ChronoMath, une chronologie des MATHÉMATIQUES
à l'usage des professeurs de mathématiques, des étudiants et des élèves des lycées & collèges

 Notion de potentiel : potentiel newtonien, électrostatique, ...

C'est à Newton que l'on doit les premières lois de la gravitation (Principes mathématiques de philosophie naturelle, 1687). Sa mécanique fut complétée par Lagrange (Mécanique analytique, 1788), Laplace (Théorie des attractions, 1785) puis par Gauss et Poisson avant les perfectionnements apportés par la découverte de la relativité et de la mécanique quantique dont les célèbres initiateurs furent Albert Einstein (1879-1955), Max Planck (1858-1947), Werner K. Heisenberg (1901-1976), Erwin Schrödinger (1887-1961), Louis de Broglie (1892-1987), ...

 ➔  La théorie mathématique du potentiel prend véritablement sa place avec le français Poisson (1811) : potentiel électrostatique (ou coulombien), suite aux travaux de son maître Laplace. On le considère aujourd'hui comme le fondateur de la physique mathématique.

Une théorie moderne du potentiel avec l'introduction de la théorie de la mesure sera tout particulièrement l'objet des travaux Deny, Choquet et Brelot dans les années 1950. L'aspect probabiliste sera principalement le fait de Doob, Meyer et Kolmogorov.

Notion de potentiel, le potentiel newtonien  également dit gravitationnel :

Selon Newton, deux corps isolés de l'espace, de masses respectives m et m', sont soumis à une force F d'attraction mutuelle dont l'intensité est proportionnelle à leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare :

|| F || = k.mm'/d2          »  Introduction à l'intégrale de Stieltjes

le nombre k est la constante d'attraction universelle valant 6,6726 N.m2/kg2. N désigne ici le newton...

 !   Ne pas confondre avec l'accélération de la pesanteur sur Terre, qui n'est pas constante... : la formule F = m.γ  aussi célèbre que celle, E = m.c2 d'Einstein, exprime la résultante des forces qui s'exercent sur un corps de masse m, soumis à une accélération γ. Sur notre planète, tout corps est soumis à une force d'attraction p vers le centre de la Terre, proportionnelle à la  force de pesanteur, notée g, et on a P = m.g.

L'intensité de P est le poids du corps, m est sa masse et l'intensité de g, appelé champ de pesanteur est de l'ordre de 9,81 m/s2 (intensité ou accélération de la pesanteur). Cette intensité varie compte tenu de la rotation de la Terre (dans un repère non galiléen) et du fait qu'elle n'est pas exactement sphérique (valeurs moyennes à Paris : 9,8 ; aux pôles : 9,83 ; plus faible à l'équateur : 9,78).

On se propose d'étudier les composantes X, Y et Z de la force F. Pour ce faire, plaçons-nous dans un repère orthonormé (O,x,y,z) sous l'hypothèse que la masse m, située en un point A(a,b,c), agit sur M(x,y,z) de masse m'. Pour simplifier, on pose K = km'. Ainsi F = Km/d2 et d = MA.

Le vecteur F est porté par [MA) et est dirigé vers A. On représente la situation en "recopiant" les axes en M. La composante de F sur (Mx') est ici positive : X = MH. Il nous faut calculer l'angle û que fait F avec (Ox) = (Mx'). Le triangle MAK est rectangle en K (attention à la perspective). On a alors cos û = MK/MA = (a - x)/d. Par suite :

X = || F || × cos û = Km/d2 × (a - x)/d = Km(a - x)/d3

On trouverait de façon semblable :

Y = Km(b - y)/d3 , Z = Km(c - z)/d3.

Or 1/d3 = [(x - a)2 + (y - b)2 + (z - c)2]-3/2 et si φ est une fonction de x, la dérivée de φ-1/2 est : -½φ'φ -3/2. Il apparaît ainsi que si nous posons :

U(x,y,z) = Km/d = Km[(x - a)2 + (y - b)2 + (z - c)2]-1/2,

la dérivée partielle de U par rapport à x est alors la composante X de F. Constatation semblable relativement à Y et Z :

X = ∂U/∂x, Y = ∂U/∂y , Z = ∂U/∂z

 ➔   X, Y et Z sont les composantes de l'attraction newtonienne. On dit que la force F dérive du potentiel U et que U(x,y,z) est le potentiel newtonien créé par la masse A. C'est à Gauss que l'on doit cette appellation. Ce potentiel, inversement proportionnel à la distance de M à A, est également dit gravitationnel.

 La différentielle dU de U est : dU = (∂U/∂x).dx + (∂U/∂y).dy + (∂U/∂z).dz

c'est dire que :

dU = X.dx + Y.dy + Z.dz

Différentielle d'une fonction de plusieurs variables : »                La notion de dérivée partielle : »

Le gradient de U, de coordonnées (∂U/∂x , ∂U/∂y , ∂U/∂z), définit donc la force à laquelle est soumise le point M attiré par A. Généralement, on oriente cette force en sens inverse que celle utilisée pour notre calcul. Ainsi, un champ de forces F(X, Y, Z) agissant sur un domaine D, dérive d'un potentiel U si dU = -X.dx - Y.dy - Z.dz est une différentielle exacte. Le potentiel est alors défini par :

dU = -X.dx - Y.dy - Z.dz  ,  U = - ∫D (Xdx + Ydy + Zdy)

X = - ∂U/∂x, Y = - ∂U/∂y , Z = - ∂U/∂z , F = - grad U          » Maxwell

Remarque :    

Ce résultat se transpose à l'électrostatique en considérant, non plus des masses, mais des charges électriques placées en M et A : on parle de potentiel coulombien, appellation forgée sur le nom du physicien français Charles de Coulomb (1736-1806). Il fut étudié par Poisson (1811) en remplaçant m par une charge q et k par 1/4πεo, εo désignant la permittivité du vide.

La différence de potentiel U2 - U1, ou circulation du champ, entre deux points M1 et M2 de D ne dépend que de la position de ces points et non du chemin (c), inclus dans D, conduisant de M1 à M2 :

U2 - U1  = U = - ∫(c) (Xdx + Ydy + Zdy)

C'est dire que l'intégrale (curviligne) d'un gradient sur une courbe fermée est nulle. Noter que la circulation du champ s'interprète comme le travail d'une force.

Le potentiel newtonien U(x,y,z) est une fonction harmonique de x, y et z : son laplacien ΔU est nul. Montrons-le en choisissant A en O(0,0,0) et Km = 1 pour simplifier les calculs.

On a ici U = 1/d avec d2 = (x2 + y2 + z2)-1/2, donc :

Faisant de même en y et z, on obtient par sommation :

ΔU = ∂2U/∂x2 + ∂2U/∂x2 + ∂2U/∂x2 = -3d-3 + 3(x2 + y2 + z2)d-5 = -3d-3 + 3d-3 = 0.

L'équation :

  

fut obtenue par Laplace. L'étude de ses solutions et, plus généralement des formes :

qui se rencontrent en mécanique, thermodynamique, ondes sonores, électricité, ... constituent la difficile théorie du potentiel nécessitant des moyens mathématiques sophistiqués dans les méthodes de résolution approchée des équations aux dérivées partielles.

»  Galerkin

Surfaces équipotentielles :    

Dans les applications physiques, il est important de connaître les portions d'espace où le potentiel est le même en s'intéressant à l'équation U = uo. Dans le cas simple du potentiel newtonien (ou électrostatique), cela revient à dire d = constante. Ce sont donc des sphères centrées en A (au point agissant).

D'une façon générale ce sont des surfaces, dites surfaces équipotentielles. Si l'on considère deux surfaces contenant l'une un point M, l'autre un point M', et si (c) désigne une courbe joignant M à M', alors, par définition du potentiel, l'intégrale curviligne :

∫(c) dU            »  La notion d'intégrale curviligne

ne dépend pas de (c) : elle représente la différence de potentiel entre M et M' et égale U(M') - U(M).

 ➔   Pour en savoir plus :

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