Chute libre (physique) - Définition et Explications

Une chute libre est un mouvement accéléré sous le seul effet de la pesanteur. On distingue la simple chute dans un champ de pesanteur uniforme au voisinage de la Terre (Galilée, 1605), et la chute céleste (Lois de Kepler), dont Sir Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...) fera la synthèse en 1687.

Il est convenu que les autres forces agissant sur le corps, sont négligées (pour plus de précisions, voir déviation vers l'Est), en particulier la résistance de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...). Pour le cas où l'on considère la résistance de l'air, on parle de chute avec résistance de l'air.

Exemples de chutes libres proches

  • la chute libre de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence,...) (1602), depuis la tour de Pise (La tour penchée de Pise (torre pendente di Pisa en italien) est un des symboles du centre de...).
  • la pomme (La pomme est le fruit du pommier, arbre fruitier largement cultivé. L'étude de la culture...) de Newton (1665) qui tombe de l'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...), une fable très célèbre.
  • l'expérience du tube de Newton.
  • un ascenseur (Un ascenseur est un dispositif mobile assurant le déplacement des personnes (et des objets) en...) dont on aurait coupé (Un coupé est une voiture fermée, à deux portes (parfois trois avec hayon ou quatre comme l'ont...) le câble de suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) (tour d'impesanteur).
  • une caravelle zero g.

Par opposition, des cas où d'autres forces que la pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous...) sont également présentes et doivent être prises en compte pour décrire le mouvement de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...), sont présentés ci-après :

  • objet reposant sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), par exemple horizontale : cas pour lequel la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) exercée par cette surface compense le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) et agit de telle sorte que la force totale force résultante soit nulle, ne communiquant pas d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) à l'objet.
  • avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...) ou feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...) planant : dans ces systèmes les forces de friction exercées par l'air sur l'objet jouent un rôle fondamental.

Chute ralentie

On peut aussi, comme l'a fait astucieusement Galilée, opérer une chute ralentie, pour mieux observer le mouvement : chute d'un palet sur du verglas (Le verglas est un dépôt de glace compacte et lisse, généralement transparent,...) incliné d'un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) α, chute sur des plans successifs, chute circulaire du pendule simple (En physique, le pendule simple est une masse ponctuelle fixée à l'extrémité...). Chute du pendule cycloïdal (Le pendule cycloïdal est le mouvement d'un petit anneau glissant sans frottement sur une cycloïde...) de Huygens. Chute ralentie de la machine d'Atwood ; il est évident que la loi de chute est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...), mais pas la loi de 1602 : la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) m n'intervient pas, car il y a compensation exacte entre masse inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) et masse grave !

Chute libre sans vitesse (On distingue :) initiale

En supposant que le corps n'est soumis qu'à la pesanteur, si un corps ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.) P est lâché d'un point (Graphie) de cote z0 sans vitesse initiale, alors :

az = − g (composante selon l'axe des z de l'accélération, deuxième loi de Newton)
vz = − gt + V0 = − gt (composante selon l'axe des z de la vitesse)
z = -\frac{1}{2}gt^2+z_0 (composante selon l'axe des z de la position)

Avec :

  • z la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) du corps par rapport au sol
  • g l'accélération du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de pesanteur terrestre (environ 9,81 m.s-2)
  • t le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) en secondes

La vitesse V à l'impact est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par:

V = \sqrt {2gz_0}

Chute avec vitesse initiale

Il décrira une trajectoire parabolique (Une trajectoire est dite parabolique si le mouvement d'un corps dans l'espace décrit une parabole.) (voir aussi parabole (La parabole est l'intersection d'un plan avec un cône lorsque le plan est parallèle à l'une des...) de sûreté).

Chute céleste

Si la vitesse initiale est appropriée, c'est-à-dire à la bonne valeur et la bonne orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) étant donnée la position initiale, la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) peut être circulaire (cf. fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan...) de tir), comme elle l'est pour un satellite (Satellite peut faire référence à :) géostationnaire ; la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...) a plutôt un mouvement elliptique (en première approximation), très perturbé par l'influence du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) (la force de gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) du Soleil sur la Lune est plus grande que la Force de gravitation de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) sur la Lune !).

Commentaire

Dans des systèmes en chute libre simple, les objets n'ont pas de poids apparent et flottent librement les uns par rapport aux autres. Pour cette raison, la notion de chute libre est employée dans les tours d'impesanteur (L'impesanteur est l'état d'un corps tel que l'ensemble des forces gravitationnelles et...), les avions en vol parabolique (Le vol parabolique est un moyen d'être en impesanteur pendant une vingtaine de secondes. Les...) compensé (Caravelle 0-g) ou les systèmes en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) pour simuler l'absence de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et étudier ses conséquences.

Contrairement à une idée reçue, les spationautes dans une station spatiale (Une station spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est une installation spatiale en orbite...), ne flottent pas en apesanteur en raison d'une diminution de la gravitation due à leur éloignement de la Terre, mais parce que le système constitué par la station spatiale et eux-mêmes sont en chute libre (cf. Référentiel non inertiel, impesanteur).

La notion de chute libre est abordée en physique : on y explique la trajectoire parabolique ; puis la trajectoire balistique (La balistique est la science qui a pour objet l'étude du mouvement des projectiles.) non parabolique, enfin la trajectoire d'un satellite (lois de Kepler). Bien sûr on fait remarquer que le raisonnement de Torricelli (1640 ?) pour la parabole tient toujours pour l'ellipse, le cas circulaire étant le plus simple à expliquer (Huygens, 1651) : c'est la célèbre figure du "funiculaire (Un funiculaire est une forme de transport en commun circulant sur des rails et dont la traction est...) à rochets" : mouvement tangent + retombée "verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...)" sur la trajectoire, etc. Newton utilisera beaucoup cette figure (1679-1687).

Vision relativiste

Dans la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) générale, la gravitation n'est pas une force mais une " déformation riemanienne de l'espace-temps " ; un objet dit en chute libre décrit simplement une géodésique (En géométrie, une géodésique désigne le chemin le plus court, ou l'un des chemins s'il en...) de cet espace. On remarquera que la loi de Galilée (1602) [tous les corps ont même loi de chute] a été élevée au rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du...) de Principe d'équivalence (de la masse inerte et de la masse grave) par Einstein en 1915, quand il a créé sa théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...).

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