Rapidité (relativité)

En relativité restreinte, la rapidité est une mesure du mouvement. À faible vitesse, la rapidité et la vitesse sont égales (au coefficient multiplicateur c près), mais contrairement à la vitesse qui tend asymptotiquement vers la vitesse de la lumière, la rapidité continue à augmenter linéairement à l'infini. L'intérêt de la rapidité vient du fait que, de par son caractère linéaire, elle préserve la relation de la mécanique classique entre vitesse et accélération (un voyageur peut donc calculer sa rapidité en intégrant dans le temps, une mesure fournie par un accéléromètre). La rapidité permet aussi d'exprimer les transformations de Lorentz comme rotation hyperbolique dans l'espace de Minkowski.

La rapidité est une quantité sans dimension.

La rapidité est rarement utilisée dans les calculs car elle est moins pratique que la quadrivitesse dans les formules d'invariance de l'impulsion. De plus, elle nécessite de choisir un référentiel qui isole le vecteur vitesse ou de la différence des vitesses sur un seul axe.

Définition

La rapidité $\ \varphi$ d'un objet par rapport à un référentiel inertiel est l'argument hyperbolique défini par :

$\varphi =\operatorname {artanh} {\left({\frac {v}{c}}\right)}={\frac {1}{2}}\ln \left({\frac {1+{\frac {v}{c}}}{1-{\frac {v}{c}}}}\right)$,

et par :

$\varphi =\operatorname {arcosh} {\left(\gamma \right)}=\ln \left(\gamma +{\sqrt {\gamma ^{2}-1}}\right)$,

où :

• v est la vitesse dans ce référentiel ;
• c la vitesse de la lumière ;
• γ est la facteur de Lorentz ;
• artanh la fonction réciproque de la tangente hyperbolique ;
• arcosh est la fonction réciproque de la fonction réciproque du cosinus hyperbolique ;
• ln est la fonction logarithme népérien.

Détails

Soit un corps se déplaçant à la vitesse $w\,$ par rapport à un référentiel R, qui lui-même se déplace à la vitesse $v\,$ par rapport à un autre référentiel R', en supposant que ${\vec {w}}//{\vec {v}}$. La vitesse du corps par rapport à ce second référentiel est $w'\,$, calculée par : $w'\,=\,{\frac {w+v}{1+(wv/c^{2})}}\,$

En posant ${\frac {w}{c}}=\operatorname {tanh} \left(\theta \right)\,,{\frac {w'}{c}}=\operatorname {tanh} \left(\theta '\right)\,,{\frac {v}{c}}=\operatorname {tanh} \left(\varphi \right)\,,$ on obtient, avec l'hypothèse que ${\vec {w}}//{\vec {v}}$ et avec les formules de trigonométrie hyperbolique : $\ \theta '=\theta +\varphi$

Histoire

La rapidité est ainsi désignée à la suite du physicien britannique Alfred Robb (1873-1936).

Bibliographie

• [Robb 1911] (en) Alfred A. Robb, Optical geometry of motion : a new view of the theory of relativity [« Géométrie optique du mouvement : une nouvelle vision de la théorie de la relativité »], Cambridge, W. Heffer, 1911, 1^re éd., 1 vol., [II]-32, 23 cm (OCLC 12875850, lire en ligne).

• [Gourgoulhon 2010] Éric Gourgoulhon (préf. Thibault Damour), Relativité restreinte : des particules à l'astrophysique, Les Ulis et Paris, EDP Sciences et CNRS Éditions, coll. « Savoirs actuels / Physique », mai 2010, 1^re éd., XXVI-776 p., 23 cm (ISBN 978-2-7598-0067-4, EAN 9782759800674, OCLC 690639994, BNF 41411713, SUDOC 14466514X, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Lévy-Leblond et Provost 1979] (en) Jean‐Marc Lévy-Leblond et Jean‐Pierre Provost, « Additivity, rapidity, relativity » [« Additivité, rapidité, relativité »], Am. J. Phys., vol. 47, n^o 12,‎ déc. 1979, p. 1045-1049 (OCLC 4660591626, DOI 10.1119/1.11972, Bibcode 1979AmJPh..47.1045L, résumé).
• [Lévy-Leblond 1980] (en) Jean-Marc Lévy-Leblond, « Speed(s) » [« Vitesse(s) »], Am. J. Phys., vol. 48, n^o 5,‎ mai 1980, p. 345-347 (OCLC 4660605214, DOI 10.1119/1.12093, Bibcode 1980AmJPh..48..345L, résumé).
• James H. Smith, Introduction à la relativité, InterEditions (1968). 2^e édition avec exercices corrigés (1979) (ISBN 2-7296-0088-4). Réédité par Masson (Dunod - 3^e édition - 1997), (ISBN 2225829853).
• Notes de cours[PDF] du professeur J.M. Raimond du Département de Physique de l’Ecole normale supérieure(ENS), pages 88 à 90.

Manuels d'enseignement supérieur

• [Pérez 2016] José-Philippe Pérez (avec la collab. d'Éric Anterrieu), Relativité : fondements et applications, Paris, Dunod, hors coll. / sciences et techniques, mai 2016 (réimpr. oct. 2017), 3^e éd. (1^re éd. sept. 1999), 1 vol., XXIII-439, ill., fig. et tabl., 17,7 × 24 cm, br. (ISBN 978-2-10-077295-7 et 978-2-10-074717-7, EAN 9782100747177, OCLC 949876980, BNF 45033071, SUDOC 193153297, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Semay et Silvestre-Brac 2016] Claude Semay et Bernard Silvestre-Brac, Relativité restreinte : bases et applications, Paris, Dunod, coll. « Sciences sup », mars 2016, 3^e éd. (1^re éd. oct. 2005), 1 vol., X-309, ill. et fig., 17,1 × 24 cm, br. (ISBN 978-2-10-074703-0, EAN 9782100747030, OCLC 945975983, BNF 45019762, SUDOC 192365681, présentation en ligne, lire en ligne).