Référentiel : qu'est-ce que c'est ?

Un référentiel est un système matériel servant de référence lorsqu'on veut décrire un objet en physique. Il se constitue d'un système de coordonnées dans l'espace-temps, en 4 dimensions selon la description que l'on veut faire : chaque point, ou objet, peut donc être décrit par trois coordonnées spatiales, et une temporelle. La description de l'objet que l'on étudie, qu'il s'agisse de sa position ou de son mouvement, se projette ensuite dans ce référentiel. Par exemple, une personne qui « marche à 5 km/h » par rapport au sol, est immobile par rapport à elle-même donc dans son propre référentiel, et semble tourner si l'on regarde par rapport au centre de la Terre. Attention à ne pas confondre référentiel et système de coordonnées : un objet peut être décrit dans un même référentiel selon différents systèmes de coordonnées, les plus utilisés étant sphérique, cylindrique et cartésien. 

Les référentiels galiléens

On distingue les référentiels dits « galiléens », ou « inertiels » des autres : dans les galiléens, le principe d'inertie s'applique, c'est-à-dire qu'un corps ponctuel ne subissant aucune force sera soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme (à vitesse constante, dans une direction constante). En physique, les référentiels inertiels les plus utilisés sont les référentiels géocentriquegéocentrique, où le point d'origine du système de coordonnées est le centre de massemasse de la Terre, héliocentriquehéliocentrique, où il se trouve au centre de masse du SoleilSoleil, et de CopernicCopernic, où cette fois il se trouve au centre de masse du Système solaireSystème solaire. Les trois axes pointent dans les deux cas vers des étoilesétoiles suffisamment éloignées pour paraitre fixes.

Ici, le système de coordonnées sphériques, qui peut être utilisé dans le cas des référentiels géocentrique ou héliocentrique. Dans ce cas O représente le centre de masse de la Terre (ou du Soleil), et les trois axes x, y et z représentent les droites qui relient le centre de masse de la Terre (ou du Soleil) à des étoiles très éloignées. © Cronholm144, Wikimedia commons

L'autre référentiel le plus utilisé, le référentiel terrestre, prend comme origine un point du sol. Il n'est pas galiléen car la Terre tourne sur elle-même, mais peut le devenir si la duréedurée de l'expérience est suffisamment faible pour négliger la rotation de la Terre. De même, les référentiels géocentrique et héliocentrique ne sont considérés galiléens que si la durée de l'expérience est inférieure à une année pour le cas du géocentrique (pour négliger la rotation de la Terre autour du Soleil), et plusieurs millions d'années pour l'héliocentrique et celui de Copernic (pour négliger le mouvement du Soleil dans la galaxiegalaxie).