Qu'est-ce que la première loi de Newton ?

Avant les travaux de Galilée et de Newton, on pensait que les objets ralentissaient à cause d'une tendance naturelle. En ce temps là, on ne prenait pas en compte les forces comme le frottement, la pesanteur ou la résistance de l'air, qui modifient la vitesse des objets sur Terre. Si l'on pouvait observer le mouvement d'un objet dans le vide interstellaire, on observerait la nature de son mouvement sans aucune influence extérieure. On observerait alors qu'un objet ayant une certaine vitesse, la conserve tant qu'il n'est pas soumis à une force qui modifie son mouvement. De même, un objet au repos au fin fond de l'espace reste au repos tant qu'il n'est pas soumis à une force qui modifie son mouvement.

La vidéo ci-dessous montre que dans la station spatiale internationale, les objets restent au repos ou continuent leur mouvement à vitesse constante dans le référentiel de la station tant qu'ils ne sont pas soumis à une force.

La Première loi de Newton décrit le fait que la vitesse d'un objet ne peut être modifiée que par la présence d'une force.

Première loi de Newton : un objet au repos reste au repos ou, s'il est en mouvement, conserve son vecteur vitesse constant, sauf s'il est soumis à une résultante des forces extérieures non nulle.

Les verbes "rester" et "conserver" sont importants car ils traduisent le fait que la nature du mouvement est conservée, il y a en quelque sorte un statu quo sur la nature du mouvement. Cette loi implique qu'il doit y avoir une cause — une résultante des forces extérieures non nulle — pour que le vecteur vitesse varie que ce soit en norme ou en direction. Un objet qui glisse sur une table ou sur le sol ralentit à cause de la force de frottement qu'il subit. En revanche, dans un jeu de hockey sur table à coussin d'air, où le palet, maintenu en l'air par le souffle des petites aérations de la table, n'est pas en contact avec la table, le palet continue son mouvement avec un vecteur vitesse quasi constant tant qu'il n'est pas soumis à une force — comme celle qu'il subit lorsqu'il rebondit sur le bord de la table.

Une force est l'action exercée par un objet sur un autre objet, en le poussant ou le tirant par exemple. L'unité d'une force $F$‍ est le Newton, de symbole $\text{N}$‍.

Une force extérieure a pour origine l'environnement extérieur de l'objet et non pas son environnement intérieur. Par exemple, la force d'attraction gravitationnelle qu'exerce la Terre sur la Lune est une force extérieure pour la Lune. En revanche, l'attraction gravitationnelle qu'exerce le noyau de la Lune sur sa croûte est une force interne pour la Lune. Les forces internes à un objet ne peuvent pas modifier son mouvement global.

La résultante des forces, notée $\mathrm{\Sigma }F$‍, est la somme de toutes les forces s'exerçant sur un objet. Attention, une force $F$‍ est un vecteur, il faut donc faire une addition vectorielle et non la somme des normes pour déterminer la résultante des forces $\mathrm{\Sigma }F$‍.

On considère un objet soumis à une force de 45 Newtons horizontale orientée vers la droite et à une force de 30 Newtons horizontale orientée vers la gauche. La valeur de la résultante des forces selon la direction horizontale est :

On considère que l'axe horizontal est orienté positivement vers la droite.

La première loi de Newton impose que si la résultante des forces agissant sur un objet est nulle ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍), l'accélération de cet objet est nulle elle aussi. Cela n'implique pas forcément que l'objet est au repos, mais plus généralement que son vecteur vitesse est constant. Le vecteur vitesse peut être nul, dans ce cas l'objet est au repos, ou le vecteur vitesse peut être constant de norme non nulle, dans ce cas l'objet a un mouvement rectiligne uniforme.

Sur l'exemple précédent, si la norme de la force orientée vers la gauche avait été de 45 Newtons au lieu de 30 Newtons, la résultante des forces aurait été nulle. Le mouvement de l'objet n'aurait donc pas été modifié : si l'objet avait un vecteur vitesse non nul avant l'application des forces, ce vecteur vitesse resterait constant et l'objet continuerait son mouvement rectiligne uniforme, et si l'objet était au repos initialement, il le resterait après l'application des forces.

La capacité d'un corps à rester au repos ou en mouvement avec un vecteur vitesse constant s'appelle l'inertie. La première loi de Newton s'appelle aussi le principe d'inertie. Par expérience, on sait que certains objets ont plus d'inertie que d'autres : c'est évidemment plus difficile de modifier le mouvement d'un boulet de canon que celui d'un ballon de basket par exemple.

L'inertie d'un objet est quantifiée par sa masse. La masse peut être évaluée en mesurant combien il est difficile d'accélérer un objet. Plus la masse d'un objet est importante, plus il est difficile pour lui d'accélérer.

De manière simplifiée, plus un objet contient de matière, plus sa masse est importante, et plus il est difficile de modifier sa vitesse (plus précisément son vecteur vitesse), c'est à dire de l'accélérer (ou de le ralentir).

Une sonde spatiale dérive rectilignement vers la droite à vitesse constante dans l'espace — loin de toute planète ou étoile qui pourrait avoir une influence — avec ses propulseurs éteints. Comment évolue le mouvement de la sonde si les propulseurs se mettent en marche simultanément générant deux forces de même valeur mais de sens opposés comme montré sur le schéma ?

a. La sonde spatiale poursuit son mouvement rectiligne uniforme.
b. La sonde spatiale accélère
c. La sonde spatiale ralentit et finit par s'arrêter au bout d'un moment.
d. La sonde spatiale s'arrête immédiatement.

La réponse a est la bonne réponse. Selon la première loi de Newton, la résultante des forces doit être non nulle pour modifier la vitesse d'un objet. Ici, les deux forces agissant sur la sonde sont de même valeur mais de sens opposés, la résultante des forces est donc nulle et le vecteur vitesse n'est pas modifiée.

Un ascenseur est tiré verticalement vers le haut à vitesse constante par le câble auquel il est attaché comme montré sur le schéma ci-dessous. Comparer la valeur de la force exercée par le câble sur l'ascenseur, $F_c$‍, avec celle de la force exercée par la Terre sur l'ascenseur (le poids de l'ascenseur), $P$‍, pendant que l'ascenseur monte.

a. $F_c$‍ est plus grande que $P$‍.
b. $F_c$‍ est égale à $P$‍.
c. $F_c$‍ est plus petite que $P$‍.
d. $F_c$‍ peut être plus grande ou plus petite que $P$‍, cela dépend de la masse de l'ascenseur.

La réponse b est la bonne réponse. Si l'ascenseur monte verticalement à vitesse constante, son vecteur vitesse est constant et la résultante des forces qui s'appliquent sur lui doit être nulle. Pour qu'elle soit nulle, il faut que les deux forces se compensent exactement. Comme elles sont de sens opposés sur la verticale, elles doivent avoir la même valeur.

Une sonde spatiale dérive horizontalement vers la droite à vitesse constante dans l'espace — loin de toute planète ou étoile qui pourrait avoir une influence. Quelle serait la trajectoire de la sonde la plus représentative après que son propulseur s'est mis en marche sur une courte période puis éteint, de manière à appliquer momentanément une force dans la direction indiquée dans le schéma ci-dessous ?

a. La trajectoire a.
b. La trajectoire b.
c. La trajectoire c.
d. La trajectoire d.

La réponse c est la bonne réponse. Une fois que le propulseur est éteint, la résultante des forces exercée sur la sonde est nulle. Son vecteur vitesse doit donc être de norme et de direction constantes. Cela correspond à un mouvement rectiligne uniforme. La force verticale à laquelle a été soumise la sonde pendant un court instant n'affecte pas le mouvement de dérive horizontale vers la droite, c'est à dire la composante horizontale du vecteur vitesse. Seule la composante verticale du vecteur vitesse a donc été modifiée, en l’occurrence elle est devenue non nulle. Un vecteur vitesse constant ayant des composantes verticale et horizontale non nulles induit finalement une trajectoire rectiligne oblique.