3ᵉ · Physique-Chimie · Mouvement & interactions (mécanique)
Tous les objets qui possèdent une masse s'attirent : c'est l'interaction gravitationnelle. Cette attraction est toujours mutuelle (la Terre attire la Lune, et la Lune attire la Terre) et elle est toujours attractive : la gravitation ne fait jamais que rapprocher, jamais repousser.
La force d'attraction entre deux corps est d'autant plus grande que :
• leurs masses sont grandes (plus un astre est massif, plus il attire) ;
• la distance qui les sépare est petite (plus ils sont proches, plus l'attraction est forte).
C'est cette interaction qui maintient la Lune autour de la Terre, les planètes autour du Soleil, et qui nous retient au sol.
Le poids P d'un objet est la force d'attraction gravitationnelle exercée par un astre (la Terre, la Lune…) sur cet objet. C'est une force, exprimée en newtons (N), toujours verticale, vers le bas. On le relie à la masse par :
P est le poids (N), m la masse (kg) et g l'intensité de la pesanteur (N/kg). Cette valeur g dépend de l'astre : g ≈ 10 N/kg sur la Terre, ≈ 1,6 N/kg sur la Lune, ≈ 3,7 N/kg sur Mars.
La masse (kg) mesure la quantité de matière : elle est invariable, la même partout dans l'Univers. Le poids (N), lui, dépend de l'astre par l'intermédiaire de g. Un même astronaute a la même masse sur la Terre et sur la Lune, mais un poids environ 6 fois plus faible sur la Lune.
Le Soleil, très massif, attire par gravitation les huit planètes qui tournent autour de lui. De la même façon, une planète attire ses satellites : la Lune est le satellite naturel de la Terre, et les satellites artificiels (GPS, météo…) tournent autour de la Terre grâce à cette même attraction.
Avant la théorie, voyons à quoi sert la gravitation dans la vie de tous les jours. Lève les yeux vers la Lune : c'est la gravitation qui la maintient en orbite autour de la Terre, depuis des milliards d'années, sans jamais qu'elle ne s'échappe ni ne tombe. Cette même Lune, en attirant à son tour les océans de la Terre, provoque les marées : deux fois par jour, la mer monte puis redescend sur les plages, et les marins comme les pêcheurs doivent en tenir compte.
La gravitation, c'est aussi ce qui permet aux satellites de tourner autour de nous : le GPS de la voiture, les prévisions météo, la télévision par satellite fonctionnent grâce à des engins placés en orbite, retenus par l'attraction de la Terre. Et quand une fusée décolle pour explorer l'espace, tout le défi des ingénieurs est de vaincre cette attraction pour s'arracher du sol, puis de s'en servir pour voyager de planète en planète. Comprendre la gravitation, c'est comprendre pourquoi les astres tournent, pourquoi la mer monte, et comment l'être humain part à la conquête de l'espace.
Tout part d'une seule idée : deux objets qui ont une masse s'attirent.
Commençons par l'idée centrale du chapitre. Tous les objets qui possèdent une masse exercent les uns sur les autres une force d'attraction : c'est ce qu'on appelle l'interaction gravitationnelle. Le mot interaction est important : l'attraction est toujours mutuelle.
La Terre attire la Lune, mais dans le même temps, la Lune attire aussi la Terre. Ces deux forces existent en même temps. Autre point essentiel : la gravitation est toujours attractive.
Elle ne fait que rapprocher les objets, jamais les repousser. C'est une différence importante avec, par exemple, deux aimants qui peuvent se repousser. La gravitation, elle, tire toujours dans le sens du rapprochement.
C'est cette attraction, invisible mais bien réelle, qui agit entre tous les corps de l'Univers, du plus petit caillou jusqu'aux étoiles les plus lointaines.
Voyons maintenant ce qui rend cette attraction plus ou moins forte. Deux choses la commandent. D'abord, la masse des corps.
Plus les masses sont grandes, plus l'attraction est forte. C'est pour cela que le Soleil, qui est énorme, attire fortement toutes les planètes autour de lui. Ensuite, la distance entre les deux corps.
Plus les corps sont proches, plus l'attraction est forte ; plus ils sont éloignés, plus elle faiblit. Retiens donc cette double règle : l'attraction gravitationnelle augmente quand les masses augmentent, et augmente quand la distance diminue. Ces deux idées expliquent presque tout ce qu'on observe dans le ciel : pourquoi les planètes proches du Soleil sont plus fortement attirées, et pourquoi les astres les plus massifs dominent le mouvement de tous les autres autour d'eux.
Faisons maintenant le lien avec quelque chose que tu connais déjà : le poids. Le poids d'un objet, c'est tout simplement la force d'attraction gravitationnelle que l'astre exerce sur lui. Sur Terre, ton poids, c'est l'attraction de la Terre qui te tire vers son centre.
C'est une force, donc elle s'exprime en newtons, et elle est toujours dirigée verticalement, vers le bas. On relie le poids à la masse par une formule que tu as déjà rencontrée : P égale m fois g. P est le poids en newtons, m la masse en kilogrammes, et g l'intensité de la pesanteur, en newtons par kilogramme.
Sur Terre, g vaut environ dix newtons par kilogramme. Ainsi, un objet de deux kilogrammes a un poids de deux fois dix, soit vingt newtons. Le poids est donc la manifestation, à notre échelle, de la grande interaction gravitationnelle qui règne dans tout l'Univers.
Regardons maintenant pourquoi le poids change d'un astre à l'autre. La formule reste toujours P égale m fois g, mais la valeur de g, elle, dépend de l'astre sur lequel on se trouve. Sur la Terre, g vaut environ dix newtons par kilogramme.
Sur la Lune, plus petite, g ne vaut qu'un virgule six newtons par kilogramme, soit environ six fois moins. Sur Mars, g vaut environ trois virgule sept newtons par kilogramme. Prenons un astronaute de masse soixante-dix kilogrammes.
Sa masse, c'est important, ne change jamais : elle reste de soixante-dix kilogrammes partout. Mais son poids change. Sur Terre, il vaut soixante-dix fois dix, soit sept cents newtons.
Sur la Lune, seulement soixante-dix fois un virgule six, soit cent douze newtons. Voilà pourquoi les astronautes font de grands bonds sur la Lune : ils y pèsent beaucoup moins, alors que leur masse est restée identique. La masse est invariable, le poids dépend de l'astre.
Terminons par ce que la gravitation explique dans le ciel. Le Soleil est un astre immense et très massif. Grâce à son attraction gravitationnelle, il maintient les huit planètes en mouvement autour de lui : c'est le système solaire.
De la même façon, une planète peut retenir des astres plus petits qui tournent autour d'elle : ce sont ses satellites. La Lune est le satellite naturel de la Terre. Et l'être humain a placé autour de la Terre des satellites artificiels, retenus eux aussi par la gravitation : ils servent au GPS, à la météo, à la télévision.
Enfin, la gravitation explique un phénomène très concret que l'on voit sur nos côtes : les marées. En attirant les océans, la Lune fait monter puis descendre le niveau de la mer deux fois par jour. Ainsi, d'une même idée, l'attraction entre les masses, découlent le mouvement des planètes, l'orbite des satellites et le va-et-vient des marées.
12 des 32 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.