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Masse

La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur interaction gravitationnelle.

L'unité SI de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) est le kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) (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. L'abréviation du gramme est g.) (g). On utilise également la tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon...), égale à 1 000 kg, et l'unité de masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la masse atomique est fixée...).

Masse et quantité de matière

La masse ne mesure pas la quantité de matière !

Le Système international d'unités établit une distinction fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) entre la quantité de matière, mesurée en mole, et la masse, mesurée en kilogramme.

Prenons un exemple. Trois moles d'hélium 4 contiennent exactement le même nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protons, de neutrons et d'électrons, donc exactement la même quantité de matière, qu'une mole de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 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 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 de l'hélium et du carbone.

Masse et poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est...)

Il ne faut pas confondre la masse et le poids, ce dernier étant la mesure de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) 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 largeur et sa profondeur/son...), respectivement M et ML/T², le montrent clairement. Le Système International des mesures (SI) a corrigé cette confusion puisque l'unité de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu...) et donc aussi de poids, y est exprimée en newtons (N).

Masse inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) 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 dimensions, qui a une fonction précise, et...) 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 (la quantité de mouvement globale de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) 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 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 plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la...) immédiat de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). 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 ,

F est la résultante de toutes les forces appliquées sur le corps et a son 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 par la loi de la gravitation universelle, dépend de la masse grave de chacun des corps en présence :

F = G m gM g / R 2,

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 / R 2.

Isolons l'accélération :

a = (m g / m i) G M g / R 2.

En posant g = G M g / R 2, on obtient finalement

a = (m g / m i) g ,

g représente l'intensité du champ de pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous les corps matériels au voisinage de la Terre : on observe ainsi qu'en un lieu donné tous les corps libres tombent en direction du sol...) 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 (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis...) à supposer que la gravité résulte en fait de la déformation de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé...) et lui a permis de formuler les lois de la relativité générale.

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

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 des propriétés physiques locales. Elle...) 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 (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) en particules élémentaires de masse nulle (photons, neutrinos...). C'est le principe des réactions nucléaires, par exemple utilisées pour produire de l'électricité. Dans les accélérateurs de particules, on observe fréquemment ce genre de transformation. À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y...), un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) γ, de masse nulle, peut se décomposer après collision sur un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) 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 :

E = m \cdot c^2

avec

  • E énergie de masse
  • m masse
  • c vitesse de la lumière dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.)

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. 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 l'inducteur et de la transformer en électricité...). 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 efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet...) si le kilogramme étalon du BIPM a la même masse qu'un litre (Le litre (du grec λίτρα lítra, ancienne mesure de capacité – une livre de douze onces – égale au...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Il faut se rappeler que la livre, en France, n'avait pas la même valeur sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.), par boisseaux ou encore par barils, soit 18 boisseaux (235 litres) — différent du baril pétrolier 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. Ils sont marqués comme tel, d'un « e » minuscule.

La masse d'un électron, d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) 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

  1. Le Tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique des éléments. donne pour l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le...) 4He une masse atomique relative de 4.002603250.
  2. Le carbone possède deux isotopes stables dans la nature, 12C et 13C. C'est le 12C, qui possède six neutrons, qui sert de base à la définition de la mole.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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