Mouvements orbitaux

Types de mouvements orbitaux

Il existe quelques types différents de mouvements orbitaux dont nous pouvons parler. Dans cet article, nous allons considérer les orbites circulaires et les orbites elliptiques non circulaires. Les orbites circulaires ont, comme tu le devines d'après leur nom, la forme d'un cercle. En revanche, les orbites elliptiques non circulaires ont la forme d'une ellipse écrasée dans une direction. Tu peux considérer une orbite elliptique comme une orbite circulaire écrasée.

La principale différence entre les orbites circulaires et non circulaires, dans ce cas, est le fait que les orbites circulaires ont un rayon orbital constant, alors que les orbites non circulaires auront une distance à l'objet orbité qui varie avec le temps et l'endroit.

La physique des orbites circulaires

Pour comprendre le mouvement orbital, nous devons comprendre comment fonctionne la physique d'une orbite circulaire. La première chose à noter concernant une orbite circulaire est que la vitesse de l'objet en orbite reste constante. Nous allons utiliser le diagramme ci-dessous pour nous aider à comprendre la physique d'une orbite circulaire autour du Soleil.

Fig. 1 : Démonstration d'une orbite circulaire.

Ce diagramme montre la Terre à deux endroits au cours de son orbite autour du Soleil : \N( E_1\N) et \N( E_2\N). À l'endroit \N(E_1\N), la Terre a une vitesse de \N(v_1\N). Cependant, lorsqu'elle se trouve au point \N(E_2\N) de son orbite, sa vitesse a changé pour devenir \N(v_2\N). Cela se produit parce que la vitesse est une quantité vectorielle et que la Terre ne se déplace pas en ligne droite : sa vitesse doit changer entre les points \(E_1\) et \(E_2\). Comme nous l'avons dit plus haut, la vitesse de la Terre reste cependant constante : les amplitudes des vitesses \(v_1\) et \(v_2\) sont les mêmes.

Qu'est-ce qui se passe alors ? Eh bien, un changement de vitesse signifie qu'une chose est en train de se produire : l'accélération. Dans le cas de la Terre en orbite autour du Soleil, la Terre accélère parce qu'elle est sous l'influence de l'attraction gravitationnelle du Soleil. La force d'attraction due à la gravité est représentée par \(F_1\) et \(F_2\) dans le diagramme ci-dessus, et cette force fait que la Terre accélère et change donc la direction de sa vitesse, en suivant sa trajectoire orbitale (circulaire).

Orbites elliptiques/non circulaires

Une orbite elliptique est un type d'orbite non circulaire. Jette un coup d'œil au GIF ci-dessous pour comprendre un peu le fonctionnement d'une orbite elliptique, puis nous l'expliquerons un peu plus en détail.

Fig. 2 : Exemple d'orbite elliptique.

Dans le GIF ci-dessus, tu devrais pouvoir voir que du côté de l'orbite le plus proche de la planète, l'objet se déplace plus rapidement, contrairement à la fin de l'orbite la plus éloignée de la planète, où il se déplace plus lentement. Comme nous l'avons dit plus haut, les planètes tournent autour du Soleil en suivant un mouvement elliptique, mais les orbites ne sont pas aussi extrêmes que celle montrée dans ce GIF. Comme les orbites des planètes sont suffisamment proches pour être des cercles, nous pouvons traiter les orbites comme telles dans les cours de physique du GCSE.

Exemples de mouvements d'orbite

Il y a beaucoup d'objets différents dans le système solaire, et la plupart d'entre eux sont en orbite autour d'un autre objet. Il y a une règle principale que nous devons garder à l'esprit : un objet plus grand ne peut pas être en orbite autour d'un objet plus petit. Rappelle-toi que le Soleil ne tourne pas autour de la Terre, mais que c'est la Terre qui tourne autour du Soleil !

Les principaux objets célestes que nous allons continuer à étudier sont les planètes, les lunes et les comètes. Chacun de ces objets a une forme de mouvement orbital légèrement différente, avec des longueurs d'orbite et des vitesses différentes.

Orbites des planètes

Toutes les planètes ont des propriétés orbitales très similaires et présentent donc des mouvements similaires. Chaque planète a une orbite légèrement non circulaire autour du Soleil, mais pour des raisons de calcul, nous considérons que leurs orbites sont circulaires. Il est également important de noter que toutes les planètes du système solaire orbitent autour du Soleil dans la même direction, ainsi que dans des plans à peu près identiques. En d'autres termes, si tu regardes le système solaire de côté, tu verras que toutes les planètes tournent autour de l'équivalent de l'équateur du Soleil.

Il existe cependant des différences entre les orbites des planètes ! Elles ont toutes un rayon orbital différent, ce qui signifie qu'elles se trouvent toutes à une distance différente du Soleil. Plus une planète est proche du Soleil, plus elle se déplace rapidement et, par conséquent, moins elle met de temps à orbiter.

Orbites des lunes

Les lunes suivent la plupart des mêmes règles que les planètes en orbite autour du Soleil, sauf qu'elles sont en orbite autour des planètes. Les principales différences sont qu'elles n'orbitent généralement pas le long du même plan et que certaines d'entre elles ont des orbites très peu circulaires. Encore une fois, dans le cas des orbites circulaires, le rayon orbital détermine la vitesse ou la lenteur de l'orbite d'une lune, les orbites plus proches étant plus courtes dans le temps avec une vitesse plus élevée.

Orbites des comètes

Certaines comètes sont en orbite autour d'une étoile, c'est pourquoi nous parlerons de ces comètes. L'orbite d'une telle comète est généralement très elliptique, en d'autres termes, l'orbite est étirée, ce qui a des effets très intéressants sur le mouvement de la comète. La nature étirée de l'orbite d'une comète entraîne des changements de vitesse extrêmement importants lorsque la distance de la comète par rapport au Soleil change. À son point le plus éloigné du Soleil, la comète sera la plus lente, et à son point le plus proche du Soleil, la comète sera la plus rapide. En plus de cela, toutes les comètes n'orbitent pas dans le même plan ni même dans la même direction, elles partent dans tous les sens !

Fig. 3 : L'orbite elliptique d'une comète.

Mouvement orbital des galaxies

Comme nous l'avons vu, beaucoup d'objets célestes ont une forme de mouvement orbital, car ils interagissent avec quelque chose d'autre. C'est également le cas des galaxies, des groupes massifs d'étoiles réunis autour d'un centre galactique qui exerce généralement une attraction gravitationnelle extrêmement forte. Regarde la photo de la Voie lactée ci-dessous, prise par le satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne, et remarque que la majorité des étoiles sont regroupées le long de la ligne centrale de l'image. C'est ce qu'on appelle le plan galactique et, comme nous pouvons le voir, la plupart des étoiles gravitent autour du centre galactique le long de ce plan.

Fig. 4 : Panorama de la Voie lactée.

Stabilité du mouvement orbital

Considérons un satellite en orbite autour d'une planète. Pour qu'il reste sur une orbite circulaire stable, la vitesse du satellite doit être d'une certaine valeur. Si la vitesse du satellite est trop faible, il retombera vers la Terre, et si la vitesse du satellite est trop élevée, il partira dans l'espace, loin de l'attraction terrestre.

Calcul de la vitesse orbitale

La vitesse de l'orbite d'un satellite peut être calculée en suivant quelques étapes. La première étape consiste à calculer la distance parcourue en une orbite. Cette distance est calculée à l'aide de l'équation suivante

\[\N-ébauche}d=2\pi r, \N-(\text{distance}=2\pi\N fois\text{radius})\N- fin{collecte}\N]

où \(d\) est la distance parcourue par l'objet et \(r\) est le rayon de l'orbite. La deuxième étape consiste à calculer la vitesse moyenne à l'aide de l'équation suivante :

\[v_\text{average}=\frac{d}{T}.\]

Dans ce cas, la durée \(T\) correspond au temps qu'il faut au satellite pour parcourir une seule orbite.