Qu'est-ce qu'un référentiel ?

étude cinématique*
*partie de la mécanique qui étudie le mouvement

Référentiel = Repère

Un référentiel est un système de coordonnées spatiales ou un repère qui permet de décrire et d'analyser le mouvement ou la position d'un objet dans l'espace.

Il s'agit souvent d'un lieu, d'un point, ou de plusieurs points fixes par rapport auxquels on peut observer le mouvement d'autres objets.

Le concept de référentiel est particulièrement utile dans le domaine de la mécanique, et plus spécifiquement dans l'étude cinématique, qui se focalise sur l'étude du mouvement indépendamment des forces en jeu.

Pour illustrer ce qu'est un référentiel, prenons un exemple simple :

une personne assise dans un train en mouvement qui jette une balle en l'air.

Pour cette personne, le train constitue le référentiel, et la balle semble monter et descendre verticalement par rapport à ce référentiel.

Cependant, pour un observateur à l'extérieur du train, la trajectoire de la balle sera courbée, car son référentiel est différent, à savoir la Terre.

Ce concept trouve des applications variées, mais il est particulièrement essentiel en astronomie. Les mouvements célestes, comme le mouvement d'un astre autour d'un autre, sont souvent complexes et dépendent du choix du référentiel.

Un référentiel permet donc de simplifier l'observation de ces mouvements et de rendre possible leur étude et leur compréhension.

 

 

Il existe plusieurs types de référentiels en astronomie.



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Le référentiel terrestre

les mouvements à la surface de la Terre

Depuis un lieu sur Terre, pour observer une potition, et les axes qui vont servir de repère se déplacent avec la rotation de la Terre.

Le référentiel terrestre est un système de coordonnées spatiales utilisé pour décrire la position d'objets à la surface de la Terre.

Ce système est basé sur les coordonnées géographiques, qui utilisent des degrés de latitude et de longitude pour décrire la position d'un point sur la surface terrestre.

La latitude indique la distance en degrés au Nord ou au Sud de l'équateur, tandis que la longitude mesure la distance en degrés à l'Est ou à l'Ouest du méridien de Greenwich, qui est le méridien zéro.

Ce type de référentiel est fondamental pour de nombreuses applications pratiques telles que la navigation maritime, la cartographie, et les systèmes de positionnement global (GPS). Par exemple, c'est grâce au référentiel terrestre que les systèmes GPS sont en mesure de fournir des informations de localisation précises.

Il est important de noter que dans ce référentiel, les axes utilisés pour établir les coordonnées se déplacent en synchronisation avec la rotation de la Terre. Cela signifie que les objets semblent se déplacer d'une manière qui est cohérente avec la rotation de la Terre, ce qui est particulièrement utile pour des applications terrestres.

Illustrons cela :

Imaginons que vous lancez une balle en l'air et que vous la rattrapez. Pour vous, il semble que la balle monte et redescend en ligne droite. Mais en réalité, parce que la Terre tourne, la balle effectue également un petit déplacement horizontal en plus de monter et descendre.

Si vous étiez un observateur situé en dehors de la Terre (disons, sur la Lune), vous verriez la balle faire une trajectoire légèrement courbée à cause de la rotation de la Terre.

Mais pour vous, sur Terre, cela ne fait aucune différence. Pourquoi ? Parce que vous, la balle, et tout ce qui vous entoure sur la surface de la Terre, tournez ensemble.
Dans le référentiel terrestre, les calculs sont ajustés de manière à ignorer cette rotation. Donc, pour tous les objets et les mesures faites sur la Terre, il semble que tout se déplace comme si la Terre était stable.

L'effet de la rotation est là, mais il est « annulé » dans vos observations et mesures parce que vous êtes vous-même en mouvement avec la Terre. C'est comme si vous étiez dans un train en mouvement en train de jouer à la balle. Pour vous, dans le train, la balle semble monter et descendre en ligne droite parce que vous et la balle vous déplacez à la même vitesse que le train.

Le référentiel géocentrique

le mouvement de la lune ou des satellites artificiels de la Terre

Le référentiel est le centre de la Terre qui pointe vers trois étoiles aux angles distants.


Le référentiel géocentrique est un système de coordonnées spatiales qui utilise le centre de la Terre comme point de référence fixe pour décrire la position des objets dans l'espace.

Ce système est essentiellement employé dans les domaines de l'astronomie et de la physique céleste pour étudier les mouvements de corps célestes comme la Lune, les satellites artificiels et les astéroïdes.

Dans ce référentiel, on utilise souvent des coordonnées de distance mesurées en unités comme les mètres ou les unités astronomiques pour indiquer la position d'un objet par rapport au centre de la Terre.

En complément, des angles tels que l'azimut et l'élévation peuvent être utilisés pour décrire la position d'un objet dans le ciel.

Illustrons avec un exemple :

Supposez que vous observez un satellite artificiel en orbite autour de la Terre. Pour décrire sa position, vous pourriez utiliser des coordonnées géocentriques qui indiquent sa distance exacte par rapport au centre de la Terre et les angles par rapport à l'équateur et au méridien de Greenwich.

Maintenant, pensez à un observateur situé au centre de la Terre (en supprimant tous les obstacles physiques, bien sûr). Pour cet observateur, le satellite suivrait une trajectoire précise dans le ciel, un cercle ou une ellipse, par exemple. L'observateur pourrait utiliser les angles d'élévation et d'azimut pour suivre ce mouvement.

Le référentiel géocentrique offre ainsi un cadre stable et fixe qui est particulièrement utile pour les observations et calculs en astronomie et en physique céleste. Il permet de simplifier les équations de mouvement et de fournir une base solide pour comprendre comment les objets se déplacent dans l'espace par rapport à la Terre.

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Azimut

L'azimut et l'élévation sont deux angles qui servent à décrire la position d'un objet dans le ciel par rapport à un point d'observation sur la Terre. Ces deux mesures sont souvent utilisées en astronomie, en navigation, en géodésie et dans d'autres domaines qui requièrent une localisation précise des objets célestes ou terrestres

L'azimut est l'angle mesuré en degrés sur le plan horizontal à partir d'un point de référence, généralement le nord géographique, jusqu'à la projection de l'objet observé sur ce même plan. L'azimut varie de 0 à 360 degrés. Par exemple,

  1. un azimut de 0 degrés indique que l'objet est en direction du Nord,
  2. un azimut de 90 degrés signifie que l'objet est en direction de l'Est
  3. Un azimut de 180 degrés indique que l'objet est en direction du Sud.
  4. Un azimut de 270 degrés signifie que l'objet est en direction de l'Ouest.

 

  • l'angle d'azimut décrit l'angle de l'objet par rapport aux 4 points cardinaux.

Élévation

L'élévation, aussi appelée altitude angulaire, est l'angle mesuré en degrés sur le plan vertical entre l'horizon et la ligne de visée entre l'observateur et l'objet. L'élévation varie de 0 à 90 degrés.

  1. Une élévation de 0 degré indique que l'objet est situé sur l'horizon,
  2. tandis qu'une élévation de 90 degrés signifie que l'objet est directement au-dessus de l'observateur (au zénith).
  • l'angle d'élévation décrit la hauteur de l'objet au dessus de l'horzon.

Exemple pour clarifier

Imaginons que vous cherchez à observer une étoile dans le ciel nocturne. Vous utiliseriez un azimut pour déterminer dans quelle direction regarder (par exemple, "30 degrés à l'est du nord"). Ensuite, vous utiliseriez l'élévation pour déterminer à quelle hauteur dans le ciel vous devriez chercher (par exemple, "45 degrés au-dessus de l'horizon"). Ensemble, ces deux mesures vous donneraient une position très précise de l'étoile par rapport à votre point d'observation.

Autre mesures :

 

Angle d'Ascension Droite

L'angle d'ascension droite (ou AD) est une mesure qui sert à localiser la position d'un objet céleste dans le ciel par rapport à l'équateur céleste.

Cette mesure est effectuée le long de l'équateur céleste, en partant du point vernal et en se déplaçant vers l'est.
L'ascension droite est mesuré en heures, minutes et secondes, et varie de 0 à 24 heures. Ce système permet de définir la position d'un objet céleste par rapport à l'équateur céleste.

  1. Une ascension droite de 0 heures indique que l'objet céleste se trouve au point vernal.
  2. Une ascension droite de 6 heures signifie que l'objet est à un quart de la distance totale autour de l'équateur céleste depuis le point vernal, se dirigeant vers l'est.
  3. Une ascension droite de 12 heures d'ascension droite, l'objet serait à l'opposé du point vernal sur l'équateur céleste.
  4. Une ascension droite de 18 heures, il serait à trois quarts du chemin autour de l'équateur céleste, toujours en se déplaçant vers l'est depuis le point vernal.
  5. Une ascension droite de 24 heures, revient au point vernal, complétant un cercle complet.
  • l'angle d'ascension droite décrit l'angle de l'objet par rapport à l'équateur céleste.

Exemple pour clarifier

Prenons l'étoile Sirius comme exemple. Son angle d'ascension droite est d'environ 6 heures 45 minutes. Cela signifie que si vous étiez à observer le ciel équatorial, vous trouveriez Sirius en positionnant votre télescope à 6 heures 45 minutes à l'est du point vernal. Cette mesure vous donne la "longitude céleste" de Sirius et vous aide à la localiser précisément dans le ciel.

Dans le système de coordonnées équatoriales, l'angle d'ascension droite est souvent utilisé en combinaison avec la déclinaison, qui est l'équivalent de la latitude terrestre, pour donner une position complète de l'objet céleste. Ainsi, tout comme vous utiliseriez la longitude et la latitude pour trouver un point précis sur la Terre, vous utiliseriez l'ascension droite et la déclinaison pour localiser un objet dans le ciel.

 

Déclinaison

La déclinaison est un système de coordonnées équatoriales en astronomie qui mesure l'angle entre un objet céleste et le plan de l'équateur céleste. Elle indique la « hauteur » de l'objet par rapport à l'équateur céleste.

Elle est l'équivalent céleste de la latitude terrestre et indique à quelle distance un objet céleste est situé au nord ou au sud de l'équateur céleste.

La déclinaison est mesurée en degrés, minutes et secondes d'arc, allant de +90 degrés à -90 degrés.

  1. Une déclinaison de +90 degrés signifierait que l'objet est directement au-dessus du pôle nord céleste ,
  2. tandis qu'une déclinaison de -90 degrés indiquerait qu'il est directement au-dessus du pôle sud céleste .

Exemple pour clarifier

Prenons l'étoile Polaire (Polaris) comme exemple. Elle a une déclinaison d'environ +89 degrés, ce qui signifie qu'elle est presque directement au-dessus du pôle céleste nord. C'est la raison pour laquelle, si vous êtes dans l'hémisphère nord, vous pouvez la voir pratiquement au-dessus du pôle Nord géographique.

La déclinaison est souvent utilisée conjointement avec l'angle d'ascension droite pour localiser précisément un objet céleste. En utilisant ces deux coordonnées, vous pouvez pointer un télescope vers n'importe quel point du ciel avec une grande précision. Tout comme la longitude et la latitude vous aident à trouver un point spécifique sur la Terre, l'ascension droite et la déclinaison vous permettent de localiser n'importe quel objet dans le ciel équatorial.

Le référentiel héliocentrique

le mouvement des planètes autour du soleil,

Le référentiel est le centre du Soleil qui pointe vers trois étoiles aux angles distants.

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Notez que le choix d'un système de coordonnées est dépendant de la tâche spécifique pour laquelle il est utilisé.

Le référentiel héliocentrique est un système de coordonnées spatiales où le Soleil est considéré comme le point central immobile, et tous les autres objets célestes, y compris les planètes, les lunes et les astéroïdes, sont en mouvement par rapport à ce centre.
Ce référentiel est particulièrement utile pour étudier les mouvements et les interactions au sein du système solaire. Il permet, par exemple, de mieux comprendre les orbites des planètes autour du Soleil, les comètes entrant dans le système solaire, ou encore les phénomènes comme les éclipses solaires.

Il permet de décrire les positions des planètes et des corps célestes qui gravitent autour du Soleil.

Il est souvent utilisé pour les calculs de trajectoires et de perturbations des corps célestes dans le système solaire.

Dans le référentiel héliocentrique, les coordonnées sont généralement exprimées en termes de distance radiale depuis le Soleil, d'angle de longitude héliocentrique et d'angle de latitude héliocentrique. Ce système est très utilisé en astronomie pour effectuer des calculs et des modélisations plus précises de phénomènes célestes, par rapport aux systèmes géocentriques ou terrestres.

Ce référentiel offre une vue « globale » des mouvements dans le système solaire, permettant de simplifier de nombreux calculs et modèles.
Par exemple, dans ce référentiel, les lois de Kepler sur les mouvements planétaires sont plus facilement applicables.

La distance radiale depuis le Soleil est juste la distance en ligne droite entre un objet dans l'espace, comme une planète, et le Soleil. C'est comme mesurer la distance entre deux villes en utilisant une règle sur une carte, sans prendre en compte les courbes ou les déviations.

Dans l'espace, la distance entre deux objets comme le Soleil et une planète est généralement mesurée en ligne droite pour simplifier les calculs. Cependant, il est vrai que ces objets ne se déplacent pas en ligne droite l'un par rapport à l'autre; leurs mouvements sont plutôt des orbites courbes autour d'un centre de masse commun.

Dans de nombreux cas, la distance radiale (en ligne droite) est suffisamment précise pour des applications pratiques ou des calculs approximatifs. Mais pour des mesures plus précises, comme celles nécessaires en astrophysique ou en mécanique céleste, d'autres facteurs tels que la gravité, la vitesse relative et les forces en jeu doivent être pris en compte pour obtenir des résultats plus exacts.


L'étude des mouvements

L'étude des mouvements, aussi appelée dynamique en physique, est la branche de la science qui s'intéresse aux lois régissant le mouvement des objets. Elle prend en compte divers paramètres comme la vitesse, l'accélération, la force, la masse et la trajectoire pour comprendre comment et pourquoi les objets se déplacent comme ils le font.

Il existe plusieurs types de mouvements, parmi lesquels :

Mouvement Rectiligne Uniforme (MRU) : Il s'agit d'un mouvement en ligne droite à vitesse constante. Dans ce cas, l'accélération est nulle.

Mouvement Rectiligne Uniformément Accéléré (MRUA) : Ici, l'objet se déplace en ligne droite mais avec une accélération constante, ce qui signifie que sa vitesse change de manière uniforme au fil du temps.

Mouvement Circulaire Uniforme (MCU) : Dans ce type de mouvement, l'objet se déplace en suivant une trajectoire circulaire à une vitesse constante.

Mouvement Parabolique : Ce type de mouvement est typiquement associé aux objets lancés dans les airs, comme une balle lancée en oblique. La trajectoire est une courbe parabolique.

Mouvement Oscillatoire : Il s'agit d'un mouvement de va-et-vient autour d'une position d'équilibre, comme un pendule ou un ressort.

Pour étudier ces mouvements, les physiciens utilisent des équations du mouvement, des diagrammes vectoriels, et d'autres outils mathématiques pour modéliser et prévoir le comportement des objets en mouvement. Les lois du mouvement de Newton sont souvent la base de ces études, fournissant les fondements pour comprendre les forces en jeu et comment elles affectent le mouvement.

 


La cinématique est l'étude des mouvements

Notez qu'il existe d'autres référentiels utilisés en astronomie, tels que :

  • Le référentiel barycentrique : En utilisant le centre de gravité de tous les corps comme point de référence, il permet de décrire la position des corps célestes en tenant compte de la masse de tous les corps dans le système étudié, .
  • Le référentiel galactique : En utilisant le plan de la galaxie et le centre de la galaxie comme points de référentiel, il permet de décrire la position des étoiles et des autres objets célestes dans la galaxie. .
  • Le référentiel cosmologique : En prenant en compte les mouvements relatifs des galaxies et l'expansion de l'univers, il permet de décrire la position des objets dans l'univers. On l'utilise pour étudier la structure et l'évolution de l'univers.

On choisira un référentiel par raport à une tâche spécifique . Par exemple, le référentiel barycentrique est utilisé pour les calculs de perturbations des corps célestes, le référentiel galactique pour les études sur la structure de la galaxie et le référentiel cosmologique pour les études sur l'univers.