Référentiel (physique)
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En physique, comme en sciences de manière générale, il faut isoler le mieux possible les paramètres afin d'être sûr de bien étudier le phénomène. Parmi les paramètres à prendre en compte, il y a un observateur et un ou plusieurs évènements.

L'évènement pourra sembler différent selon l'emplacement où se trouve l'observateur, et selon les repères qu'il a. Ceci mène à la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) du référentiel, utilisé en mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou...).

Nécessité de la définition d'un référentiel

Prenons deux personnes assises de chaque côté d'une route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) et qui se font face. Un homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction,...) court sur la route ; un des observateurs dira qu'il va à gauche, l'autre qu'il va à droite. On voit immédiatement que le mouvement observé est relatif à l'observateur.

Pour décrire le même événement de la même manière, les observateurs devront se mettre d'accord : soit l'un adopte la vision de l'autre, soit ils choisissent un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini...) neutre comme point (Graphie) de repère, par exemple les points cardinaux.

La direction étant décrite de manière non ambiguë, les observateurs donnent maintenant la vitesse (On distingue :). Le premier, d'origine française, indique que la personne court à 21 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) par heure ; le second, d'origine anglaise, indique qu'il court à 13 miles par heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure...). Donc, pour s'accorder sur la valeur, les observateurs doivent aussi choisir une même unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être utiles. Les systèmes...) pour la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) et le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Cela revient à choisir une graduation commune pour l'axe de référence de la direction, et une horloge commune.

Enfin, pour désigner l'événement, il faut faire référence au lieu et à l'heure à laquelle il s'est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps...). Il faut donc choisir un point de référence commun sur l'axe (l'origine), et synchroniser les horloges.

Définition

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...), un référentiel est un système de coordonnées de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de l'espace et du temps telle qu'elle avait...), composé de trois coordonnées d'espace et d'une coordonnée de temps, utilisé pour définir les notions de position, de vitesse et d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur...).

Habituellement on ne considère que les référentiels pouvant être donnés naturellement par des systèmes physiques, en particulier, en mécanique classique, les référentiels galiléens. Ce cas particulier de référentiel peut se donner sous forme d'une base orthogonale (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres...) de l'espace-temps) de trois vecteurs orthonormés d'espace (repère cartésien, repère orthonormé), et d'un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un...) temps. Ainsi, les données physiques du mouvement d'un objet sont données en fonction de ce référentiel. Parfois, on désigne également sous le terme de référentiel la seule donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) d'une direction temporelle (une référence d'immobilité), afin de décrire les phénomènes dans les termes intuitifs habituellement construits sur les notions d'espace et de temps distincts, sans choisir pour autant de repère d'espace.

On sait depuis longtemps que pour que les lois physiques se conservent lors d'un changement de référentiel, il fallait tenir compte explicitement de la vitesse de celui-ci. Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien...) a démontré que les notions de longueur et de durée pouvaient aussi varier en fonction du référentiel d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...).

Référentiels galiléens

Il existe des référentiels privilégiés, appelés galiléens, dans lesquels la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait...) d'une particule isolée est constante (cela correspond soit au repos, soit au mouvement rectiligne uniforme). cf. Chapitre 1, §.1.2 MONCEAU, P. (2004). CAPES de Sciences physiques. Tome 1 - Physique, cours et exercices. Paris : Belin sup sciences.

Ceci correspond à l'énoncé de la première loi de Newton.

Référentiels usuels

En mécanique classique, il est impératif de se placer dans un référentiel galiléen (En physique, un référentiel galiléen est un référentiel dans lequel un objet isolé (sur lequel ne s'exerce aucune force ou sur lequel la résultante des forces est nulle) est soit immobile, soit en...) de manière à appliquer le principe fondamental de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :), mais il reste alors à en trouver un. Les référentiels suivants peuvent être considérés comme tels avec une précision de plus en plus forte.

Référentiel terrestre

Le référentiel terrestre est le référentiel le plus utilisé : il est centré en un point de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...), et ses axes sont liés à la rotation terrestre : un homme "immobile" est donc fixe dans le référentiel terrestre. Par exemple, le référentiel terrestre peut se définir sur un terrain de foot comme un référentiel centré au point de corner, donc les axes sont la ligne de touche, la ligne de but et le poteau (Un poteau est un organe de structure d'un ouvrage sur lequel se concentrent de façon ponctuelle les charges de la superstructure (par exemple via...) de corner.

Le référentiel terrestre peut cependant être assez rarement considéré comme galiléen : une simple chute libre est affectée par le phénomène de déviation vers l'est, du à la rotation terrestre.

Référentiel géocentrique

Le référentiel géocentrique a pour origine le centre de gravité (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur. Il est également le point d'intersection de tous...) terrestre, et ses axes sont définis par rapport à des étoiles. Ainsi, la rotation de la Terre autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) d'elle même est prise en compte, et ce référentiel peut être considéré comme galiléen sur des expériences terrestres "peu longues" (une journée maximum), car la révolution de la Terre autour du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée d'hydrogène...) n'est alors pas prise en compte.

Référentiel de Copernic

Le référentiel de Copernic a pour origine le centre de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système...), qui n'est pas exactement le centre du Soleil, et ses axes sont définis par rapport à des étoiles. Il est utilisé en tant que référentiel galiléen lorsque l'on considère des expériences terrestres "longues" où la rotation de la Terre, autour du Soleil, ne peut être négligée.

Référentiel de Kepler

Le référentiel de Kepler (ou référentiel héliocentrique) a pour point fixe (En mathématiques, pour une application f d’un ensemble E dans lui-même, un élément x de E est un point fixe de f si f(x) = x.) le centre du Soleil. Les expériences prouvent que l'on peut le considérer comme galiléen avec une très bonne précision.

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