Mécanique (science)
La mécanique (du grec ancien μηχανική (Ï„Îχνη) / mèchanikê (tékhnê), « l'art mécanique »[1]) est une branche de la physique dont l'objet est l'étude du mouvement, des déformations ou des états d'équilibre des systèmes physiques. Cette science vise ainsi à décrire les mouvements de différentes sortes de corps, depuis les particules subatomiques avec la mécanique quantique, jusqu'aux galaxies avec la mécanique céleste.
Jusqu'au XIXe siècle, la notion de mécanique englobait aussi bien l'étude scientifique des corps en mouvement que la théorie des machines. Au XXIe siècle, si la mécanique en tant que science ne perd pas de vue la question de son application pratique, il ne s'agit plus essentiellement d'une activité visant à concevoir des machines.
Histoire
Les fondements de la mécanique, en tant que science et au sens moderne du terme, sont posés par Galilée. Elle n'est alors pas dissociée des arts mécaniques, c'est-à -dire des techniques de construction des machines. En 1559, le mot désigne ainsi « la partie des mathématiques qui a pour objet la connaissance des lois du mouvement et la théorie de l'action des machines »[2]. On désignera un peu plus tard du nom de mécanicien (attesté en 1696) la personne qui « possède la science de la mécanique et celle qui invente, calcule, construit des machines »[2]. Ce n'est qu'au XIXe siècle, à partir de 1840, que ce terme désigne « celui ou celle qui monte et entretient des machines »[2], et que la distinction se fait plus nettement entre la mécanique en tant que science et la mécanique en tant que technique.
Si le mot apparaît à la renaissance dans son sens moderne[3], cette science plonge cependant ses racines en des temps beaucoup plus anciens et son histoire est indissociable de l'astronomie.
Les prémices de la mécanique
Aux origines, la mécanique, qui ne porte pas encore ce nom, regroupe les réflexions, encore d'ordre philosophique ou religieux, visant notamment à expliquer les mouvements des astres. La régularité des mouvements des objets célestes n'échappe pas aux premiers astronomes, qui conçoivent alors le ciel et ses mobiles comme une sorte de gigantesque machine.
La statique d'Archimède
Les contributions d'Archimède à la construction d'une science mécanique, alors encore en devenir, sont absolument fondamentales. Ce sont notamment à partir de ses réflexions sur l'équilibre des corps que Galilée posera les bases de la mécanique moderne. Il ne s'agit pas encore de théorie du mouvement, mais d'une mécanique statique, c'est-à -dire d'une science visant à comprendre l'agencement des corps au repos.
La physique d'Aristote
C'est Aristote qui posera le premier les bases d'une véritable théorie mécanique. Tous les corps de l'univers tirent selon lui l'origine de leur mouvement d'un premier moteur, les mouvements étant transmis par contact. À cela s'ajoute l'idée que les objets se meuvent pour atteindre le lieu propre qui leur est destiné, où ils trouveront l'immobilité.
La théorie du mouvement d'Aristote comporte de nombreuses difficultés dont le Stagirite était bien conscient. L'une des principales portait sur le mouvement de la flèche, dont on ne comprenait pas ce par quoi elle pouvait être portée après avoir été lancée par l'archer. Les idées d'Aristote domineront cependant largement la manière de concevoir le mouvement jusqu'au début du second millénaire, en l'absence de théorie alternative véritablement plus crédible. Il faudra attendre la théorie de l'impetus.
La théorie de l'impetus
La notion d'impetus vise en particulier à répondre aux apories de la théorie d'Aristote. L'impetus est une sorte de vertu motrice qui se consomme et s'épuise à mesure qu'un corps se meut. Bien qu'intuitivement assez proche de la notion d'énergie cinétique, l'impetus en était en fait très éloigné, car elle continuait à porter l'idée de mouvement absolu (et donc l'idée d'une possible immobilité absolue). Dans cette théorie, il y a une différence de nature entre l'objet mobile, porteur d'un certain impetus, et l'objet immobile, sans impetus. Il faut attendre Galilée pour dépasser ces conceptions erronées du mouvement.
La mécanique classique
Reposant sur les acquis de Galilée puis de Newton, la mécanique classique peut s'appuyer sur différents formalismes, notamment ceux de la mécanique analytique. Les notions de lagrangien ou d'hamiltonien y jouent un rôle fondamental.
La mécanique moderne
Au début du XXe siècle, et alors que la mécanique classique semble être un édifice inébranlable, deux théories viennent la remettre radicalement en cause : la mécanique quantique et la mécanique relativiste.
Trois grands domaines
Mécanique classique
La mécanique classique ou la mécanique newtonienne est l'étude des corps en mouvement ou des corps au repos.
Le mot "statique" signifie ici équilibre, le corps ne subit aucune condition dynamique (accélération, force). On peut aussi considérer que deux conditions dynamiques dans lesquelles elles s'annulent sont appliquées sur un corps, alors ce corps est en équilibre.
La statique est l'étude des conditions d'équilibre d'un point matériel où des forces d'équilibre sont appliquées[4].
La mécanique newtonienne est une branche de la physique. Depuis les travaux d'Albert Einstein, elle est souvent qualifiée de mécanique classique. Elle est parfaitement adaptée aux questions "de tous les jours", mais connait des limites pour les cas extrêmes (par exemple pour des vitesses proches de la vitesse de la lumière, pour des objets extrêmement massifs comme les trous noirs, les interactions à l'échelle atomique et subatomique, etc.).
Mécanique relativiste
Pour simplifier, la mécanique relativiste modifie la mécanique classique, en gérant correctement les vitesses proches de celles de la lumière (contrairement à la mécanique classique), et en interdisant les vitesses supérieures à la lumière (qui sont possibles, par théorie, dans la mécanique classique).
Mécanique quantique
La mécanique quantique permet d'expliquer, à l’échelle atomique et subatomique, les phénomènes non explicables par la mécanique classique, comme le rayonnement du corps noir, l'effet photo-électrique, ou l'existence des raies spectrales.
Les grands principes de la mécanique
Principe de conservation de l'énergie
Pour tout objet physique ayant une masse, toute modification de son état entraîne une dépense ou une dissipation d'énergie.
Principe de moindre action
L'idée du principe de moindre action est que tout changement (de direction, de vitesse, etc.) sera réalisé en transférant le moins d'énergie possible d'un système à l'autre, pour réaliser le changement en question.
Autrement dit, ce changement sera celui qui transférera le moins d'énergie parmi tous les changements possibles (principe de moindre action), et ce changement ne transférera pas plus d'énergie que ce qui est strictement nécessaire (premier principe de la thermodynamique), si on néglige les pertes dues au frottements, à la conversion d'énergie, etc. (second principe de la thermodynamique).
Théoriciens de la mécanique
Sous-disciplines
- la mécanique classique, dite aussi newtonienne qui traite de l'étude cinématique (étude du mouvement sans s'intéresser à sa cause), statique et dynamique d'un système, que ce soit un système simple (mécanique du point, mécanique du solide) ou un système complexe (mécanique générale) ;
- la mécanique physique qui étudie les comportements mécaniques de solides indéformables ou de milieux continus : mécanique des fluides ou des solides déformables, avec :
- la mécanique statique qui est la branche de la physique étudiant les systèmes mécaniques au repos dans un repère galiléen ;
- la mécanique céleste qui étudie les mouvements des corps célestes ; on trouve aussi le terme de mécanique spatiale pour désigner l'étude des objets spatiaux tels les satellites artificiels ;
- la mécanique statistique qui étudie des systèmes à grand nombre de composants, par exemple les gaz, composés de milliards de molécules ;
- la mécanique relativiste qui traite les systèmes se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière ;
- la mécanique quantique qui traite du comportement des systèmes physiques à l'échelle des particules ;
- la biomécanique qui traite de la déformation des corps vivants, notamment du corps humain par exemple en situation de chocs (exemple : crash d'un véhicule) ou d'accélérations importantes (exemple : combat aérien) ;
- l'acoustique physique qui est la branche de la mécanique étudiant les petits mouvements de vibration dans les solides, les liquides ou les gaz ;
- la mécatronique qui traite de l'ingénierie d'objets mécaniques actifs, dont la cinématique, les déformations, les comportements dynamiques sont mesurés voire contrôles par des dispositifs électroniques (exemple : capteurs, calculateurs, actionneurs) et numériques (exemple : logiciels).
Les unités de mesure
Les unités du Système international utilisées en mécanique sont principalement :
- La seconde (s) : unité de temps, (pour mesurer des durées)
- Le mètre (m) : unité de longueur (pour mesurer notamment des positions)
- Le mètre par seconde (m/s noté aussi m s−1) : unité de vitesse (pour mesurer l'accroissement de position par seconde)
- Le mètre par seconde carrée (m/s2 noté aussi m s−2) : unité d'accélération (pour mesurer l'accroissement de vitesse par seconde)
- Le kilogramme (kg) : unité de masse et de quantité de matière (exemple : une mole d'eau de masse 18,0 g comprend 6,02 × 1023 molécules H2O
- Le newton (N) : unité de force (exemple : la force exercée par la Terre sur une masse de 1 kg vaut 9,81 N)
- Quand on appuie sur le poussoir de son stylo = 1 N
- Quand on pousse avec le pied sur la pédale de son vélo = 100 N
- Ce que produit un moteur de fusée sur les gaz qu'il éjecte = 10 000 000 N[5]
- Le joule (J) : unité de travail et d'énergie (valant 1 newton mètre (N m) soit une force de 1 N travaillant sur 1 m)
- Le watt (W) : unité de puissance (valant 1 J/s soit un travail de 1 J produit par seconde)
Notes et références
- Informations lexicographiques et étymologiques de « Mécanique » (sens Prononc. et Orth.) dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
- Alain Rey, Dictionnaire historique de la langue française, 1992, p. 1210-1211
- Il est, selon le dictionnaire d'Alain Rey, attesté depuis 1268 comme adjectif caractérisant « les métiers comportant l'usage d'instrument et l'action de la main ». Il est substantivé à partir du XIIIe siècle pour désigner les ouvriers manuels artisans.
- « Mécanique », sur science.ch, (consulté le )
- collection Durandeau, Sciences Physiques 3e, Hachette Éducation
Bibliographie
- Claude Chèze, Mécanique générale - Mécanique du point et du solide, vibrations, chocs, équations de Lagrange - Cours, exercices et problèmes corrigés. Ellipses, 2013.