Les Marées 1 - Comment la Lune déforme la Terre
Summary
TLDRDans cette vidéo, l'auteur explore le phénomène complexe des marées en remettant en question l'explication courante liée à l'attraction gravitationnelle de la Lune. Il explique pourquoi la montée des océans due à cette force ne suffit pas à expliquer les marées, en faisant référence à la courbe de Dunning-Kruger et à la déformation de la Terre en réponse aux forces gravitationnelles. Il aborde également les limites du modèle statique de Newton et annonce une future discussion sur le modèle dynamique des marées de Laplace et l'influence du Soleil.
Takeaways
- 🌕 La Lune est le principal facteur qui influence les marées, mais la compréhension simplifiée du phénomène est souvent erronée.
- 🌊 L'attraction de la Lune provoque deux renflements à la surface de la Terre, mais cela ne peut pas à lui seul expliquer les marées.
- 🤔 La théorie commune selon laquelle l'eau est attirée directement par la Lune est incorrecte car elle ne prend pas en compte d'autres forces comme la gravité terrestre.
- 🌍 La déformation de la Terre sous l'effet de la Lune est en fait un phénomène global qui touche l'ensemble de la planète, pas uniquement les océans.
- 🔄 La forme d'équilibre sous l'influence de la gravité interne et du champ gravitationnel lunaire est un ellipsoïde légèrement allongé dans la direction de la Lune.
- ⚖️ Les forces gravitationnelles et de pression à l'intérieur de la Terre créent un équilibre, expliquant pourquoi les planètes et étoiles adoptent une forme sphérique.
- 🔬 Le modèle statique de Newton explique la déformation de la Terre, mais ne peut pas expliquer complètement le cycle des marées.
- 🚶♂️ Pour mieux comprendre les marées, il faut intégrer le modèle dynamique des marées, élaboré par Laplace, qui prend en compte les déplacements horizontaux de l'eau.
- 🌞 L'influence du Soleil joue également un rôle dans le phénomène des marées et sera abordée dans les prochaines parties.
- 📏 L'effet gravitationnel de la Lune sur l'océan ne provoque qu'une marée d'environ un millimètre, bien loin des grandes marées observées, d'où la nécessité de modèles plus complexes.
Q & A
Pourquoi l'auteur a-t-il changé son point de vue initial sur les marées?
-L'auteur pensait initialement comprendre le mécanisme des marées, mais après des recherches approfondies, il a réalisé que sa compréhension était incomplète et que l'explication classique était incorrecte. Il est tombé dans la 'vallée de l'humilité' du modèle Dunning-Kruger en découvrant la complexité réelle du phénomène.
Quelle est l'explication traditionnelle des marées souvent reprise sur Internet?
-L'explication traditionnelle est que la Lune exerce une force gravitationnelle sur la Terre, attirant les océans vers elle et créant un bourrelet d'eau. En raison de la rotation de la Terre, ce bourrelet est perçu comme une vague qui fait le tour de la planète, créant deux marées par jour.
Pourquoi l'explication traditionnelle des marées est-elle incorrecte selon l'auteur?
-L'auteur explique que la théorie traditionnelle ne prend pas en compte les forces réelles en jeu. Une goutte d'eau n'est pas aspirée vers la Lune, car la force gravitationnelle de la Terre, beaucoup plus forte, l'empêche de monter. L'explication des deux renflements à cause de la Lune est simpliste et inexacte.
Comment la gravité affecte-t-elle les particules au sein de la Terre?
-Les particules à l'intérieur de la Terre sont attirées vers le centre, mais la matière derrière elles les attire vers l'extérieur, réduisant l'intensité de l'attraction vers le centre. Plus une particule est proche du centre, moins la gravité est forte, et au centre, il n'y a aucune attraction gravitationnelle car les forces s'équilibrent.
Pourquoi la forme sphérique est-elle l'état d'équilibre d'une planète?
-La sphère est l'état d'équilibre parce que les particules de matière à l'intérieur d'une planète sont soumises à des forces de gravité qui s'équilibrent. Si la planète était de forme allongée, les 'joues' de cette forme seraient attirées vers la matière centrale, finissant par déformer l'ellipsoïde en une sphère.
Comment la Lune influence-t-elle la forme de la Terre?
-La Lune exerce un champ gravitationnel qui affecte différemment les différentes parties de la Terre. Du côté proche de la Lune, l'attraction est plus forte, tandis que de l'autre côté, elle est plus faible. Cela crée une déformation ellipsoïdale, avec un renflement dirigé vers la Lune et un autre à l'opposé.
Pourquoi l'idée que l'eau des océans monte à cause de l'attraction lunaire est-elle erronée?
-L'eau des océans ne monte pas directement à cause de l'attraction de la Lune. C'est l'ensemble de la planète qui se déforme sous l'effet différentiel de l'attraction lunaire, et non une simple élévation de l'eau. Les forces en jeu sont complexes et impliquent la structure interne de la Terre.
Quelle est la différence entre le modèle statique et le modèle dynamique des marées?
-Le modèle statique des marées, élaboré par Newton, ne prend en compte que le déplacement vertical de l'eau. Le modèle dynamique, proposé par Laplace, intègre les déplacements horizontaux de l'eau et est plus précis pour expliquer les marées en prenant en compte des facteurs comme l'influence du Soleil.
Comment l'accélération centrifuge due à la rotation de la Terre affecte-t-elle sa forme?
-L'accélération centrifuge liée à la rotation de la Terre provoque un aplatissement à l'équateur. Ce renflement est beaucoup plus marqué que celui causé par l'attraction lunaire, avec une différence de 43 km à l'équateur contre seulement quelques dizaines de centimètres pour l'effet de la Lune.
Pourquoi l'effet de la Lune sur les océans semble-t-il si minime selon les calculs de l'auteur?
-Les calculs montrent que l'influence de la Lune diminue la gravité de seulement un dix millionième, ce qui entraîne une marée d'environ un millimètre. Cela montre que l'explication traditionnelle des marées, qui attribue de grands mouvements d'eau à l'attraction lunaire, est exagérée.
Outlines
🌕 Introduction aux marées et premières fausses idées
L'auteur commence par expliquer qu'il voulait aborder les marées dans sa série sur l'astronomie après avoir parlé de la Lune. Bien qu'il croyait comprendre le mécanisme des marées, il admet avoir réalisé qu'il était victime de l'effet Dunning-Kruger, un biais qui donne une fausse impression de maîtrise sur un sujet. L'explication populaire des marées, selon laquelle la Lune attire les océans créant des vagues, est remise en question après ses recherches, et il promet d'explorer ce phénomène en plusieurs vidéos.
🌍 L'équilibre gravitationnel et la forme sphérique de la Terre
L'auteur explique que pour comprendre comment la Lune influence la Terre, il faut envisager la planète comme un ensemble de particules attirées par la gravité. Chaque particule ressent une attraction vers le centre de la Terre, et cette distribution crée une forme d'équilibre sphérique. Il illustre ce concept en expliquant que même sous de fortes pressions, la matière finit par adopter une forme sphérique, la plus stable sous l'effet de la gravité. Il décrit également comment cette forme peut s'effondrer en un trou noir sous une pression extrême.
🌑 Effet du champ gravitationnel lunaire sur la forme de la Terre
L'auteur approfondit en expliquant que l'attraction de la Lune déforme légèrement la Terre, créant deux renflements : l'un dirigé vers la Lune et l'autre à l'opposé. Cette déformation est due à la différence d'attraction ressentie entre les différentes parties de la Terre. Le champ gravitationnel de la Lune n'étant pas constant, il affecte différemment les hémisphères terrestres. Les forces de compression aux pôles et les forces d'étirement dans la direction de la Lune modifient la forme sphérique de la Terre en un ellipsoïde allongé.
Mindmap
Keywords
💡Marées
💡Lune
💡Gravité
💡Renflements
💡Courbe de Dunning-Kruger
💡Principe d’équivalence d’Einstein
💡Modèle statique des marées
💡Modèle dynamique des marées
💡Force centrifuge
💡Pression
Highlights
Introduction à l'étude des marées après les vidéos sur la Lune.
La Lune est la principale cause des marées terrestres.
Révélation que l'explication commune des marées, largement diffusée sur Internet, est fausse.
L'auteur reconnaît avoir sous-estimé la complexité des marées, tombant dans la vallée de l'humilité de la courbe de Dunning-Kruger.
Explication initiale des marées : la Lune attire l'eau des océans, créant un bourrelet d'eau qui se déplace avec la rotation de la Terre.
Cette explication est remise en cause, l'auteur démontrant que l'attraction lunaire ne peut pas expliquer les marées de cette manière.
Introduction de la pression et de la gravité interne de la Terre pour comprendre la déformation de la planète sous l'influence de la Lune.
La forme d'équilibre d'une planète est une sphère où pression et gravité sont équilibrées.
L'influence de l'attraction lunaire modifie légèrement cette forme sphérique, créant deux renflements : un dirigé vers la Lune et un à l'opposé.
Le renflement causé par la Lune est minime, de seulement quelques centimètres.
L'auteur explique que la force centrifuge due à la rotation terrestre cause un renflement bien plus grand, de 43 km à l'équateur.
Présentation du modèle statique de Newton pour expliquer les marées, basé sur la déformation verticale de la Terre.
Ce modèle statique est jugé insuffisant pour expliquer le cycle complet des marées.
Introduction au modèle dynamique des marées de Laplace, qui prend en compte le déplacement horizontal des océans.
Annonce d'une future vidéo consacrée à l'influence du Soleil sur les marées.
Transcripts
Bonjour à tous,
Dans ma série sur l’astronomie, j’avais prévu de parler des marées après mes vidéos consacrées à la Lune.
Logique, puisque c’est principalement la Lune qui provoque le phénomène des marées.
A l’époque, je pensais connaître le mécanisme des marées
et je croyais qu’il me suffirait juste de faire des recherches pour quelques précisions complémentaires...
Mais en me lançant dans le sujet, je me suis aperçu qu’avec mes certitudes
j’étais sur la montagne de la stupidité de la courbe de Dunning-Kruger,
cette courbe qui donne le niveau de confiance sur ce qu’on croit savoir en fonction de ce qu’on sait réellement.
Je suis tombé dans la vallée de l’humilité où je me morfonds aujourd’hui de désespoir.
Voici ce que je croyais savoir des marées.
La Lune exerce une force gravitationnelle sur la Terre.
Sous l’effet de cette attraction, les mers et les océans s’élèvent en direction de la Lune, formant ainsi un bourrelet d’eau.
La croute terrestre est elle aussi attirée, mais comme elle est plus rigide que l’eau, elle monte moins haut.
La Terre tournant sur elle-même, la montée des eaux par rapport à la croûte terrestre
est perçue comme une vague qui fait le tour complet de la Terre en un jour lunaire, c’est-à-dire en 24 heures et 50 minutes.
L’attraction lunaire crée en réalité un deuxième renflement, à l’opposé du premier, et ce sont ainsi deux vagues qui se produisent.
Ce sont les deux marées quotidiennes que l’on connaît.
Cette explication est assez largement reprise sur Internet. (...)
Après quelques recherches, je suis arrivé à la conclusion que cette explication est globalement fausse.
Pour me laisser le temps de bien approfondir, j’ai décidé de traiter le sujet des marées en plusieurs parties.
Au moins trois vidéos je pense.
Aujourd’hui nous allons étudier pourquoi l’attraction de la Lune crée un renflement à la surface des océans.
D’ailleurs, pourquoi y a-t-il deux renflements ?
Et nous verrons que ces bourrelets ne peuvent pas expliquer les marées.
Naïvement, on peut se dire qu’une petite goutte d’eau à la surface de l’océan est un petit peu attirée par la Lune.
Elle monte donc un petit peu vers le ciel.
C’est le cas de toutes les petites gouttes d’eau autour,
et c’est donc toute la surface de l’océan qui monte un petit peu vers la Lune.
Mais en réfléchissant, cette explication ne marche pas du tout !
En effet, on apprend en physique
que la position d’équilibre d’un objet dépend de la somme des forces qui s’exercent sur lui.
Ici, il y a ici deux forces dans notre bilan :
la force d’attraction de la Terre, vers le bas, et l’attraction de la Lune vers le haut.
L’attraction de la Terre étant bien plus intense,
le résultat est une force vers le bas qui colle notre goutte d’eau à la surface de l’Océan.
L'océan, en retour, exerce une force vers le haut et la goutte ne bouge plus.
Point !
Il n’y a aucune raison pour qu’un goutte d’eau soumise à l’attraction lunaire
soit un peu plus haut qu’une goutte d’eau sans attraction lunaire.
Si c’était le cas, le phénomène irait en s’amplifiant : en s’élevant, la goutte d’eau se rapprocherait de la Lune.
L’effet de la Lune augmenterait,
à l’inverse, s’éloignant de la Terre, l’attraction terrestre diminuerait.
Et la goutte d’eau serait finalement aspirée par la Lune par une force de plus en plus importante.
C’est totalement absurde !
Si on disposait d’une balance super précise,
on arriverait à mesurer une variation de poids minime avec le passage de la Lune.
Mais on ne verrait pas de variation de sa position.
Pour comprendre comment la Lune influence la forme de la Terre,
il faut prendre en compte toute la planète et pas seulement les océans.
On peut considérer une planète comme un ensemble de particules de matière.
La force de gravité les attire entre elles et elles finissent par se regrouper en un amas compact.
On comprend intuitivement que la sphère est une forme d’équilibre
pour l’agencement global des particules agglutinées sous l’effet de la gravité.
Prenons une particule de matière à l’intérieur de la sphère.
La particule est attirée vers le centre parce que c’est dans cette direction qu’il y a le plus de matière.
La matière qui se trouve derrière elle l’attire vers l’extérieur et diminue ainsi l’intensité de l’attraction vers le centre.
Plus la particule est proche du centre, moins la gravité est forte.
La particule au centre ne subit aucune gravité,
l’attraction dans une direction étant exactement compensée par l’attraction dans la direction opposée.
La gravité moyenne diminue avec le rayon.
Mais derrière une particule, toutes celles qui sont du côté extérieur
sont attirées vers le centre et appuient de tout leur poids contre la particule.
La particule subit ainsi le poids de toute l’épaisseur de matière qu’elle a au-dessus d’elle.
La particule est coincée par celle qui se trouve devant elle.
Elle lui transmet toute la force qu’elle subit en y rajoutant son propre poids,
augmentant ainsi la pression sur sa voisine.
Les plongeurs connaissent très bien ce phénomène de la pression de l’eau qui augmente avec la profondeur.
Une profondeur de 10 mètres d’eau représente une pression de 10 tonnes par mètre carré.
Les particules de l’extérieur de la sphère subissent seulement une force de gravité dirigée vers le centre.
En plongeant vers l’intérieur du volume,
la force de gravité diminue mais des forces de pression apparaissent.
Le phénomène s’amplifie jusqu’au centre où la gravité est nulle et la pression à son maximum.
Notons au passage que s’il y a énormément de matière,
la pression peut devenir tellement importante que les particules ne peuvent plus y résister.
La matière s’effondre sous l’effet de la pression gravitationnelle et la sphère devient alors un trou noir.
Voyons pourquoi la sphère est la seule forme d’équilibre.
Partons d’une forme allongée.
Pourquoi ne serait-ce pas une forme stable sous l’effet de la gravité interne ?
On peut décomposer cette forme ellipsoïdale en une sphère centrale entourée de deux joues, une de chaque côté.
La sphère intérieure est à l’équilibre, il n’y a aucune raison qu’elle se déforme.
Mais les joues sur les côtés sont attirées par la matière de la sphère.
Elles exercent donc une pression sur la sphère dans leur direction.
Cette pression déforme la sphère perpendiculairement.
Le résultat est que l’ensemble de l’ellipsoïde se déforme
pour devenir une sphère à l’intérieur de laquelle la pression et la gravité sont partout à l’équilibre.
C’est pour cette raison que les planètes et les étoiles ont une forme sphérique.
Voyons maintenant quelle influence l’attraction lunaire va avoir sur la forme de la Terre.
La Lune exerce un champ gravitationnel dans lequel baigne notre planète.
Avant de continuer, je fais une remarque rapide pour les plus puristes.
Dans la suite je vais utiliser indistinctement les notions d’accélération, de force et de gravité
en considérant que c’est la même chose.
Ce n’est pas rigoureusement le cas, mais je n’ai pas besoin de faire la distinction ici.
Imaginons tout d’abord que le champ de gravité de la Lune soit identique partout dans l’espace autour de la Terre.
Cela voudrait dire que toutes les particules de matière
accéléreraient de manière identique dans la direction du champ de gravité.
Pour décrire ce qui se passe, on devrait suivre cette accélération en nous laissant emporter nous aussi par elle.
Nous, observateurs, et les particules de matière, serions alors tous en chute libre.
C’est-à-dire que nous ne ressentirions plus l’accélération.
Le problème se poserait alors comme tout à l’heure.
Le résultat serait le même : la forme d’équilibre est une sphère où pression et gravité s’équilibrent.
Les plus attentifs d’entre vous aurons certainement reconnu le principe d’équivalence d’Einstein
que j’explique dans ma série consacrée à la Relativité Générale.
Einstein indique que se laisser emporter par la gravité dans un mouvement de chute libre
est équivalent à ce qu’il n’y ait pas de gravité du tout.
Mais le champ d’attraction gravitationnel de la Lune n’est pas constant.
L’hémisphère terrestre du côté de la Lune est plus attiré que l’autre qui est plus éloigné.
Par ailleurs, les lignes du champ de gravité émises par la Lune ne sont pas tout à fait parallèles.
Une nouvelle fois, nous allons observer ce qui se passe en nous laissant emporter par le champ de gravité.
Mais le champ n’est pas partout le même. On n’accélère pas partout avec la même intensité.
Il faut donc préciser à quel endroit on se place pour se laisser tomber en chute libre.
Pour observer la déformation de la Terre, il faut qu’elle reste immobile dans notre référentiel d’observation.
C’est donc le centre de gravité de la Terre que nous allons suivre dans sa chute.
En se laissant tomber de la sorte,
notre référentiel d’observation retranche partout l’équivalent de l’accélération du centre de la Terre.
Cela annule parfaitement l’accélération du centre qui reste fixe.
Après tout, c’est ce qu’on cherchait à faire !
Mais cette opération n’annule pas le champ d’attraction partout ailleurs.
Du côté de la Lune, l’attraction étant plus forte qu’au centre, il reste une petite attraction vers la Lune.
De l’autre côté de la Terre, l’attraction de la Lune étant moins forte qu’au centre,
l’attraction résultante est dirigée à l’opposé de la Lune.
C’est comme si la Lune repoussait cette partie de la Terre.
Aux pôles, la direction du champ de gravité est inclinée par rapport à la direction au centre.
En retranchant l’accélération de notre référentiel, il résulte une petite force verticale vers l’intérieur.
On retrouve cette force dirigée vers le centre tout autour du cercle perpendiculaire à l’axe Terre-Lune.
Au final, le champ d’accélération résultant est constitué
de forces qui compressent la Terre sur le grand cercle perpendiculaire à l’axe de la Lune.
En s’écartant de ce cercle, les petites accélérations s’inclinent dans la direction de la Lune,
vers la Lune sur un hémisphère et dans le sens opposé sur l’autre hémisphère.
Sur les calottes situées autour l’axe, les accélérations sont alignées avec l’axe.
Nous pouvons maintenant nous interroger sur la forme d’équilibre de la planète
sous l’effet de la gravité en tenant compte du champ d’attraction lunaire.
On comprend alors facilement que la forme ne soit plus une sphère
mais un ellipsoïde allongé dans la direction de la Lune.
La sphère se rétrécit dans le plan de compression
car c’est comme si les particules de matière étaient plus lourdes dans ce plan.
Inversement, la sphère s’allonge dans la direction de la Lune car les particules sont plus légères le long de cet axe.
L’ellipsoïde ne peut pas s’allonger indéfiniment, car plus il s’allonge, plus il y a de matière dans la direction de l’axe.
La pression de la gravité augmente, ce qui tend à compresser l’ellipsoïde.
Il y a donc une forme ellipsoïdale qui équilibre
la force de gravité interne et le champ d’accélération externe.
L’ellipsoïde crée deux renflements sur la Terre : un en direction de la Lune et l’autre à l’opposé.
Cette représentation exagère le phénomène de manière importante.
Le déplacement ne représente que quelques dizaines de centimètres.
Une autre manière de présenter ce résultat,
est de dire que la Terre enfle sous l’effet de sa pression interne
lorsque la force de gravité est légèrement diminuée par l’attraction dans la direction de la Lune.
Notons également que la force centrifuge liée à la rotation de la Terre
produit un autre champ d’accélération.
Ce champ d’accélération centrifuge est plus intense à l’équateur.
Il diminue progressivement à mesure qu’on se rapproche des pôles.
De la même manière qu’avec le champ de gravité lunaire,
le champ d’accélération centrifuge aplatit légèrement notre planète dans la direction de l’axe de rotation.
Le champ d’accélération de la force centrifuge
est beaucoup plus intense que le champ d’accélération de l’attraction lunaire.
Il représente un renflement de 43 km à l’équateur à comparer aux quelques dizaines de cm du renflement dû à la Lune.
En résumé, on ne peut pas dire que
le niveau des océans monte parce que l’eau est attirée par la Lune.
Il faut dire que l’ensemble de la planète se déforme
parce que l’attraction de la Lune n’est pas la même partout dans la planète Terre.
On pourrait imaginer que l’effet du différentiel d’attraction de la Lune
soit plus important sur les océans parce que le liquide est plus malléable que la roche.
Essayons de nous faire une idée approximative de l’influence de la Lune sur la hauteur des océans.
L’accélération de la pesanteur à proximité de la surface de la Terre permet de calculer la pression au fond d’un océan.
On trouve environ 1000 fois la pression atmosphérique pour une profondeur de 10 km.
L’influence de la Lune diminue l’accélération de la pesanteur d’environ un dix millionième.
Sous l’effet de la Lune, à 10 km de profondeur,
toute la colonne d’eau étant un peu plus légère, la pression va un peu diminuer.
On peut alors calculer quelle augmentation de hauteur est nécessaire pour compenser cette diminution
et retrouver la pression de 1 000 atmosphères.
On trouve que la hauteur doit augmenter dans les mêmes proportions, c’est-à-dire de un dix millionième de la hauteur, soit un millimètre.
Une marée de un millimètre seulement !
Même si le calcul est simplifié, ce n’est pas le bon ordre de grandeur.
C’est Newton qui a calculé la déformation de la Terre sous l’influence de la Lune
pour expliquer le cycle des marées.
Mais on vient de voir que cette déformation ne peut pas causer les marées.
On appelle l’explication de Newton le modèle statique des marées.
Statique, parce qu’il ne prend en compte que le déplacement vertical de l’eau des océans.
Pour tenter de mieux comprendre les marées, il faut étudier le déplacement horizontal de l’eau.
C’est ce qu’on appelle le modèle dynamique des marées.
Il a été élaboré par Laplace.
C’est ce que nous tenterons d’étudier dans une prochaine vidéo, mais avant, il faudra parler de l’influence Soleil.
A bientôt
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