La masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur...) étalon représentant le kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).).

La masse est une propriété fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont...) qui se manifeste à la fois par l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle)....) des corps et leur interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une...) gravitationnelle.

L'unité SI de masse est le kilogramme (kg) et non pas le gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS....) (g). On utilise également la tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; ...), égale à 1 000 kg, et l'unité de masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope (Le noyau d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la...) est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes...) d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de...).

Masse et quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre...) de matière

La masse ne mesure pas la quantité de matière !

Le Système international d'unités établit une distinction fondamentale entre la quantité de matière, mesurée en mole, et la masse, mesurée en kilogramme.

Prenons un exemple. Trois moles d'hélium (Table complète - Table étendue) 4 contiennent exactement le même nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) de protons, de neutrons et d'électrons, donc exactement la même quantité de matière, qu'une mole de carbone (Table complète - Table étendue) 12, soit 6 moles de protons, 6 moles de neutrons et 6 moles d'électrons. Or il se trouve que la masse d'une mole de carbone 12 vaut exactement 12 grammes (par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les...) même du nombre d'Avogadro) alors que la masse de trois moles d'hélium 4 vaut 3 x 4,0026^[1] = 12,0078 grammes. Des quantités de matière rigoureusement identiques peuvent donc avoir des masses différentes.

Dans l'exemple précédent, la différence de masse observée s'explique par la différence entre les énergies de liaison nucléaire (La liaison nucléaire est le phénomène qui assure la cohésion d'un noyau atomique.) de l'hélium et du carbone.

Masse et poids (Le poids d'un corps nu ou force de pesanteur est la force exercée sur un corps (de masse m) immobile dans le...)

Il ne faut pas confondre la masse et le poids, ce dernier étant la mesure de l'interaction de la masse et du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) (le poids est une force).

La confusion entre masse et poids provient du fait qu'on a longtemps utilisé le même mot "kilogramme" pour désigner les unités de mesure de ces deux grandeurs physiques de nature très différentes. Leurs équations aux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa...), respectivement M et ML/T², le montrent clairement. Le Système International des mesures (SI) a corrigé cette confusion puisque l'unité de force et donc aussi de poids, y est exprimée en newtons (N).

Masse inerte et masse grave

Dans les modèles physiques, la masse d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois...) intervient dans deux phénomènes distincts et a priori indépendants, régissant le mouvement des objets :

• la masse inertielle qui caractérise la quantité de mouvement d'un objet en déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En...) (la quantité de mouvement globale de l'univers (On nomme univers l'ensemble de tout ce qui existe, comprenant la totalité des êtres et des choses (celle-ci comprenant...) est une quantité qui se conserve).
• la masse grave (ou pesante) qui mesure l'influence d'un corps sur le champ gravitationnel.

S'il n'y a aucune raison théorique connue pour que ces deux quantités soient dépendantes l'une de l'autre, tous les résultats expérimentaux indiquent qu'elles sont directement proportionnelles. Cette équivalence implique le principe de la chute des corps exposé par Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un...) puis Evangelista Torricelli : la vitesse d'un corps en chute libre ne dépend pas de sa masse.

Examinons d'un peu plus près le mouvement d'un corps en chute libre dans le voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite...) immédiat de la Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant...). Pour les besoins du raisonnement, nous utiliserons des indices différents pour distinguer la masse inerte m_i de la masse grave m_g .

Le mouvement d'un corps en chute libre obéit à la deuxième loi du mouvement de Newton, qui fait intervenir la masse inerte :

F = m_ia ,

où F est la résultante de toutes les forces appliquées sur le corps et a son accélération (Dans la vie courante, on distingue trois événements que le physicien regroupe sous le seul concept d'accélération :).

Or la seule force appliquée sur un corps en chute libre est son poids, c'est-à-dire la force d'attraction exercée sur le corps par la Terre. Cette force, donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose,...) par la loi de la gravitation universelle, dépend de la masse grave de chacun des corps en présence :

F = G m_gM_g / R²,

où G est une constante universelle, M_g la masse de la Terre et R son rayon.

Il découle des deux équations précédentes que

m_ia = G m_gM_g / R².

Isolons l'accélération :

a = (m_g / m_i) G M_g / R².

En posant g = G M_g / R², on obtient finalement

a = (m_g / m_i) g ,

où g représente l'intensité du champ de pesanteur (Depuis les expériences de Galilée, on observe que dans un lieu donné tous les corps libres chutent en subissant la même...) au voisinage de la Terre.

Puisque toutes les expériences semblent démontrer que l'accélération en chute libre est la même pour tous les corps, le rapport m_g / m_i (dont dépend en fait la valeur de G) doit être une constante. L'intuition que la masse inerte et la masse grave ne représentent en fait qu'une seule et même propriété de la matière conduit à poser m_i = m_g .

C'est d'ailleurs cette intuition de l'équivalence entre masse inerte et masse grave qui a conduit Albert Einstein (Albert Einstein (14 mars 1879 à Ulm, Württemberg, Allemagne - 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey, États-Unis)...) à supposer que la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) résulte en fait de la déformation de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de...) et lui a permis de formuler les lois de la relativité générale (La relativité générale est une théorie relativiste de la gravitation. Dans ce cadre, la présence d'une masse déforme...).

À notre échelle, cette équivalence semble évidente, et elle est démontrée expérimentalement à 10^-12 près. Pourtant, certaines théories scientifiques comme la théorie des cordes prédisent qu'elle pourrait cesser d'être vérifiée à des échelles beaucoup plus fines.

Masse et énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la...)

À l'échelle des atomes, de la matière peut se transformer en onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés...) électromagnétique, et une onde électromagnétique peut se transformer en matière. Plus exactement, des particules ayant une masse non nulle (neutrons, protons), peuvent se transformer à la suite d'une collision (On appelle collision le choc entre deux objets.) en particules élémentaires de masse nulle (photons, neutrinos...). C'est le principe des réactions nucléaires, par exemple utilisées pour produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par...). Dans les accélérateurs de particules, on observe fréquemment ce genre de transformation. À l'inverse, un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique....) γ, de masse nulle, peut se décomposer après collision sur un atome en une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron-positron, ayant une masse.

Lors de ces transformations, la loi de la conservation de l'énergie est respectée, la masse peut donc s'exprimer sous la forme d'une énergie :

avec

• E énergie de masse
• m masse
• c vitesse de la lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des...) dans le vide (Le vide est avant tout un concept philosophique. Il désigne l'absence de matière.)

Masse corporelle

La masse corporelle est la masse d'un être humain. Dans le langage courant, elle est souvent appelée à tort « poids ».

Voir 

• indice de masse corporelle (IMC)
• obésité
• sous-alimentation

Mesure de la masse

La mesure de la masse s'appelle le pesage, bien que ce terme provienne du mot « poids ».

La seule manière de mesurer directement une masse consiste à la comparer à une autre masse ; c'est le principe des balances.

On peut aussi estimer la masse à partir du poids, c'est-à-dire que l'on mesure la force qu'exerce l'objet à peser ; le dispositif est en fait un dynamomètre (Un dynamomètre est un appareil de mesure des forces utilisant généralement un ressort dont on connaît le coefficient...). C'est le cas le plus courant des pèse-personne et des balances électroniques.

On peut aussi estimer une masse par la perturbation du champ de gravité qu'elle induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de...). Cette mesure par gravimétrie n'est utilisable que pour les objets extrêmement lourds, et est utilisée en géologie pour estimer la taille d'une formation rocheuse, ainsi qu'en archéologie (la gravimétrie a permis de détecter une chambre cachée dans une pyramide).

Remarques

Ce n'est probablement pas un hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque apparent, sinon de causes, au moins de...) si le kilogramme étalon du BIPM a la même masse qu'un litre d'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un...).

Il faut se rappeler que la livre, en France, n'avait pas la même valeur sur tout le territoire : la provençale, la parisienne ou encore la bretonne n'avaient pas tout à fait la même valeur et aujourd'hui encore la livre tout comme le gallon n'ont pas la même valeur aux USA et au Royaume-Uni.

Beaucoup de marchandises se vendaient par volume (En physique, le volume d'un objet mesure « l'extension dans l'espace » qu'il possède dans les trois...), par boisseaux ou encore par barils, soit 18 boisseaux (235 litres) — différent du baril pétrolier (Un pétrolier est un navire citerne servant à transporter le pétrole ainsi que ses dérivés (essence). Pour le transport...) qui ne fait que 158,98 litres.

Dans l'Union européenne, de nombreuses masses (et volumes), sur les produits de consommations, sont indiqués en quantité estimée (La quantité estimée est une notion, introduite par des directives de la CEE, concernant l'harmonisation (rapprochement...). Ils sont marqués comme tel, d'un "e" minuscule.

La masse d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de...), d'un atome ou d'une molécule est parfaitement définie ; ceci justifie le fait que le BIPM ait rajouté la notion de quantité de matière qui se mesure en moles sachant que une mole de carbone-12^[2] a une masse de 12 grammes : la mole étant un nombre entier dit nombre d'Avogadro.

Les réactions chimiques se font en combinant des atomes entiers : c'est pour cela que nombre d'Avogadro est un nombre entier.

Notes et références