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Pesanteur
Tableau montrant la vitesse d'un objet accélérant à 1 g avec le temps. Il ne tient pas compte de la résistance de l'air ou de la vitesse initiale.
Tableau montrant la vitesse d'un objet accélérant à 1 g avec le temps. Il ne tient pas compte de la résistance de l'air ou de la vitesse initiale.

Depuis les expériences de Galilée, on observe que dans un lieu donné tous les corps libres chutent en subissant la même accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur...) verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.). Ce phénomène est appelé pesanteur (Depuis les expériences de Galilée, on observe que dans un lieu donné tous les corps libres chutent en subissant la même accélération verticale. Ce phénomène est appelé pesanteur et est dû à la...) et est dû à la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). À la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) 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...), l'accélération de la pesanteur vaut approximativement 9,81 m s-2.

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 égale à...)

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 qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) 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 force de gravitation (la masse grave)....) m dans un lieu où l'accélération de la pesanteur vaut g, apparaît soumit à une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) verticale, appelée poids de l'objet : P = mg.

En 1903, on a défini le kilogramme-force comme unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être utiles.) force. C'était le poids d'une masse de 1 kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) en un lieu où l'accélération de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) valait gn = 9,80665 m s-2, l’accélération de la gravité standard.

Le kilogramme-force est une unité obsolète, valant 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 définitions réelles et les définitions nominales.) 9,80665 Newton.

Origine de la pesanteur

La première description quantitative de la pesanteur a été donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) par la loi universelle de la gravitation de Newton. La pesanteur à la distance R du centre d'un astre sphérique isolé formé de couches homogènes, et de masse totale M est dirigée vers le centre de l'astre et vaut g=G \frac{M}{R^2} D'après Newton, il existe une force instantanée à distance entre deux masses m et M, valant G \frac{m M}{R^2}.

La théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) générale d'Einstein décrit comment l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de l'espace et du temps telle qu'elle avait été définie par la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein....) se courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les...) à cause de la présence d'une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure...) de masse. Cette théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation...) contient la même constante universelle de gravitation G que la théorie de Newton et coïncide avec elle tant que la pesanteur reste faible. La théorie de Newton est suffisante pour prévoir le mouvement des satellites (Satellite peut faire référence à :) artificiels, mais la théorie d'Einstein est indispensable pour assurer la synchronisation des horloges des satellites GPS.

Pesanteur terrestre

La Terre n'étant pas un astre sphérique isolé formé de couches homogènes, la pesanteur varie en fonction du lieu. La valeur de g = 9,81 n'est qu'approximative, entre autres du fait que la Terre n'est pas parfaitement sphérique et son rayon varie donc en fonction de la latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.), et de l'existence de forces axifuges. Ici on considère le rayon moyen de la Terre, qui vaut 6371 km.

  1. La variation la plus évidente est la variation due à l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...) h. Pour une variation de h petite devant R, la variation relative de l'accélération de la pesanteur vaut − 2Δh / R, soit -3×10-7 par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide...) à la surface de la terre.
  2. À cause de l'aplatissement (L'aplatissement d'une planète est une mesure de son « ellipticité »; une sphère a un aplatissement de 0, alors qu'un disque infiniment mince a un aplatissement de 1.) de la Terre, la pesanteur varie notablement avec la latitude (0,5% d'écart entre l'équateur et les pôles). La non-sphéricité 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 (générateur) ou en force (moteur).) des perturbations des orbites des satellites, dont l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation...) précise à quelques centimètres près par le système d'orbitographie (L'orbitographie, dans le domaine de l'astronautique, est la détermination des éléments orbitaux d'un satellite artificiel.) DORIS fournit, par " calcul inverse ", de précieuses indications sur les écarts par rapport à la forme sphérique.
  3. Les écarts de densité du sous-sol entrainent des variations locales de la pesanteur.
  4. Correction de rotation terrestre. Cette correction est due à la rotation quotidienne de la Terre, qui n'est donc pas un référentiel galiléen (En physique, un référentiel galiléen est un référentiel dans lequel un objet isolé (sur lequel ne s'exerce aucune force ou sur lequel la résultante...). Ce défaut est pris en compte pour un solide au repos par l'ajout à la pesanteur d'une accélération d’entraînement axifuge, dirigée perpendiculairement à l'axe de rotation terrestre, d'expression \vec{a}_{ie} = \left (\frac{2 \pi}{T}\right )^2d \ \vec{u}_r avec T = 86164 s et d la distance entre l'objet et l'axe de rotation terrestre.
  5. Correction des forces de marée, notamment dues à la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne...) et au Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...). Cette correction varie au cours de la journée. Elle est de l'ordre de 2×10-7 à la latitude de 40?.

Il est important de noter que même ainsi corrigée, l'accélération de la pesanteur ne suffit pas pour décrire le mouvement de la chute des corps à la surface de la terre.

  1. Le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) doit être pris en compte. C'est lui qui fait qu'une petite boule tombe "moins vite" qu'une grosse.
  2. La poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) d'Archimède. Si un objet n'est pas pesé sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), il faut ajouter à son poids mesuré le poids du 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.) d'air déplacé. Sans cette correction, un kilogramme de plume (Une plume est, chez les oiseaux, une production tégumentaire complexe constituée de β-kératine. La plume est un élément caractéristique de la classe des...) pèse un peu moins qu'un kilogramme de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.).
  3. Si l'objet n'est pas immobile par rapport au référentiel terrestre en rotation, il faut prendre en compte l'accélération de Coriolis.

Pesanteur lunaire (Pour les homonymes, voir Pierrot lunaire, une œuvre de musique vocale d'Arnold Schönberg.)

Sur la Lune, la pesanteur est environ six fois moindre que sur Terre. Cela explique les bonds extraordinaires des astronautes du programme spatial américain Apollo, de la mission historique d'Apollo 11 (Apollo 11 est la première mission spatiale à avoir conduit un homme sur la Lune. C'est la troisième mission habitée à avoir approché la Lune, après Apollo 8 et...) (21 juillet 1969) à celle d'Apollo 17, Apollo 13 exclue. La prévision de ce phénomène a été popularisée dans l'album de Tintin On a marché sur la Lune

Notes et références

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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