Poids - Définition et Explications

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Calcul approché du poids terrestre

Sachant que le rayon R de la Terre est égal à 6 380 km et sa masse M à 5,98x1024 kg, on peut déterminer une valeur approchée de la constante g qui s'exerce sur 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...) quelconque 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...) m en ne tenant compte que de l'attraction gravitationnelle 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...) et en négligeant la 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...) d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne...) d'entraînement :

\| \vec{P} \| = \frac{GMm}{R^2} \simeq m \cdot 9,81

On rappelle que G est la constante universelle de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.).

Remarques

  • L'objet ayant le plus d'influence est la Terre, mais il faut aussi prendre en compte l'influence de 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 séparant la Terre de la Lune est de...) et du 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...), et par ailleurs la répartition de la masse sur Terre n'est pas homogène (montagne, poches souterraines) ; cependant, ces influences sont négligeables, et l'on peut écrire que le 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...) résulte de l'attraction par la Terre (mais les micro-variations de g peuvent être mesurées).
  • Le poids prend en compte la force centrifuge due à la rotation de la Terre ; aux pôles et à l'équateur , le poids est vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) (la force centrifuge est nulle aux pôles et est verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) à l'équateur) ; aux autres endroits, elle s'écarte légèrement de la verticale, mais de manière négligeable (au plus 0,017 ° à une 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.) de 44,9 °).

De ce fait, tous les corps tombent, dans le vide, selon la même accélération :

\vec{a} = \vec{g}

(loi de 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 physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour avoir jeté les fondements des sciences mécaniques...) (1564-1642)). Pour plus de détails, voir chute libre.

La masse m s'exprimant en kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI).) (kg), le poids est une force et possède donc comme unité le newton (symbole N), et l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur...) g sera indifféremment exprimée en N/kg ou en m/s².

La non-distinction entre masse et poids dure jusqu'au XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...), et perdure dans le langage courant. Par exemple : « la masse corporelle d'une personne » est usuellement appelée son « poids ». Il en résulte une difficulté pédagogique, au moment où cette distinction est enseignée. L'adoption du Système international (S.I.) a permis grâce à la suppression de l'unité kilogramme-poids de résoudre partiellement cette difficulté, mais on utilise fréquemment le décanewton (daN) pour retrouver cette équivalence masse-poids sur Terre.

L'accélération 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...) g est l'objet d'étude de la gravimétrie. Elle varie en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) point (Graphie) de la Terre, essentiellement diminuant du pôle (9,83 m/s²) à l'équateur (9,78 m/s²). En France, on prend conventionnellement la valeur de g à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...), soit environ :

g = 9,81 m/s².

Comme source d'énergie

La descente de poids permet d'actionner un mécanisme tel qu'un automate (Un automate est un dispositif se comportant de manière automatique, c'est-à-dire sans intervention d'un humain. Ce comportement peut être figé, le système fera toujours la même chose, ou bien peut s'adapter à son environnement.) ou une horloge. Ce type de dispositif a été remplacé par un ressort moteur (Ressort permettant d'emmagasiner de l'énergie lorsqu'il est tendu, et de la restituer lors de la détente. La plupart du temps il s'agit d'un ruban métallique...), mais est toujours utilisé pour produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité...) (barrage hydroélectrique).

Poids apparent

Il existe principalement deux situations dans lesquelles la notion de poids apparent est pertinente :

  • en cas de 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 non négligeable,
  • en cas d'étude dans un référentiel en mouvement accéléré ou en mouvement de rotation dans le référentiel terrestre et nécessitant la prise en compte, d'une force d'inertie d'entraînement supplémentaire ; c'est le cas par exemple d'une étude dans un référentiel lié au cockpit (L'habitacle (mais aussi cabine de pilotage, poste de pilotage, cellule ou encore cockpit) d'un avion désigne l'espace réservé au pilote, son copilote et au mécanicien. Il contient toutes les commandes et les...) d'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air,...) ou à l'habitacle d'une voiture.

Le poids apparent d'un objet correspond au poids indiqué par un peson (Le peson est une balance, aussi appelé dynamomètre quand il est mécanique ; c'est donc un appareil qui mesure des forces : poids ou masse. Le peson traditionnel ou...) (ou tout autre instrument approprié à la mesure d'une force), quand ce poids n'est pas identique au poids « réel » de l'objet, défini comme la force due à la pesanteur.

Exemples

Poussée d'Archimède

Par exemple, si l'on pesait un objet sous l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), la poussée d'Archimède ferait paraître l'objet plus léger et le poids mesuré serait inférieur au poids réel. Évidemment, dans la vie (La vie est le nom donné :) quotidienne, quand on pèse un objet, la poussée d'Archimède exercée par 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 l'altitude, il est nécessaire de...) ambiant est à toutes fins utiles négligeable.

Référentiel accéléré

Pesons un objet en le suspendant à un dynamomètre (Un dynamomètre est un appareil de mesure des forces utilisant généralement un ressort dont on connaît le coefficient d'élasticité. Voir peson son nom traditionnel. Son unité est le Newton). Il sera soumis à deux forces : son poids, orienté vers le bas, et la force exercée par le dynamomètre, orientée vers le haut. Quand l'objet n'accélère pas, les deux forces ont la même grandeur et le dynamomètre indique le poids réel de l'objet. Toutefois, si l'on effectue la mesure dans un ascenseur (Un ascenseur est un dispositif mobile assurant le déplacement des personnes (et des objets) en hauteur sur des niveaux définis d'une construction.) pendant que celui-ci se met en mouvement vers le haut, la force exercée par le dynamomètre sera supérieure au poids (du moins aux yeux d'un observateur immobile situé à l'extérieur de l'ascenseur), conformément à la deuxième loi du mouvement de Newton :

FP = ma ,

F est la force exercée par le dynamomètre, P le poids de l'objet et a l'accélération de l'ascenseur (et du dynamomètre).

Étant donné que le poids indiqué par le dynamomètre correspond à l'intensité F de la force qu'exerce sur lui l'objet à peser (cette force étant la réaction à la force que le dynamomètre exerce sur l'objet), ce poids « apparent » est supérieur au poids réel (F > P, car a > 0).

Pour un observateur situé dans l'ascenseur, l'objet à peser apparaît évidemment immobile. En ce cas, pour expliquer que la force exercée par le dynamomètre est supérieure au poids réel de l'objet, on doit faire intervenir une force d'inertie orientée vers le bas.

Le poids normal d'une personne de 70 kg soumise à l'accélération de la pesanteur g = 9,8 m/s2est égal à mg, vaut (70 kg) (9,8 m/s2) = 686 N.

Dans un ascenseur qui décélère à 2 m/s², la personne est soumise à deux forces : d'une part son poids réel P, orienté vers le bas, et d'autre part la réaction N, orientée vers le haut, exercée sur elle par le plancher de l'ascenseur (ou le pèse-personne (Le pèse-personne (mot invariable) est un type de balance destiné à mesurer la masse d'une personne debout, immobile sur un plateau. Les pèse-personne modernes sont en réalité des...) sur lequel elle se tient). Quand l'ascenseur freine, son accélération est orientée dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les...) à la vitesse (On distingue :), c'est-à-dire en l'occurrence vers le bas.

En orientant l'axe de référence vers le haut, on écrira donc, conformément à la deuxième loi de Newton :

NP = m(–a)
Nmg = –ma
N = mgma
N = m (ga)
N = (70 kg) [(9,8 m/s2) – (2 m/s2)] = 546 N

On obtient un poids apparent de 546 N, inférieur au poids réel.

Impesanteur (L'impesanteur est l'état d'un corps tel que l'ensemble des forces gravitationnelles et inertielles auxquelles il est soumis possède une résultante et un moment...)

L'état d'impesanteur expérimenté par les spationautes est dû à la rotation de leur habitacle spatial autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de la Terre. Quand ce mouvement de rotation est important la force d'inertie ressentie par les astronautes peut annuler leur poids apparent, bien que leur poids réel, à 386 km d'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...), ne soit qu'environ 11 % plus faible que sur Terre.

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