Document de cours de référence

3 Les lois du mouvement
3.1 Importance historique des lois du mouvement
Avant d’énoncer et de commenter les lois du mouvement de Newton, il est bon de souligner leur
importance historique en rappelant rapidement les conceptions anciennes sur les causes du mouvement.
La pensée de la fin de l’Antiquité et du Moyen âge était dominée par l’oeuvre d’Aristote
(−384/ − 322), qui couvre tous les domaines d’étude de la nature, de la logique à la zoologie. Une
part importante de l’oeuvre d’Aristote porte sur le mouvement. Mais Aristote traite du mouvement
comme il traite de la zoologie : par une observation soignée des phénomènes, avec un certain sens
de la classification et, surtout, de manière essentiellement qualitative. Il distingue trois types de
mouvement : le mouvement naturel, le mouvement violent et le mouvement volontaire.
Le mouvement naturel se produit lorsqu’un objet tend à rejoindre sa place naturelle dans l’ordre
des choses. Les anciens distinguaient généralement quatre éléments : la terre, l’eau, l’air et le feu.
À chaque élément on associait une sphère et les sphères des quatre éléments étaient imbriquées les
unes dans les autres dans l’ordre ci-haut, la terre étant la plus intérieure. Au delà de la sphère du
feu s’étendaient les sphères célestes, associées aux différents astres. Ainsi, l’explication qu’Aristote
donne à la chute d’une pierre est que celle-ci tend naturellement à rejoindre la sphère de l’élément
terre. La même explication vaut pour l’élévation dans les airs d’une flamme et l’écoulement de
l’eau. D’autre part, Aristote affirme qu’une pierre B, deux fois plus lourde qu’une autre pierre
A, met deux fois moins de temps que A à tomber si on les relâche simultanément d’une certaine
hauteur.
Par contre, le mouvement violent est essentiellement artificiel et temporaire. Une charette qu’on
tire subit un mouvement violent. L’état naturel des objets terrestres étant le repos, une force est
nécessaire pour qu’un objet puisse se déplacer, même à vitesse constante. On a réalisé assez tôt que
ce type d’argument explique assez mal le mouvement d’une flèche qu’un archer décoche : quelle
est donc la force qui fait avancer la flèche dans son vol, alors qu’elle a perdu contact avec la corde
de l’arc? Les aristotéliciens soutiennent que l’air fendu par la flèche effectue un retour par derrière
et pousse constamment la flèche vers l’avant, jusqu’à ce qu’elle s’arrête et tombe par mouvement
naturel. Certains penseurs médiévaux ont fortement critiqué cette explication, en ajoutant que la
flèche recevait une certaine qualité appelée impetus (élan, en français) lors de son lancement et
qu’elle épuisait progressivement cet impetus. La notion d’impetus est proche de notre notion de
quantité de mouvement, mais il lui manque une définition précise, quantitative.
Quant au mouvement volontaire, il est le fruit de la volonté des êtres animés : un animal qui se
déplace, essentiellement. On voit à quel point la classification aristotélicienne du mouvement est
superficielle et peu féconde en explications véritables.
Enfin, soulignons que les anciens, suivant Aristote, traçaient une démarcation claire entre la
physique terrestre et la physique céleste : le mouvement naturel des astres était circulaire et uniforme,
même si plus d’un cercle était nécessaire pour décrire le mouvement d’un astre donné.
Les objets célestes étaient réputés incorruptibles et éternels, alors que les objets terrestres (plus
précisément, ceux du monde dit sublunaire) étaient susceptibles de corruption, de changements.
Résumons ainsi les principales caractéristiques de la physique aristotélicienne :
1. La mouvement est décrit de manière entièrement qualitative, sans faire usage des mathématiques.
Ainsi, le mouvement est régi par des principes vagues et non par des lois physique précises.
2. Le monde sublunaire et le monde céleste sont de natures très différentes.