Gravitation

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En physique, la gravitation désigne l'une des quatre interactions élémentaires, celle qui est responsable de la force d'attraction entre deux corps, du simple fait de leur matière. Par exemple, la Terre reste à tourner autour du Soleil, parce qu'elle est attirée par sa masse. L'inverse est aussi vrai, le Soleil est attiré par la Terre mais c'est si peu, la masse de la Terre est tellement petite comparée à celle du Soleil, qu'il est permis de considérer cette attraction comme négligeable.

Dans le cas de la Terre et des choses qui sont à sa surface, on parle de gravité. Elle est le résultat de cette gravitation : la Terre attire à elle les objets, et ainsi, elle est responsable de notre poids. Elle fait aussi tomber les objets qui ne sont pas en appui sur un support, ou accrochés à, par exemple, une branche, comme la célèbre pomme de Newton, celle qui est tombée du pommier sous lequel, raconte-t-on, il fait sa sieste.

On l'appelle aussi la pesanteur. Pendant que l'on tombe, comme le parachutiste en chute libre1, ou encore comme le cosmonaute à l'intérieur de la station spatiale internationale2, on ne ressent pas cette attraction. On parle d'apesanteur.

Au sein d'une étoile, la gravité est un élément essentiel de l'équilibre global de l'astre dont l'intérieur subit des transformations nucléaires (de « fusion ») de sa matière dont le résultat, la libération d'une énorme quantité d'énergie, tend au contraire à repousser cette manière vers l'extérieur de l'étoile.

La gravitation de Newton[modifier | modifier le wikicode]

La force de gravitation maintient les planètes en orbite autour du Soleil.

Isaac Newton est un scientifique britannique né le 4 janvier 1643. Il est le premier à avoir écrit une théorie sur la gravité. La légende veut que c'est en voyant une pomme tombant d'un arbre qu'il eut cette idée.

Les principes de cette théorie sont simples :

  • Plus un corps a une masse importante, plus il exercera une attraction sur un autre corps ;
  • Plus les objets sont éloignés moins ils s'attirent ;
  • L'accélération que subit un objet à cause de la gravitation ne dépend pas de sa masse (de son poids).

Ce dernier point est facile à observer. Une boule de pétanque lâchée du sommet d'un immeuble arrive aussi vite sur Terre qu'une boule en bois de masse bien moindre. Il en serait de même d'une feuille de papier si celle-ci n'était pas freinée par l'air. Si on effectue la même expérience dans le vide absolu (sans air ou un autre gaz qui pourrait freiner la feuille), alors la feuille tombera aussi vite qu'une boule de pétanque3.

Pour calculer la force notée "" qu'exerce un corps massique noté "" sur un autre noté "", on utilise la formule :

  • est la distance entre les deux masses et  ;
  • est un nombre constant, appelé constante gravitationnelle, et qui est égal à 6,67×10−11 N·m²/kg²). C'est une grandeur fondamentale de la physique de notre Univers ; on pense que celui-ci serait totalement différent si elle avait une autre valeur (ce qui est un sujet d'histoires de science-fiction).
  • Dans le système international des unités, une force s'exprime en newtons (N), une masse en kilogrammes (kg) et une distance en mètres (m).

Les théories d'Einstein[modifier | modifier le wikicode]

À partir de 1915, Albert Einstein donnera une autre vision de la gravitation dans sa théorie de la relativité générale. La gravitation n'est plus une force mais la manifestation d'une déformation de l'espace et du temps par la présente même d'un objet avec une masse.

Pour comprendre cela de manière analogique, on peut imaginer l'espace-temps comme une grande toile plastique tendue. Chaque objet posé dessus va créer une dépression (un creux). Voyons le cas où l'on y met une boule de pétanque. Si on lâche une petite bille sur cette toile, elle va forcément être attirée par un creux. Si on donne de la vitesse à cette bille vers le côté du creux, elle va tourner un moment autour de la dépression, un peu comme la bille de la roulette au casino, avant de finir, freinée par l'air et les frottements de la toile, par tomber sur la boule de pétanque. Dans l'espace, il n'y a ni frottement, ni air, et la trajectoire peut être ainsi parcourue indéfiniment4.

Dans l'espace, rien ne peut freiner un objet. Ce qui explique que la Terre tourne depuis des milliards d'années autour du Soleil. La Terre est attirée par le Soleil, mais sa vitesse l'empêche de s'en approcher, ceci grâce à la force centrifuge.

Trous noirs[modifier | modifier le wikicode]

Les trous noirs sont un exemple bien connu des effets de la gravité. Ces objets présents dans l'espace sont très massifs : certains peuvent avoir une masse d'un million, voire d'un milliard de fois, celle du Soleil. Comme la gravitation provoque une force d'attraction proportionnelle à la masse, ils attirent tout ce qui se trouve près d'eux. Si une étoile, une planète, s'approchent trop près d'un trou noir, elle sont capturées et ne peuvent plus en ressortir. En fait, on dit qu'ils sont noirs car même la lumière ne peut pas les éclairer : celle qui "tombe" sur ce monstre cosmique, ne peut plus s'en échapper.

Pour pratiquer[modifier | modifier le wikicode]

Notes complémentaires[modifier | modifier le wikicode]

Modèle:Référence

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  1. Ce qu'il ressent, c'est un fort vent venant du bas, lié à l'atmosphère qui freine sa chute. Mais les yeux fermés, il ne peut faire la différence entre sa chute libre, et la situtation où il serait dans une de ces attractions avec des gros ventilateurs qui sont capables de le faire "voler". La physique est en fait la même.
  2. Là aussi, on est en situation de chute vers la Terre, pour la station spatiale comme pour le cosmonaute à bord. Mais s'y rajoute un élan donné au départ par les fusées de mise en orbite qui fait que cette chute se combine avec un déplaceemnt parallèle au sol, à la surface de la planète. C'est comme le caillou que l'on lance : sans élan, juste laché, il tombe aux pieds du "lanceur" ; avec un jet à l'horizontale, il va suivre une trajectoire de chute qui va le faire tomber plus ou moins loin : plus le lancer est rapide au départ, plus loin il va aller (on oublie ici la complication de l'air de l'atmosphère qui freine l'objet s'il va très vite ; mais pour la station spatiale internationale ("ISS"), là où elle orbite, l'atmosphère est trop ténue pour jouer un rôle sérieux). Comme le caillou, elle tombe ; mais elle a été lancée suffisamment vite pour tomber plus loin que l'horizon, pour tomber « juste après la Terre » et rater le sol (ouf !), et de ce fait, continuer à tomber autour, à tourner autour, à orbiter. C'est la même chose pour tous les satellites qu'on a lancés, mais aussi pour la Lune, attirée par la Terre, et finalement, pour la Terre autour du Soleil !
  3. Cette expérience a été réalisée sur la Lune en 1971 par l'un des astronautes de la mission Apollo 15, avec une plume et un marteau (un lien vers l'une des vidéos). Elle a aussi été répétée sur Terre dans une énorme enceinte à vide haute de près de 20 m, avec une boule de billard et des plumes (lien vers le début de la chute dans le vide ; la vidéo est en anglais, mais elle est sous-titrable en français relativement correct, et elle est intéressante en entier).
  4. On pourrait rétorquer que dans ce cas, il ne devrait jamais y avoir d'étoiles qui tombent dans des trous noirs, alors qu'on en parle un peu plus loin, et surtout parce que c'est ce que l'on a observé. La raison est qu'il existe un mécanisme qui, comme le frottemnt, fait perdre de « l'énergie de déplacement » à l'étoile orbitant près du trou noir (cela s'appelle l'effet de marée). Résultat : elle finit bien par tomber dedans !