Galilée invente l'astronomie
Invention de la lunette astronomique, gravitation, relativité
Galilée (1564-1642), savant italien rigoureux né à Pise, astronome et physicien, est le Père de la physique moderne et le premier à utiliser régulièrement les mathématiques pour ses expériences et créations. De 1591 à 1609, il élabore des lois physiques concernant la chute des corps et la relativité de leur mouvement. Il invente l'astronomie par l'observation : grâce à son compas astronomique il mesure la hauteur des étoiles et les distances entre elles, et grâce à sa lunette astronomique grossissant 30 fois, il constate que la voie lactée se compose de nombreuses étoiles invisibles à l’œil nu.
En 1623 il énonce sa théorie corpusculaire de la matière, laquelle, pour les Jésuites, met en cause le dogme de l'Eucharistie, ce qui est le plus grand des sacrilèges.
Expériences de Galilée
1- Expériences dite de la « Tour de Pise »
Cette expérience donne un résultat non seulement incompréhensible mais aussi remarquable car il devient un postulat de la théorie de la relativité générale sous forme de principe d'équivalence entre la masse inerte (inertielle) et la masse gravitationnelle.
Galilée laisse tomber du haut de la tour de Pise (ce lieu étant probablement une légende car Galilée ne cite pas cette tour) des objets tels qu'un boulet de canon et une balle de mousquet de poids très différents mais qui touchent pourtant le sol en même temps. Il démontre ainsi que les notions de masse, de taille et de forme n'interviennent pas dans la chute des corps, et contrairement à ce qu'affirmait Aristote, la vitesse de chute libre est la même pour tous les corps, mais bien évidemment dans le vide, sans les forces de frottement de l'atmosphère.
Ce qui implique l'équivalence entre deux types de masse : la masse gravitationnelle qui représente la sensibilité d'un corps à l'attraction de la gravité, et la masse inerte qui représente la résistance d'un corps à une modification de son mouvement.
A noter que :
- Giambattista Benedetti et Simon Stévinus, ingénieur flamand, avaient déjà constatés en 1553 et 1586 que les objets lancés du haut d'un bâtiment atteignaient le sol en même temps mais sans en donner d'explication.
- Un an après la mort de Galilée, son élève Torricelli, fait cet expérience avec le même résultat, mais avec une pomme et une plume dans une enceinte d'où l'air a été extrait.
- En hommage à Galilée, depuis la Lune lors de la mission Apollo 15 en 1971, David R. Scott laisse tomber une plume de faucon et un marteau. Ceux-ci tombent au ralenti dans un environnement sans atmosphère, donc sans résistance de l'air, et ils atteignent le sol de la Lune en même temps. Scott en conclut devant la caméra que M. Galilée avait raison.
2- Galilée trouve les propriétés essentielles de l'inertie, l'accélération et la gravitation
L'expérience de la chute sur un plan incliné d'une boule qui remonte sur des plans de différentes inclinaisons lui permet d'expliquer le mouvement uniformément accélérés : quelque soit l'inclinaison des plans de remontée, la boule remonte toujours à la même hauteur (donc sur des longueurs de planches différentes) et dans la même temps. Ce qui est bien la preuve que la chute des corps ne s'effectue pas à vitesse constante, mais de façon accélérée et proportionnellement au carré du temps écoulé.
Il utilise des plans de différentes natures et en conclut que la boule finit par s'arrêter d'autant plus vite que le plan est plus rugueux : il découvre que la boule ralentit et s'arrête à cause des frottements sans lesquels les mouvements uniformes accélérés se poursuivraient indéfiniment. Autrement dit, « tout corps possède une inertie qui l'oblige à conserver sa vitesse, à moins qu'une force extérieure, comme celle du frottement, l'oblige à la modifier. »
D'où la notion de force qui modifie le mouvement d'un corps (mouvement et/ou trajectoire) et celle d'inertie qui oblige la boule à conserver sa vitesse donc son mouvement.
Galilée crée ainsi la physique expérimentale dont il explique le principe fondamental d'inertie de la manière suivante :
« si une boule est au repos sur une surface plane parfaitement lisse, elle reste au repos, et si on lui donne une impulsion elle roule indéfiniment avec une vitesse uniforme suivant une trajectoire rectiligne ».
Autrement dit, la boule garde l'énergie de l'impulsion.
En conclusion :
a) Tout corps possède une inertie qui l'oblige à conserver sa vitesse est l'explication du résultat de l'expérience incompréhensible à l'époque de Giordano Bruno : la chute d'un boulet, du haut du mât d'un bateau en mouvement, a lieu au même endroit que si le bateau était à l'arrêt !
C'est en fait l'inertie de la boule qui l'oblige à suivre le mouvement de la Terre.
Cette propriété fait que :
. Newton et Einstein en feront leur principe fondamental,
. le système solaire de Copernic est conforté,
. le principe d'inertie permet, aux jongleurs de récupérer leurs balles, au pizzaiolo de récupérer sa pâte, donc de vivre sur une Terre qui tourne avec des objets qui ne se disséminent pas partout.
b) Une force créant le changement de vitesse d'un corps est à l'origine de la notion d'accélération. Galilée n'a pas la possibilité de le démontrer avec les mathématiques de l'époque, mais Kepler et Newton seront en mesure de le faire plus tard.
3- Relativité des mouvements
En 1632 Galilée confirme l'idée de Giordano Bruno : « dans un repère en déplacement rectiligne uniforme (à vitesse constante) les lois des mouvements sont les mêmes que si le repère était fixe, et l'observateur peut croire qu'il est immobile » : il s'agit de la relativité des mouvements.
Galilée en définit le principe dans un système de coordonnées orthogonales euclidien, appelé « référentiel galiléen », animé d'un mouvement uniforme, rectiligne et parallèle à un autre référentiel galiléen. Pour Galilée, l'état d'immobilité ou de mouvement rectiligne uniforme apparaissent équivalents : l'explication de cette équivalence tient dans l'inertie du corps vu comme sa propriété à résister à toute force tendant à le mettre en mouvement ou à le dévier d'une trajectoire rectiligne à vitesse uniforme.
Aujourd'hui, ce principe est illustré par l'expérience d'une personne assise dans un train. Elle ne peut dire, pendant un instant, si c'est son train qui a démarré ou l'autre du quai voisin. On parle de relativité car on n'a pas la même perception d'un phénomène si on est dans un référentiel ou un autre.
Les mouvement sont dits inertiel dans des repères où le mobile est fixe ou en mouvement uniforme. On parle donc de référentiel inertiel ou Galiléen qui permet à Galilée d'énoncer le principe de la composition des vitesses :
V = V1 + V2
avec
V1 = vitesse dans le référentiel 1
V2 = vitesse dans le référentiel 2 qui se déplace dans 1e référentiel 1.
4- Lunette astronomique et voie lactée
A partir d'une découverte d'un hollandais, Galilée a l'idée de mettre au point une lunette astronomique qui va bouleverser la vision de l'Univers. Cette lunette permet à Galilée de faire un grand nombre de découvertes dont les montagnes sur la lune, 4 satellites en orbite autour de Jupiter appelés aujourd'hui « satellites galiléens », les milliers d'étoiles de la voie lactée et les tâches sombres sur le Soleil (tâches solaires) qui dérangeront la majorité des savants de l'époque, lesquels ne pouvaient pas admettre que le Soleil, (corps parfait selon Aristote et son système géocentrique), possède des tâches !
Toutes ces observations vont pourtant dans le sens du système héliocentrique de l'Univers de Copernic : Soleil immobile et planètes dont la Terre, tournant autour de lui, avec une profonde unité du monde terrestre et céleste.
En 1632, Galilée publie son grand livre « Dialogue sur les grands systèmes du monde » dans lequel il démontre que les défenseurs de l'Univers géocentrique sont des simples d'esprit ! L’Église – qui a brûlée Giordano Bruno sur le bûcher, déjà ordonné à Galilée de ne parler que d'hypothèses, et banni le système héliocentrique de Copernic détrônant l'Homme du centre de l'Univers – déclare que Galilée s'oppose à la Bible, et met son livre à l'index jusqu'en 1853 ! (alors que le Pape annule le décret interdisant l'héliocentrisme en 1822). Il doit abjurer pour ne pas finir sur le bûcher comme Giordano Bruno, et est mis sous résidence surveillée jusqu'à sa mort.
5- L'infini
En ce qui concerne l'infini, Galilée considère que la question relève de la métaphysique et qu'elle ne peut être résolue par la science.
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