Masse - Définition

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La masse étalon représentant le kilogramme.
La masse étalon représentant le kilogramme.

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...) est le kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international...) (kg) et non pas le gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et...) (g). On utilise également la tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large...), égale à 1 000 kg, et l'unité de masse atomique (L'unité de masse atomique unifiée (symbole u ou uma ) est une unité de mesure standard,...).

Masse et quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques...)

La masse ne mesure pas la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), mesurée en mole, et la masse, mesurée en kilogramme.

Prenons un exemple. Trois moles d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) 4 contiennent exactement le même nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) 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,...) 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...) 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 est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...)

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...) de la masse et du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) (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...), 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...) 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...) intervient dans deux phénomènes distincts et a priori indépendants, régissant le mouvement des objets :

  • la masse inertielle qui caractérise la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse...) d'un objet en déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) (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 (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence,...) 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...) immédiat de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). 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 (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...).

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, une donnée est une description élémentaire,...) 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 (La masse de la Terre (M) est estimée à 5,9736×1024 kg. Elle est obtenue à...) 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...) 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...) 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 au début des années 1900 et reprise...) et lui a permis de formuler les lois de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance 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 (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions...) 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...)

À l'échelle des atomes, de la matière peut se transformer en onde électromagnétique (L'onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les...), et une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 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...) 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...). 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...), un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) γ, de masse nulle, peut se décomposer après collision sur un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) en une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) 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 (En 1905, Albert Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l'énergie. Tout...)
  • m masse
  • c vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) 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 (L'obésité est l'état d'une personne, ou d'un animal, souffrant d'une hypertrophie de...)
  • sous-alimentation (La sous-alimentation ou sous-nutrition est un état de manque important de nourriture...)

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...). C'est le cas le plus courant des pèse-personne (Le pèse-personne (mot invariable) est un type de balance destiné à mesurer la masse...) 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...). Cette mesure par gravimétrie n'est utilisable que pour les objets extrêmement lourds, et est utilisée en géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et...) 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...) si le kilogramme étalon du BIPM a la même masse qu'un litre (Le litre (du grec λίτρα lítra, ancienne mesure de capacité...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...).

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...) 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...), 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...) 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...). 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...), d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) ou d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) 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 périodique des éléments. donne pour l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) 4He une masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse...) 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.
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