en réalité
été mises en évidence, nous les "oublierons"
bien vite !).
5- sens de la rotation de la Terre autour de son
axe.
Le mouvement apparent du Soleil, bien connu de tous
(?), s'effectue grossièrement d'Est en Ouest au cours de la
journée, ce qui signifie que le mouvement réel de
rotation de la Terre sur elle-même est en sens inverse,
"d'ouest en Est", ce qui en général évoque
bien peu de choses. La formulation suivante est moins
ambiguë :
Si on regarde la Terre tourner en se plaçant
"au-dessus" du pôle Nord, elle tourne dans le sens inverse
des aiguilles d'une montre.
6- Période de rotation
La Terre fait un tour complet sur elle-même en...
presque 24 h ! En réalité, sa période de
rotation est de 23 h 56 mn 4,9 s. La Terre
reprend donc une position identique par rapport à la
"voûte céleste" toutes les 23 h 56 mn 4,9s. Si elle
n'était pas animée d'un autre mouvement par rapport
au Soleil, chaque point du globe repasserait dans la même
position par rapport à la direction Terre - Soleil
(notée T-S dans la suite) toutes les 23 h 56 mn 4,9 s,
cette durée de la journée n'aurait pas manqué
de conduire à une définition de l'heure plus
pratique ! D'où proviennent donc les 4 mn
supplémentaires de nos journées de 24 h ?
7- Origine de la différence de près de 4 mn
entre dure moyenne du jour et période de rotation.
Anticipons un peu sur les explications du II : la Terre
tourne autour du Soleil en 365 jours environ ! Ce mouvement a
comme conséquence de changer la direction T-S de 1/365
ème de tour par jour (environ 1°) en moyenne.
Supposons un instant que la lumière du Soleil devienne plus
faible que celle de la Lune, nous permettant ainsi de voir les
étoiles en plein jour ; une étoile quelconque
visée dans un télescope fixe à un instant
donné redeviendrait visible dans le télescope, dans
une position identique à celle de la veille, toutes les 23
h 56 mn 4,9 s... alors qu'un télescope fixe visant le
Soleil à un instant donné ne le viserait à
nouveau que 24 h plus tard. On remarquerait d'ailleurs très
bien le déplacement apparent du Soleil par rapport aux
étoiles (ce type de manipulation est facile à
réaliser dans un planétarium, pas dans la nature).
Notre rythme de vie étant évidemment plus
conditionné par l'alternance des jours et des nuits que par
la position des étoiles, la période entre deux
passages du Soleil dans le méridien (midis solaires) est
à la base de notre décompte du temps en jours de 24
h.
La révolution de la Terre autour du Soleil "allongeant"
de 4 mn la durée entre deux passages successifs du Soleil
au-dessus d'un méridien, nous allons pouvoir en
déduire le sens de rotation de la Terre autour du
Soleil.
Vous pouvez "vivre" ce schéma en plaçant un objet
quelconque au centre d'un cercle. En tournant sur vous-même
sans vous déplacer, l'objet revient face à vous
après un tour complet. En revanche, si vous tournez
lentement autour de l'objet tout en tournant plus rapidement sur
vous-même, il vous faudra un peu plus (respectivement un peu
moins) d'un tour sur vous-même pour faire face à
l'objet si les deux rotations sont de même sens
(respectivement de sens inverses).