De la mécanique galiléenne à la révolution newtonienne

Mécanique galiléenne : Le dépassement d'Aristote

Les historiens des sciences disent que Galilée a été le premier à étudier la mécanique sans présupposés et totalement hors des régimes aristotéliciens.

Aristote a abordé le problème du mouvement (ou changement) d'une manière qualitative. Pour comprendre cette déclaration, nous ne devons pas oublier qu'il a développé une ontologie double, où la région supralunaire et la région terrestre, composées d'éléments différents, sont régies par des lois physiques distinctes. Ainsi, la région supralunaire est faite du cinquième élément, l'éther, qui est immuable. La région terrestre, quant à elle, contiendrait un sujet universel, ou matière première, capable d'adopter différentes formes. Ces formes changent grâce à l'intervention de quatre qualités de base : le froid, le chaud, le sec et l'humide. Cette région terrestre, contrairement à la supralunaire, serait soumise à des changements continuels, des transformations et des mouvements, où les formes (potentielles) constituent la matière (actualisée).

Le concept de mouvement chez Aristote

Le terme « mouvement », pour Aristote, signifiait changement et transformation. Aristote distingue deux types de mouvements :

• Le mouvement violent : il oblige le corps à quitter sa place naturelle ou à se déplacer dans une direction autre que verticale. Il nécessite un moteur (cause externe) en contact permanent avec l'objet mobile ; une fois le contact perdu, le mouvement cesse.
• Le mouvement naturel : il correspond à la tendance de tous les corps à occuper leur place naturelle (identifié à la chute des corps). Galilée a réfuté cette explication, notamment par la démonstration de la tour de Pise, pour aboutir à la loi de la chute des corps.

L'alternative galiléenne

L'approche galiléenne a consisté à utiliser le principe hydrostatique d'Archimède comme modèle pour combiner les facteurs de la dynamique. La conclusion est que les corps homogènes tombent à la même vitesse, car les différences de gravité, proportionnelles aux volumes, sont compensées par une force en relation stricte avec ces volumes. Ainsi, dans les Discorsi, Galilée pose les fondations de la nouvelle mécanique :

L'explication aristotélicienne de la chute libre des corps et la loi associée subissent un sérieux déclin. Bien que ce soit la première loi de la physique classique, il faudra attendre Newton pour comprendre pourquoi les corps tombent. Dans cette loi, nous trouvons des raisons impérieuses de considérer Galilée comme le père de la science classique :

Pour la première fois, le mouvement est la suite d'une force immergée dans le mobile. Cette démarche ne nécessite plus une cause externe pour le maintenir ; il peut se poursuivre indéfiniment dans l'espace galiléen géométrisé. C'est le chemin vers le principe d'inertie. La vitesse d'une chute, par ailleurs, n'est pas uniforme mais uniformément accélérée, soumise à une loi mathématique : la vitesse augmente avec le temps et non avec la distance.

La mécanique newtonienne : Un pas de géant

Comme Bernard Cohen l'explique dans son livre La révolution newtonienne (1980), Newton a révolutionné la mécanique. Il a radicalement restructuré les principes et les concepts de mouvement autour de la masse, de l'accélération et de la force, tout en développant un nouveau système du monde où la gravitation universelle est la force motrice et l'inertie une propriété essentielle de la matière.

Mais dans quel environnement la science newtonienne a-t-elle été forgée ? Newton a été formé parmi les néoplatoniciens de Cambridge, face à la philosophie cartésienne qui dominait alors l'Europe continentale.

L'objectif de Newton était similaire à celui de Galilée, mais avec la différence qu'il a su mener le projet à son terme.

Les Principia et les lois du mouvement

Newton a construit un cadre déductif axiomatique euclidien, capable de déduire mathématiquement l'ensemble des opérations de la nature à partir de concepts et de lois fondamentales. Ainsi, les Principia commencent par une série de définitions des grandeurs physiques (force, force d'inertie, force centripète...) puis énoncent les trois lois du mouvement :

• 1. La loi d'inertie : tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite, à moins d'être contraint de changer d'état par l'action d'une force.
• 2. La loi fondamentale de la dynamique : elle établit la relation entre la force exercée sur un corps et le changement de mouvement qui en résulte.
• 3. Le principe d'action-réaction : il affirme l'impossibilité de l'existence d'une force unique sans une force opposée.

Newton a introduit deux types de forces : la force innée de l'inertie et la force imprimée qui modifie l'état du corps.

La loi de la gravitation universelle est une loi particulièrement puissante pour expliquer des phénomènes aussi divers que la chute des objets, le mouvement de la Lune et des planètes ou les marées. Elle est énoncée comme suit : Deux corps s'attirent en tout point avec une force proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de leur distance.