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Action.
- Dans son sens restreint à celui de grandeur physique, l'action
correspond à une quantité de travail ou à une énergie
multipliée par une durée ou à une impulsion multipliée
par une longueur). Un peu abstraite, cette grandeur est construite à
partir des différentes variables qui définissent un système
dynamique. L'étude des valeurs extrêmes qu'elle peut prendre
(en particulier son minimum, mais pas nécessairement) permet de
raisonner sur l'évolution du système considérée.
Historiquement, c'est sous l'appellation
de quantité d'action introduite par Maupertuis
dans les Mémoires de l'Académie des Sciences de Paris
1744, et dans ceux de l'Académie de Berlin 1746, que ce terme
est apparu en physique. Il était défini par Maupertuis comme
égal au produit de la masse d'un corps par l'espace qu'il parcourt
et par sa vitesse. Maupertuis désignait sous le nom de Loi d'économie
(lex parcimoniae) ou de principe de moindre action la proposition
selon laquelle dans les changements qui se font dans l'état d'un
corps, la quantité d'action nécessaire pour produire ce changement,
est la moindre qu'il est possible. Il a cherché à appliquer
ce principe à la recherche des lois de la réfraction, des
lois du choc, des lois de l'équilibre, etc. Il s'est même
risqué à des conséquences plus périlleuses
sur l'existence d'un premier Être...
Maupertuis que nous venons de citer, l'auteur
a ainsi cherché à allier la métaphysique des causes
finales avec les vérités fondamentales de la mécanique;
faire dépendre d'une même loi le choc des corps élastiques
et celui des corps durs, qui jusqu'ici avaient eu des lois séparées;
et réduire à un même principe les lois du mouvement
et celles de l'équilibre.
Le premier Mémoire où
Maupertuis a donné l'idée de son principe, est du 15 Avril
1744; et à la fin de la même année, Euler
publia son excellent livre : Methodus inveniendi lineas curvas maximi
vel minimi proprietate gaudentes. Dans le supplément qui y avait
été ajouté cet illustre géomètre démontre,
que dans les trajectoires que des corps décrivent par des forces
centrales, la vitesse multipliée par l'élément de
la courbe, fait toujours un minimum. Ce théorème est une
belle application du principe de Maupertuis au mouvement des planètes.
Par le Mémoire du 15 Avril
1744, que nous venons de citer, on voit que les réflexions de Maupertuis,
sur les lois de la réfraction, l'ont conduit au théorème
dont il s'agit. On fait le principe que Fermat ,
et après lui Leibniz ,
ont employé pour expliquer les lois de la réfraction. Ces
géomètres ont prétendu qu'un corpuscule de lumière
qui va d'un point à un autre en traversant deux milieux différents,
dans chacun desquels il a une vitesse différente, doit y aller dans
le temps le plus court qu'il est possible : et d'après ce principe,
ils ont démontré géométriquement que ce corpuscule
ne doit point aller d'un point à autre en ligne droite, mais qu'étant
arrivé sur la surface qui sépare les deux milieux; il doit
changer de direction, de manière que le sinus de son incidence soit
au sinus de sa réfraction comme sa vitesse dans le premier milieu
est à sa vitesse dans le second; d'où ils ont déduit
la loi si connue des rapports constants des sinus.
Dès cette époque, cette explication,
quoique fort ingénieuse, fut sujette à une certaine perplexité;
c'est qu'il faudrait que le corpuscule s'approchât de la perpendiculaire
dans les milieux où sa vitesse est moindre, et qui par conséquent
lui résistent davantage : ce qui paraît contraire à
toutes les explications mécaniques qu'on a donné jusqu'à
à présent de la réfraction des corps, et en particulier
de la réfraction de la lumière.
L'explication entre autres qu'a imaginée
Newton ,
jugée alors la plus satisfaisante de toutes celles qui ont été
données jusque là, rendait parfaitement raison du rapport
constant des sinus, en attribuant la réfraction des rayons à
la force attractive des milieux; d'où il s'en fuit que les milieux
plus denses, dont l'attraction est plus forte, doivent approcher le rayon
de la perpendiculaire : ce qui était en effet confirmé,
semblait-il, par l'expérience. Or l'attraction du milieu ne saurait
approcher le rayon de la perpendiculaire, sans augmenter sa vitesse, comme
on peut le démontrer aisément : ainsi suivant Newton, la
réfraction doit se faire en s'approchant de la perpendiculaire lorsque
la vitesse augmente; ce qui était contraire à la loi de Fermat
et Leibniz
Maupertuis a cherché à concilier
l'explication de Newton avec les principes métaphysiques. Au lieu
de supposer avec Fermat et Leibniz, qu'un corpuscule de lumière
va d'un point à un suppose qu'un corpuscule de lumière va
d'un point à un autre, de manière que la quantité
d'action soit la moindre qu'il est possible.
Cette quantité d'action, disait-il,
est la vraie dépense que la nature ménage. Par ce principe
philosophique, il trouvait que non seulement les sinus sont en raison constante
mais qu'ils sont en raison inverse des vitesses (ce qui s'accordait avec
l'explication de Newton) et non pas en raison directe, comme le prétendaient
Fermat et Leibniz. (Brisson).
Le principe de moindre action tel qu'il
était présenté par Maupertuis, et rendu célèbre
par plaisanteries si sensées de Voltaire
n'avait pas la portée que lui attribuait son auteur. La médiocrité
du personnage, académicien à vingt-quatre ans, sans avoir
fait, dira J. Bertrand, ses preuves en aucun genre, le rendait incapable
d'élever son idée à la hauteur d'un principe. Bien
qu'il en ait déduit les lois de la réflexion et de la réfraction
de la lumière, ainsi que celles du choc des corps, il était
réservé à Lagrange
de faire à l'équation générale de la dynamique
l'application du calcul des variations, qu'il a créé, et
d'en tirer le principe de la moindre action. Mais laissons s'exprimer à
ce sujet l'illustre auteur de la Mécanique analytique :
Les
applications de Maupertuis, dit-il, sont trop particulières pour
servir à établir la vérité d'un principe général;
elles ont d'ailleurs quelque chose de vague et d'arbitraire, qui ne peut
que rendre incertaines les conséquences qu'on en pourrait tirer
pour l'exactitude même da principe. Aussi l'on aurait tort, ce me
semble, de mettre ce principe présenté ainsi (à la
façon de Maupertuis) sur la même ligne que ceux que nous venons
d'exposer (ceux des forces vives, des aires et du mouvement du centré
de gravité). Mais il y a une autre manière de l'envisager,
plus générale et plus rigoureuse, et qui mérite seule
l'attention des géomètres. Euler en a donné la première
idée à la fin de son Traité des Isopérimètres
(Lausanne, 1744), en y faisant voir que, dans les trajectoires décrites
par des forces centrales, l'intégrale de la vitesse multipliée
par l'élément de la courbe fait toujours un maximum ou un
minimum. - Cette propriété qu'Euler avait trouvée
dans le mouvement des corps isolés, et qui paraissait bornée
à ces corps, je l'ai étendue, par le moyen de la conservation
des forces vives, au mouvement de tout système de corps qui agissent
les uns sur les autres d'une manière quelconque; et il en est résulté
ce nouveau principe général, que la somme des produits des
masses par les intégrales des vitesses multipliées par les
éléments des espaces parcourus est constamment maximum ou
minimum.
Il résulte de ce passage de la Mécanique
analytique que le principe de la moindre action n'est applicable qu'autant
que celui des "forces vives", c'est-à-dire en somme de l'énergie,
dont il se déduit, l'est lui-même, c.-à-d. qu'autant
qu'on se borne à considérer le mouvement d'un système
de points matériels soumis à des liaisons indépendantes
du temps et sollicité par des forces avant pour composantes les
dérivées partielles d'une même fonction. |
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