Théorie sur la force appliquée à un objet en chute libre
       

       
         
         

maryvonne.rachex@alphyra.com

      Salut Albert,

C'est vraiment un honneur de pouvoir parler avec toi.
Peux-tu me répondre sur un problème physique que je n'arrive pas à comprendre.

Je m'explique: Durant mes études j'ai appris que la somme des forces extérieures appliquées à un objet est égale à la masse multipliée par l'accélération (Newton) et que la force P=masse multipliée par la gravité (sur terre g=9.8) et donc qu'un objet en chute libre (en négligeant l'air) n'est soumis qu'à la seule force de la gravité car p=mg=ma donc a=g (j'fais pas les vecteurs mais je pense que t'as compris).
Concrètement j'ai compris le raisonnement. Maintenant mon problème c'est que je ne peux comprendre logiquement que la masse de l'objet ait une influence importante au sol (il est difficile de soulever une tonne à mains nues) et qu'elle n'ait pas d'influence dans l'air ou plutôt dans le vide (une tonne tombe aussi vite au sol que 10 kilos).
Surtout quand on admet que l'attirance se fait en fonction soi disant des masses (attraction des planètes).
Pourrais-tu m'éclairer sur ce sujet.
Cordialement:
Hubert

 

        
          

Albert Einstein


 
Cher Hubert,

Je dirais de prime abord que vous devez distinguer entre poids, masse et inertie. 
Le poids dépend du lieu où l'on se trouve: le poids n'est pas constant.
La masse est une grandeur constante caractérisant la quantité de matière.
Prenons un astronaute tout équipé ayant un poids égal à 980 N sur la Terre. Quel est son poids sur la lune ? Rappelons que l'attraction lunaire est 6 fois plus petite que l'attraction terrestre) . Que devient la masse de l'astronaute sur la Lune? 
Sur la lune le poids de l'astronaute est 6 fois plus petit que sur terre: 163 N. La masse reste la même soit : 980 / 9,8 =100 kg.

Voyons quelques définitions:

La masse

La masse, telle que définie par les physiciens, est une mesure de l'inertie d'un corps, de sa tendance à conserver son état d'immobilité ou de mouvement à vitesse constante. Il faut en effet fournir un plus grand effort pour modifier le mouvement d'un objet plus massif. L'unité du système métrique pour la masse est le kilogramme (kg). La masse d'un objet peut être mesurée à l'aide d'une balance et est une caractéristique intrinsèque de l'objet en question. La balance sert en fait à comparer la masse de cet objet avec des étalons, des objets dont la masse est déjà connue. La machine simple qui est à la base du fonctionnement de la balance est le levier.

Le poids

Le poids est la mesure de la force que subit un objet massif lorsqu'il est placé dans un champ gravitationnel. L'unité métrique pour le poids, de même que pour toute autre force, est le newton (N). Le poids d'un objet varie donc s'il est placé dans différents champs gravitationnels, mais sa masse sera toujours la même. Le poids, parfois appelé force gravitationnelle, est donc une qualité extrinsèque d'un objet, puisqu'il varie selon un facteur qui lui est externe.

Le poids d'un objet est mesuré grâce à un appareil appelé dynamomètre. Le fonctionnement de cet appareil est souvent basé sur la déformation que subit un ressort lorsqu'il est soumis à une force d'étirement ou de compression. C'est d'ailleurs de cette manière que fonctionnent la plupart des pèse-personnes qu'on trouve dans nos salles de bain et qu'on appelle à tort balance. S'il est possible d'obtenir notre masse directement en kilogrammes (ou en livres) lorsqu'on se pèse, c'est parce que l'appareil effectue une conversion pour nous, puisque le poids est directement lié à la masse par l'accélération gravitationnelle.



différence entre la masse pesante et la masse d'inertie

Prenons un exemple:

Vous vous trouvez au super marché devant un stock de sacs de pommes de terre. Vous prenez un de ces sacs calibré à 20 kg. Si vous tenez ce sac à bout de bras, les effets ressentis seront incontestablement liés à sa masse pesante. Ces effets disparaîtront lorsque le sac sera déposé dans le chariot. 

Si vous voulez maintenant, mettre le chariot en mouvement, ralentir brusquement, prendre un virage (si possible « serré » et en se déplaçant assez vite), vous vous rendrez compte que les efforts à fournir sont beaucoup plus importants que si le chariot était vide. Il s'agit dans ce cas des effets liés à la masse inerte (du sac). 

NB : Le sac de pommes de terre peut, sans rien changer à la démonstration, être remplacé par des packs d'eau minérale et d'autre part (fameux principe de l'inertie ) la différence entre le chariot plein et le chariot vide, en ce qui concerne les efforts à fournir pour avancer en ligne droite et à vitesse constante, sera minime ou négligeable. En considérant bien sûr que les inévitables frottements demeurent faibles et que cette saleté de roulette qui a trop souvent la manie de se mettre en travers lorsqu'on pousse le chariot ne fasse pas des siennes. 

Apparaît un point intéressant sur lequel l'accent n'est pas mis assez nettement. Il s'agit de faire la différence, dans l'environnement terrestre, entre les champs de pesanteur et de gravitation. 

Je vous livre une petite histoire qui pourrait être mise en parallèle avec ma célèbre anecdote, du savant qui lâche sa clé dans un ascenseur tombant en chute libre ( la comparaison s'arrêtera là ) : Imaginons un super ingénieur capable de construire à l'équateur une tour extraordinaire (dite hypertour) de 36000 km de hauteur (plus de 100 000 tours Eiffel superposées). Après un tel exploit, sa santé mentale étant quelque peu altérée, il décide (en ayant revêtu un scaphandre) de se jeter dans le vide depuis le haut de la tour. Décrire son mouvement de chute. 

Réponse : Il n'y a pas de chute, il reste immobile au voisinage du sommet de la tour, il est en orbite (référentiel géocentrique) géostationnaire (référentiel terrestre). Son poids est nul, un pèse-personne emporté en haut de la tour l'aurait confirmé. S'il s'était jeté d'une hauteur moins élevée, il serait parti vers l'est (référentiel terrestre et force de Coriolis engendrée par la prise de vitesse) avec le risque de « tomber » en dehors de la terre (pour revenir ensuite à son point de départ). Si la tour avait été plus élevée, il serait parti vers le haut, son poids étant, dans ce cas, devenu négatif. 

La différence entre pesanteur et gravitation n'est bien qu'une question de référentiel. 

N.B : Cet exemple peut nous aider à comprendre la différence subtile que l'on peut faire entre l'a-pesanteur (cas précédent) et l'im-pesanteur (référentiel d'un véhicule spatial en mouvement balistique, comme dans mon ascenseur).

Le principe d'équivalence 

Le principe de relativité sur lequel repose la théorie de la relativité restreinte ne s'applique qu'à des corps ou objets se déplaçant avec des vitesses constantes (ou uniformes). Ce principe n'est plus valable dans le cas de corps uniformément accélérés puisque alors, la vitesse croît sans cesse et n'est donc plus constante. Or, dans la nature, on observe peu ou pas de phénomènes mettant en jeu des vitesses uniformes. Notamment, toute masse est soumise à la gravitation qui a pour effet de lui appliquer une force (le poids) et donc une accélération (l'accélération de la pesanteur). Dans le cas des objets situés près de la surface
terrestre, cette accélération possède la valeur de 9,81 m/s2. La limitation du principe de relativité aux seuls objets animés de vitesses uniformes n'était donc pas acceptable au regard des physiciens. Cette faiblesse de la relativité restreinte m'a amené à tenter d'élargir le principe de relativité à des corps accélérés, donnant ainsi naissance à l'une des plus élégantes -sinon la plus élégante- des théories physiques: la théorie de la relativité générale. 

Le point de départ de la relativité générale est le principe d'équivalence qui postule l'égalité entre la masse inerte et la masse gravitationnelle. 

La masse gravitationnelle est celle qui intervient dans la loi de la gravitation universelle telle qu'énoncée par Isaac Newton. Elle détermine l'intensité avec laquelle un objet va être attiré par un autre objet via la force gravitationnelle. Sous l'effet du champ gravitationnel terrestre, la masse gravitationnelle est à l'origine du poids des corps. En physique il existe un autre concept de masse qui lui, est lié aux phénomènes d'inertie. L'inertie d'un objet peut être interprétée comme sa «résistance» à toute modification de l'état de son mouvement. Pour illustrer simplement la notion d'inertie, prenons deux objets très distincts: un poids lourd entièrement chargé de blocs de fonte et une balle de tennis. Il est clair qu'il est beaucoup plus facile de modifier le mouvement d'une balle de tennis (avec une raquette par exemple) que celui d'un camion, même au repos! Plus un corps est massif, plus il est inerte (plus il résiste à la modification de son mouvement). De même, l'inertie croît avec la vitesse. Une voiture au repos peut être déplacée par une ou deux personnes. En revanche, il est impossible pour un individu d'en modifier la trajectoire lorsque celle-ci est animée d'une vitesse de 100 km/h. L'inertie est donc proportionnelle à la masse inerte et à la
vitesse (p = mv). 

Ces deux notions de masse -masse gravitationnelle et masse inerte- sont, on le voit, de natures totalement différentes et n'ont aucune raison, a priori, d'être identiques. Pourtant, elles sont proportionnelles.

La proportionnalité entre la masse gravitationnelle et la masse inerte montre qu'il existe un lien étroit entre les phénomènes d'inertie et la gravitation. En étendant le principe d'équivalence, j'ai énoncé le principe suivant: 

Un référentiel uniformément accéléré est équivalent localement à un champ gravitationnel. Il n'existe pas de moyen pour un observateur situé dans ce référentiel de faire la distinction entre les deux.

Ma réponse peut vous avoir semblé bien longue, mais j'espère vous avoir éclairé sur les points que vous soulevez.

Albert Einstein