Repousse pour avancer

Une fusée avance en projetant de la masse vers l’arrière. C’est tout le principe. Tout ce que la fusée éjecte (du gaz chaud pour une vraie fusée, un jet d’eau pour une fusée à eau) s’appelle l’échappement. Quand la fusée pousse l’échappement vers l’arrière, l’échappement pousse la fusée vers l’avant.

C’est la troisième loi de Newton : quand l’objet A pousse l’objet B, l’objet B repousse l’objet A avec une force de même intensité et de direction opposée. Les deux forces forment une paire. Elles agissent sur des objets différents, donc elles ne s’annulent pas. La poussée exercée sur l’échappement fait accélérer l’échappement vers l’arrière ; la poussée exercée sur la fusée fait accélérer la fusée vers l’avant.

La même idée peut s’écrire avec la quantité de mouvement, qui est le produit de la masse par la vitesse (p = m v). Si rien à l’extérieur ne pousse le système, sa quantité de mouvement totale ne peut pas changer. Une fusée et ses gaz d’échappement sont initialement immobiles, donc leur quantité de mouvement totale est d’abord nulle et le reste :

m_rocket × v_rocket + m_exhaust × v_exhaust = 0, donc m_rocket × v_rocket = −m_exhaust × v_exhaust

Le signe moins indique que les deux vitesses sont orientées dans des directions opposées.

Un exemple imaginaire sans fusée du tout : un patineur de 60 kg, immobile sur une glace très lisse, lance une balle de 3 kg vers l’avant à 10 m/s. La balle gagne 3 × 10 = 30 kg·m/s, alors le patineur doit gagner la même quantité vers l’arrière : v = 30 ÷ 60 = 0,5 m/s dans l’autre direction. Une fusée, c’est ce patineur qui lance une toute petite balle, encore et encore, à une vitesse extrêmement élevée.

Contre quoi la fusée pousse-t-elle ? Pas contre l’air, ni contre le sol. Elle pousse contre son propre échappement, qu’elle emporte avec elle. C’est pourquoi une fusée fonctionne dans l’espace vide, où il n’y a rien d’autre contre quoi pousser. En fait, elle y fonctionne même un peu mieux, comme tu le verras dans le Monde 4.

Cela a autrefois surpris certaines personnes. En 1920, un éditorial de journal doutait qu’une fusée puisse fonctionner dans l’espace, car elle n’aurait « rien contre quoi pousser ». Le même journal a publié une correction en juillet 1969, alors qu’Apollo 11 était en route vers la Lune.