Physique · 4 affiches · formule n° 75
Les lois de Kepler
Les lois de Kepler décrivent le mouvement des planètes autour du Soleil : des ellipses, parcourues plus vite près du Soleil, avec une période qui ne dépend que de la taille de l’orbite. La troisième relie la période au demi-grand axe.
Quatre styles
Les affiches
La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.
Ce que dit la formule
Johannes Kepler a tiré trois lois des observations des planètes. On les énonce aujourd’hui ainsi, pour une planète qui tourne autour du Soleil.
- La loi des orbites. Chaque planète décrit une ellipse dont le Soleil occupe l’un des deux foyers (et non le centre).
- La loi des aires. Le segment qui joint le Soleil à la planète balaie des aires égales en des temps égaux. La planète va donc plus vite quand elle est près du Soleil (au périhélie) que loin de lui (à l’aphélie).
- La loi des périodes. Le carré de la période de révolution est proportionnel au cube du demi-grand axe de l’orbite, avec le même rapport pour toutes les planètes. Newton a donné la valeur de ce rapport :
- : la période de révolution (le temps d’un tour, mesuré par rapport aux étoiles), en secondes.
- : le demi-grand axe de l’ellipse, la moitié de sa plus grande largeur, en mètres. C’est aussi la moyenne de la plus petite et de la plus grande distance au Soleil.
- : la constante de gravitation, environ m³·kg⁻¹·s⁻².
- : la masse du Soleil (ou de l’astre central), en kilogrammes.
Les conditions. Ces lois décrivent le mouvement de deux corps qui s’attirent selon la gravitation de Newton, sans autre perturbation. La formule ci-dessus néglige la masse de la planète devant celle du Soleil ; en toute rigueur, il faut remplacer par . L’attraction des autres planètes déforme aussi un peu les orbites. Les mêmes lois valent pour tout corps en orbite autour d’un autre : la Lune et les satellites autour de la Terre, les lunes de Jupiter, avec la masse de l’astre central à la place de .
En années et en unités astronomiques, la loi devient très simple pour le système solaire : la Terre a an et ua, donc pour toutes les planètes.
Un exemple
Mars. D’après la NASA, le demi-grand axe de l’orbite de Mars vaut environ 1,523 66 ua. La troisième loi prédit une période de an. Avec la valeur de du Soleil donnée par l’Union astronomique internationale ( m³/s²) et la formule exacte, on obtient environ 686,96 jours. La période mesurée, d’après la même fiche de la NASA, est de 686,98 jours : l’écart est d’environ 0,003 %.
Les huit planètes. Le même calcul fait pour toutes les planètes, de Mercure (0,387 ua, environ 88 jours) à Neptune (30,07 ua, environ 60 189 jours, soit près de 165 ans), redonne leurs périodes à mieux que 0,1 % près. Pour Jupiter, l’écart d’environ 0,06 % vient pour une bonne part de sa masse, qui n’est pas tout à fait négligeable : elle vaut environ un millième de celle du Soleil.
Peser le Soleil. On peut retourner la formule : . Avec ua m et l’année sidérale jours, on trouve kg. C’est ainsi qu’on connaît la masse du Soleil, avec la précision de .
La Station spatiale internationale, qui tourne à environ 420 km d’altitude, a une orbite presque circulaire de rayon km autour du centre de la Terre. Avec de la Terre, m³/s², la formule donne minutes : un peu plus de quinze tours par jour.
Pourquoi c’est vrai
Kepler a trouvé ses lois par l’observation, sans en connaître la cause. Newton les a démontrées en 1687 à partir de deux principes : sa deuxième loi et la gravitation en .
La loi des aires est la plus simple à justifier. La gravitation du Soleil est toujours dirigée vers le Soleil (une force centrale). Elle ne peut donc pas faire « tourner » la planète autour de lui : le moment cinétique reste constant. Or, pendant un court instant , le rayon Soleil-planète balaie un petit triangle d’aire . L’aire balayée par unité de temps est donc constante. Cette loi vaut pour toute force centrale, pas seulement pour la gravitation.
La loi des périodes, pour une orbite circulaire de rayon , se démontre en une ligne : la gravitation fournit l’accélération centripète, , d’où . Le détail est sur la page de la gravitation universelle.
La loi des orbites demande plus de calcul. L’idée : en combinant la conservation du moment cinétique et celle de l’énergie, on montre que la distance au Soleil s’écrit , l’équation d’une conique dont le Soleil est un foyer : une ellipse pour une planète liée au Soleil. La démonstration complète dépasse le cadre de cette page. Elle dépend de la forme exacte de la force : avec une attraction en , par exemple, l’orbite ne se refermerait pas et son périhélie tournerait à chaque tour.
Un peu d’histoire
Tycho Brahe, astronome danois, avait accumulé à la fin du XVIe siècle les mesures de positions de planètes les plus précises de son temps. Johannes Kepler, devenu son assistant, hérite de ces observations et s’attaque à l’orbite de Mars, assez excentrique pour qu’un cercle ne convienne pas. Dans Astronomia nova, publié en 1609, il établit que Mars décrit une ellipse et énonce une première forme de la loi des aires.
La troisième loi vient presque dix ans plus tard : Kepler la trouve en 1618 et la publie en 1619 dans Harmonices Mundi. La loi des aires prend sa forme moderne en 1621, dans Epitome Astronomiae Copernicanae.
En 1687, dans les Principia, Isaac Newton montre que ces trois lois découlent de sa loi de la gravitation, et qu’elles s’appliquent aussi aux satellites et aux comètes. Il donne au passage la valeur du rapport , qui dépend de la masse de l’astre central.
Ce que montre l’affiche
Le dessin principal place les huit planètes sur un graphique en échelles logarithmiques : en abscisse le demi-grand axe (en unités astronomiques), en ordonnée la période (en années), avec les valeurs de la NASA. La droite est calculée par la formule elle-même, avec la valeur de du Soleil : en échelles logarithmiques, la loi devient une droite de pente , et les huit points tombent dessus. En haut à gauche, une orbite d’excentricité 0,6 (bien plus allongée que celle des planètes, pour que l’effet se voie) est découpée en douze secteurs parcourus chacun en un douzième de période : les positions sont calculées par l’équation de Kepler, et les secteurs ont tous la même aire, étroits loin du Soleil et larges près de lui. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.
Pour aller plus loin
- La gravitation universelle, dont Newton a déduit les lois de Kepler.
- La deuxième loi de Newton, l’autre ingrédient de la démonstration.
- L’énergie cinétique : une planète gagne de l’énergie cinétique en s’approchant du Soleil.
- Les équations d’Einstein, qui expliquent le petit écart observé sur l’orbite de Mercure.
Sources : Lois de Kepler (Wikipédia) (nouvel onglet), Kepler’s laws of planetary motion (Wikipedia) (nouvel onglet), Kepler’s laws of planetary motion (Encyclopædia Britannica) (nouvel onglet), NASA, Planetary Fact Sheet (nouvel onglet), NASA, fiche de Mars (nouvel onglet), UAI, Current Best Estimates (nouvel onglet), Sidereal year (Wikipedia) (nouvel onglet).
Vérifiée par le calcul
Les contrôles de cette formule
Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode
- dimensions : T²/a³ et 4π²/(GM) en s²·m⁻³[-3,0,2,0,0] contre [-3,0,2,0,0] (m, kg, s, A, K)
- données NASA : la période des huit planètes suit T = 2π√(a³/GM☉) à 0,2 % près-0.000 % ; 0.000 % ; -0.000 % ; 0.003 % ; -0.064 % ; -0.019 % ; -0.074 % ; -0.060 %
- données NASA : T²/a³ est le même pour les huit planètes, à 0,3 % près (en années terrestres et ua terrestres)1.00000 ; 1.00001 ; 1.00000 ; 1.00006 ; 0.99873 ; 0.99963 ; 0.99852 ; 0.99881
- Terre : 2π√(a³/G(M☉ + m)) avec a = 1 ua et m = masse Terre + Lune donne l’année sidérale, 365,256 36 joursobtenu 365.2563402273336, attendu 365.256363004, écart 6.24e-8 (tolérance 2e-7)
- 1re loi : l’orbite calculée est l’ellipse r = p/(1 + e cos θ), le Soleil à un foyerécart maximal 9.24e-14 a
- 2e loi : la vitesse aréolaire ½|r × v| reste constante le long de l’orbiteécart relatif maximal 9.58e-15
- 3e loi : l’orbite calculée se referme au bout de T = 2π√(a³/GM)écart 6.75e-13
- dessin : les 12 points de l’équation de Kepler sont ceux de l’orbite intégrée aux instants kT/12écart maximal 4.99e-13 a
- dessin : les 12 secteurs ont la même aire πab/12aires de 0.209439 à 0.209440, attendu 0.209440
- contre-exemple : force en 1/r^2,2, le périhélie avance à chaque tour (orbite non fermée) ; en 1/r², il reste fixeavance par tour : -0.126° en 1/r², 44.6° en 1/r^2,2
Sources
- Lois de Kepler — Wikipédia (nouvel onglet)
- Kepler’s laws of planetary motion — Wikipedia (nouvel onglet)
- NASA — Planetary Fact Sheet (NSSDCA) (nouvel onglet)
- Kepler’s laws of planetary motion — Encyclopædia Britannica (nouvel onglet)
- UAI — Current Best Estimates (GM du Soleil, unité astronomique) (nouvel onglet)
Questions fréquentes
Quelles sont les trois lois de Kepler ?
Les planètes décrivent des ellipses dont le Soleil est un foyer ; le rayon Soleil-planète balaie des aires égales en des temps égaux ; le carré de la période est proportionnel au cube du demi-grand axe.
Que vaut T²/a³ pour les planètes du système solaire ?
Environ 4π²/(GM) ≈ 2,974 × 10⁻¹⁹ s²/m³, où M est la masse du Soleil. En années et en unités astronomiques, ce rapport vaut presque exactement 1.
Pourquoi une planète va-t-elle plus vite près du Soleil ?
C’est la loi des aires : le rayon Soleil-planète doit balayer la même aire en un temps donné ; quand il est plus court, la planète doit parcourir un plus grand arc. Cela traduit la conservation du moment cinétique.
Les lois de Kepler s’appliquent-elles aux satellites ?
Oui, à tout corps en orbite autour d’un autre, à condition de remplacer la masse du Soleil par celle de l’astre central. Elles donnent par exemple environ 92,8 minutes pour un tour de la Station spatiale internationale.
Quelle est la différence avec la loi de la gravitation de Newton ?
Kepler a décrit comment les planètes bougent, à partir des observations. Newton a expliqué pourquoi, avec la gravitation en 1/r², et en a déduit les trois lois de Kepler.



