Simulation des effets de la gravitation
L’étude du mouvement balistique d'un objet de faible masse lancé dans le champ de pesanteur d'un astre (Terre, Soleil, Jupiter ...) permet d’observer les types de trajectoires : cercle, ellipse, hyperbole, parabole. On peut aussi reproduire le mouvement de corps célestes connus, tels celui de la Lune autour de la Terre, celui de la Terre ou d'une autre planète autour du Soleil, celui des satellites de Jupiter, etc.
Les trois lois de Kepler sont visualisées dans les meilleures conditions. Les notions de force et d'accélération centripètes, que les élèves ont souvent bien du mal à comprendre, apparaissent ici d'une manière très frappante.
L'action à distance de la force de gravitation, quant à elle, est particulièrement bien illustrée par la simulation du ''problème à N corps''. Il s'agit de l'étude des mouvements de N corps célestes de masses proches, laissés à eux-mêmes, sous l'effet des champs de gravitation qu'ils exercent les uns sur les autres. La résolution théorique de ce problème, quand N est plus grand que 2, est extraordinairement compliquée. Le mouvement de chacun des corps célestes modifie constamment la configuration du champ de gravitation agissant sur tous les autres, ce qui transforme les calculs de trajectoire en un casse-tête quasi insoluble. Seule la simulation sur ordinateur permet une approche de la solution et le résultat est un imprévisible ballet tout à fait fascinant. Ce qui est remarquable alors, c'est l'impression que l'on a de ''sentir'' l'action de la gravitation. On visualise aussi très bien le principe de conservation de la quantité de mouvement.
Gravilab permet également de simuler l'expérience de Cavendish concernant la détermination de G, sans appareillage délicat et en un temps raisonnablement court. L'expérience sera d'autant plus intéressante qu'elle sera réalisée par les élèves eux-mêmes, de manière différente sur chacune des machines, car plusieurs paramètres de départ sont définis aléatoirement. L'ordinateur se chargera aussi de guider le travail et de mémoriser les mesures.
Gravilab a été testé à plusieurs reprises en classe et a été chaque fois modifié en fonction de l'expérience acquise. Ce logiciel est auto-documenté (documentation à plusieurs niveaux, accessible à tout moment) et contient un questionnaire-guide de travail, ce qui permet de le confier pratiquement sans préparation aux mains des élèves, lesquels travailleront de préférence par groupes de deux.
La convivialité du programme a été particulièrement soignée : pour définir une vitesse, par exemple, on fournit sa valeur numérique et puis on fait tourner le vecteur (que l'on voit à l'écran), jusqu'à atteindre l'orientation souhaitée. Cela simplifie et agrémente la tâche de l'élève, lui permettant donc de concentrer son attention sur les concepts les plus importants.
Auteur : Gérard SWINNEN
Les 3 lois de Kepler sont visualisées dans les meilleures conditions. Les notions de force et d'accélération centripètes apparaissent ici d'une manière très frappante. Il est possible aussi d'expérimenter l'action à distance de la force de gravitation et de simuler l'expérience de Cavendish concernant la détermination de G.
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