Soit la figure ci-dessous représentant Jupiter (J), son satellite Io (I) et un axe (Ox) joignant leurs centres.
L'échelle, valable uniquement pour les distances et positions sur (Ox), et non pas pour la taille des astres, figure sur le coin inférieur gauche.
Données :
- G, la constante de gravitation universelle ( 6{,}674 \times 10^{-11} N.m2.kg–2)
- m_{J} = 1{,}8986 \times 10^{27} kg, la masse de Jupiter
- m_{I} = 8{,}93 \times 10^{22} kg, la masse de Io
- d_{JI} = 4{,}218 \times 10^{8} m, la distance séparant les deux corps
Quelles sont les expressions des champs de gravitation créés par Jupiter et par Io en fonction de x ?
La force d'attraction gravitationnelle exercée par un corps A sur un corps B s'exprime à l'aide de la formule générale suivante :
F_{A/B} = G \times \dfrac{ m_{A}\times m_{B}}{d^{2}}
Avec :
- G, la constante de gravitation universelle ( 6{,}67 \times 10^{-11} N.m2.kg–2)
- m_{A}, la masse du corps A (en kg)
- m_{B}, la masse du corps B (en kg)
- d, la distance séparant les deux corps (en m)
Ce que l'on peut aussi exprimer vectoriellement :
\overrightarrow{F_{A/B}} = \overrightarrow{g_{A}} \times m_{B}
Avec \overrightarrow{g_{A}} représentant le champ de gravitation exercé par le corps A, qu'il y ait ou non une masse m_{B} pour en subir les effets.
On déduit de ces deux formules une nouvelle expression de la valeur g_A :
g_{A} = G \times \dfrac{ m_{A}}{d^{2}}
Ce qui donne :
- Pour Jupiter : le centre de gravité de Jupiter ayant été placé à l'origine de l'axe (Ox), on remplace simplement la distance d par x dans l'expression déterminée ci-dessus :
g_{J} = G \times \dfrac{ m_{J}}{x^{2}}
Soit : g_{J} = 6{,}674 \times 10^{-11} \times \dfrac{ 1{,}8986 \times 10^{27}}{x^{2}} = \dfrac{ 1{,}267 \times 10^{17}}{x^{2}}
- Pour Io : le centre de gravité de Jupiter ayant été placé à l'origine de l'axe (Ox), celui de Io en est à la distance d_{TL}. On en déduit que n'importe quel point sur l'axe (Ox) se trouve à une distance d_{TL}-x du centre de Io. On remplace alors la distance d dans l'expression d'un champ gravitationnel :
g_{I} = G \times \dfrac{ m_{I}}{\left(d_{JI}-x\right)^{2}}
Soit : g_{I} = 6{,}674 \times 10^{-11} \times \dfrac{8{,}93 \times 10^{22}}{\left(4{,}218 \times 10^{8}-x\right)^{2}} = \dfrac{5{,}96 \times 10^{12}}{\left(4{,}218 \times 10^{8}-x\right)^{2}}
Quelle est la représentation correcte des lignes des champs gravitationnels que créent Jupiter et Io ?
Il s'agit d'un champ attractif donc cela signifie que ses lignes de champ convergent vers le centre de gravité de sa source (soit le centre de Jupiter, soit le centre de Io comme ici).
Même si, rigoureusement, les lignes de ces deux champs interfèrent, il est acceptable de les représenter comme des droites tant qu'on ne les fait pas se croiser (on ne les représente pas allant jusqu'au centre de l'astre car celui-ci est supposé ponctuel).
Pour quelles valeurs de x ces champs ont-ils la même valeur ?
Mise en place de l'équation
Ces champs de gravitation ont la même valeur lorsque les expressions de g_{J} et g_{I} sont égales, soit :
g_{J} = g_{I}
\Leftrightarrow \dfrac{ 1{,}267 \times 10^{17}}{x^{2}} = \dfrac{5{,}96 \times 10^{12}}{\left(4{,}218 \times 10^{8}-x\right)^{2}}
\Leftrightarrow \dfrac{ 1{,}267 \times 10^{17}}{x^{2}} = \dfrac{5{,}96 \times 10^{12}}{\left(x^{2}-8{,}436 \times 10^{8}\times x +1{,}77915 \times 10^{17}\right)}
\Leftrightarrow \dfrac{ 1{,}267 \times 10^{17}}{x^{2}} \times \left(x^{2}-8{,}436 \times 10^{8}\times x +1{,}77915 \times 10^{17}\right) = 5{,}96 \times 10^{12} \times x^{2}
\Leftrightarrow 1{,}267 \times 10^{17} \times x^{2}-1{,}069 \times 10^{26}\times x +2{,}254 \times 10^{34} = 5{,}96 \times 10^{12} \times x^{2}
\Leftrightarrow 1{,}267 \times 10^{17} \times x^{2}-1{,}069 \times 10^{26}\times x +2{,}254 \times 10^{34} = 0
On reconnaît une équation du second degré.
Calcul du discriminant
Une équation du second degré peut s'écrire sous la forme ax^{2} + bx + c = 0. Son discriminant vaut alors \Delta = b^{2} - 4ac.
Dans le cas de l'équation 1{,}267 \times 10^{17} \times x^{2}-1{,}069 \times 10^{26}\times x +2{,}254 \times 10^{34} = 0, cela donne :
\Delta = 1{,}143\times 10^{52} - 4\times 1{,}267 \times 10^{17} \times 2{,}254 \times 10^{34}
\Delta = 4{,}338\times 10^{48}
Comme \Delta\gt0, le trinôme a deux racines réelles.
Détermination des solutions de l'équation
Les deux solutions de l'équation sont :
x_{1} =\dfrac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} et x_{2} =\dfrac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}
Soit :
x_{1} =\dfrac{1{,}069 \times 10^{26} - \sqrt{4{,}338\times 10^{48}}}{2 \times 1{,}2678 \times 10^{17}}
x_{1} =4{,}134 \times 10^{8} m
Et :
x_{2} =\dfrac{1{,}069 \times 10^{26} + \sqrt{4{,}338\times 10^{48}}}{2 \times 1{,}2678 \times 10^{17}}
x_{2} =4{,}298 \times 10^{8} m
Ces deux valeurs de x, pour lesquelles les champs gravitationnels de Jupiter et de Io ont la même valeur, sont donc de part et d'autre de cette dernière sur la direction (Ox). Elles correspondent en fait à la position de deux des points de Lagrange du système Jupiter-Io.
Les valeurs de x pour lesquelles ces champs ont la même valeur sont donc : x_{1} =4{,}134 \times 10^{8} m et x_{2} =4{,}298 \times 10^{8} m.
Un corps P est soumis à la même attraction de la part de Jupiter et de Io, la distance la plus faible déterminée précédemment.
Quelle est la représentation correcte de cette situation ?
On a le choix entre les deux valeurs de x précédemment déterminées. On choisit ici la première, ce qui donne, à l'échelle :
