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Trajectoire
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Simulation de trajectoires

Un outil de simulation numérique.

Le pôle « Simulation de trajectoire » est dédié à l’étude numérique de la trajectoire d’un objet quelconque dans un milieu qui peut être l’atmosphère terrestre, le vide la lune, mars, etc. Notre simulation permet de tracer la trajectoire de ce corps, dont les caractéristiques telles que la masse, la taille, position, la vitesse, etc. sont libres de choix. Cela peut se faire en 2D ou en 3D, sachant qu’une animation est possible en 2D.

Une analyse détaillée du lancer.

En parallèle, il est possible de tracer n’importe quel paramètre en fonction d’un autre. Par exemple la vitesse en fonction du temps, ou l’altitude en fonction de la vitesse, etc. Pour cela, nous travaillons sur une interface graphique destinée aux utilisateurs du grand public. Avec celle-ci, pas besoin d’être scientifique, simplement votre curiosité vous apprendra beaucoup sur les lois de l’Univers.

De la théorie à la pratique.

Nous travaillons en parallèle avec les pôles « Ballon sonde » et « Fusée expérimentale » en leur fournissant des données théoriques utiles à leur application concrète. Il est ensuite intéressant de comparer notre simulation avec les données récoltés lors du lancer du ballon sonde ou de la fusée expérimentale.

Organisation de la page

Présentation des simulations

Sur un astre.

Prenez un objet et lancez-le. Sur Terre, la trajectoire est ralentie par des frottements laminaires ou turbulents selon la vitesse. La simulation permet de visualiser cela. Et si les frottements étaient moins importants comme sur Mars ? En ayant déjà quitté l’atmosphère terrestre, il est difficile de s’imaginer comment cet objet réagira dans son espace. Voilà l’utilité de notre simulation, qui permet de visualiser le comportement de n’importe quoi, n’importe où.

Galilée avait l’intuition vers 1600 qu’une plume et un marteau lâchés au même moment dans le vide tomberait en même temps. C’est ce que Isaac Newton à démontré grâce au Principe Fondamental de la Dynamique (PFD) en 1687 que la masse d’un corps en chute libre1 est indépendante de sa trajectoire. En effet depuis l’Antiquité d’Aristote, il est « logique » qu’un corps lourd tombe toujours plus vite qu’un corps léger.

Explicitons la théorie de Newton, puis vérifions là avec notre outil numérique.

1chute libre : n’est soumis qu’à la force de son poids.

  • Principe Fondamental de la Dynamique
  • Soit un corps \(M\) lâché en chute libre dans l’espace.

    $$\sum{{\vec{F}}_{ext}(M)}=m\vec{a}\left(M\right)\Longleftrightarrow\vec{P}=m\vec{a}\left(M\right)$$ $$m\vec{g}=m\vec{a}\left(M\right)\Longleftrightarrow-g\cdot\vec{k}=\vec{a}\left(M\right)$$

    On remarque d’entrée de jeu que la masse se simplifie, et donc n’interviendra pas dans l’équation de la trajectoire.

    Démonstration complète

    En projetant sur un repère cartésien, on obtient le système d’accélérations de \(M\). Puis en intégrant ces expressions par rapport au temps, on en déduit les systèmes de vitesses et de position de \(M\).

    $$$$

    Supposons que le mouvement se fait dans le plan \((O,x,z)\). En déduisant que \(t=\frac{x\left(t\right)-x_0}{{\dot{x}}_0}\), on conclut sur l’équation de la trajectoire \(z(x)\) : $$z\left(x\right)=-\frac{g}{2}\left(\frac{x-x_0}{{\dot{x}}_0}\right)^2+{\dot{z}}_0\left(\frac{x-x_0}{{\dot{x}}_0}\right)+z_0$$

    Pour simplifier l’expression, on peut supposer que la position initiale du corps est à l’origine du repère.$$z\left(x\right)=-\frac{g}{2{{\dot{x}}_0}^2}x^2+\frac{{\dot{z}}_0}{{\dot{x}}_0}x$$On démontre à nouveau que la masse n’est pas impliquée dans l’équation de la trajectoire, donc le mouvement d’un corps est indépendant de sa masse.

  • Outil numérique
  • Pour montrer que le corps lourd et le corps léger tombent en même temps, on peut tracer leur vitesse en fonction du temps. Si le PFD de Newton est correct, on s’attend à avoir une courbe identique pour les deux corps, ce qui montrerait qu’en chute libre la masse n’a pas d’influence sur la vitesse, et donc sur la trajectoire.

    Autour d'un astre.

    Imaginez plus loin. Nous pouvons tracer la trajectoire d’un satellite autour de la Terre, celle d’une comète ou même de la Terre elle-même autour du Soleil, etc. Nous proposons un rendu en 2D ou en 3D pour ce genre d’étude. Trouvez ci-dessous des reproductions de vraies trajectoires autour de la Terre.

    Télescope Hubble sur son orbite de 600km d’altitude avec 28,5° d’inclinaison

    Trajectoire d’une orbite géostationnaire2.

    Trajectoire d’un satellite de communication à 550km d’altitude.

    2Orbite dont le temps de révolution est de 1 jour.