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Travaux en mathématiquesEn 1731, il obtient une démonstration du fait remarquable dû à Newton que toutes les courbes du troisième ordre sont des projections de cinq paraboles particulières. Il devient membre de la Royal Society le 27 octobre 1737.
En 1736, avec Pierre Louis Moreau de Maupertuis, il participe à l'expédition en Laponie dont l'objet est d'estimer la longueur d'un degré de méridien. À son retour, il publie un traité Théorie de la figure de la terre (1743), où il démontre le théorème, connu sous le nom de « théorème de Clairaut », qui relie l'aplatissement géométrique f à la surface d'un ellipsoïde en rotation à une quantité cinétique (le facteur de forme géodynamique J2) et à une quantité dynamique q, représentant le rapport de la force centrifuge à la pesanteur à l'équateur. Ce travail est fondé sur un article de Colin Maclaurin, qui avait démontré qu'une masse homogène de fluide en rotation régulière autour d'une ligne passant par son centre de gravité, sous l'attraction mutuelle de ses particules, prenait la forme d'un sphéroïde. Ce travail de Clairaut traite des sphéroïdes hétérogènes et contient la preuve de sa formule pour l'effet d'accélération de la pesanteur en un point de l'endroit de latitude l.
Il obtient une solution approximative ingénieuse au problème des trois corps. Impressionné par la puissance de la géométrie dans les écrits de Newton et de Maclaurin, l'analyse est abandonnée par Clairaut, et son travail suivant, une Théorie de la lune (1752), est strictement de nature newtonienne. Il contient l'explication du mouvement de l'apside qui avait précédemment embarrassé les astronomes, et que Clairaut avait d'abord considéré comme si inexplicable qu'il était sur le point de publier une nouvelle hypothèse sur la loi de l'attraction. Il a alors l'idée de faire une approximation au troisième ordre, qui lui permet de constater que le résultat était conforme aux observations. Celui-ci est suivi en 1754 de quelques tables lunaires et, en 1759, il calcule le périhélie de la comète de Halley. Il trouve également les solutions singulières de certaines équations du premier ordre et d'ordres plus élevés.