Qu'est ce que la gravité ?
Comme vous le savez, nous vivons sur une planète. Ce qui est assez exceptionnel, car le principal constituant de l’Univers, c’est le vide.
Le fait d’habiter sur une planète modifie notre perception des lois de la physique. Tous les objets que nous lâchons par exemple, finissent invariablement par atterrir au sol. Si je jette un objet en l’air, il monte, ralenti, s'arrête, puis retombe vers moi ! C'est étrange ! Pourquoi les objets ne restent-ils pas là où on les lâche ? La différence entre vivre sur une planète et être dans l'espace lointain, c’est la gravité.
La gravité d'un objet est une force, qui dépend de la masse de l’objet, mais également de sa distance. A des milliards d'années lumière, la gravité de la Terre est incroyablement faible, mais ici, sur Terre, c'est une force redoutable. Et dans certains endroits de l’Univers, elle peut être beaucoup plus forte que ce que nous vivons ici sur Terre. C’est le cas par exemple dans les trous noirs.
Pendant longtemps, la gravité était juste un fait. On trouvait normalement que tous les objets finissent toujours au sol. On ne se posait pas trop de questions sur ce phénomène. Au milieu des années 1600, des scientifiques tels que Robert Hooke et Isaac Newton ont commencé à étudier la gravité grâce aux mathématiques, ce qui engendra une des querelles les plus célèbres de l’histoire des sciences. Mais peu importe. Grâce à eux, nous avons aujourd'hui une bien meilleure compréhension du fonctionnement de la gravité.
Selon la formulation de Newton, la gravité est proportionnelle à la masse et inversement proportionnelle au carré de la distance. Qu’est ce que ça veut dire ?
LA GRAVITÉ DÉPEND DE LA MASSE
La masse, c’est la quantité de matière dans un objet. En termes scientifiques, la masse caractéristique la résistance d’un objet au mouvement. Un objet avec une masse importante est plus difficile à mettre en mouvement qu'un objet avec une faible masse, ce qui est assez évident si vous avez déjà tenté de pousser un vélo par rapport à un camion.
Cependant, la masse est aussi définie en utilisant la gravité. Car tout ce qui a une masse a également une gravité. Il peut ainsi attirer un autre objet. Comme la gravité est proportionnelle à la masse, plus un objet est massif, plus sa force d’attraction est importante.
Attention à ne pas confondre la taille d’un objet avec sa masse. Deux objets peuvent avoir la même masse, mais pas la même taille. Prenons l’exemple du Soleil. Le Soleil mesure 1,4 millions de km de diamètre. Mais un trou noir de la même masse que le Soleil ne mesure que 6 km de diamètre.
LA GRAVITÉ DÉPEND DE LA DISTANCE
La gravité dépend de la masse, mais également de la distance. Et elle s’affaiblit très vite dès que la distance augmente. On dit qu’elle diminue avec le carré de la distance. Cela veut dire que si vous vous éloignez de 2 unités, la gravité est divisée par 2 au carré. Elle est donc divisée par 4. Mais si vous vous éloignez de 10 unités, la gravité est divisée par 10 au carré, elle est divisée par 100 !
La gravité que vous ressentez sur Terre dépend donc de trois choses : La masse de la planète, votre propre masse et la distance vous séparant de la Terre. Dans cet exemple, comme la masse de votre corps est négligeable par rapport à la masse de la Terre, l’élément qui prend le dessus, c’est la distance. Comme vous vous situez à la surface d’un objet très massif, la Terre, vous êtes littéralement scotché à la Terre. C’est pourquoi, même si vous sautez en l’air, ou si vous lancez un objet extrêmement fort, il finit par retomber sur la Terre.
La gravité est une force uniquement attractive. Elle ne peut qu'attirer des choses vers elle, mais pas les repousser. C’est pourquoi quand on explique aux plus jeunes que la Terre se comporte comme un aimant, c’est un très mauvais exemple. Car la force qui agit sur les aimants, c’est la force électromagnétique. Et cette force électromagnétique est à la fois attractive et répulsive. Ce qui n’est pas le cas de la gravité, qui n’est que attractive.
Intéressons nous maintenant à la façon dont les choses tombent vers la Terre. Comme vous le savez, si je tiens une pierre et que je la lâche, elle tombe au sol. Elle est attirée vers la Terre. Ce qui est difficile à voir, c’est que la vitesse accélère avec le temps de chute. La gravité accélère les objets. Plus longtemps une force agit, plus la vitesse de l'objet change - ici, elle augmente. Si je fais tomber une pierre de plus haut, elle va aller encore plus vite lorsqu'elle va toucher le sol. Mesurer cette accélération n’est pas évident, car sur Terre, d'autres forces agissent sur les objets, comme la résistance de l'air. Mais dans le vide de l’espace, la force gravitationnelle devient évidente.
Deux objets ayant une masse vont s'attirer l'un l'autre. S’il n'y a aucune autre force agissant sur eux, ils accélèrent l’un vers l’autre jusqu'à se rencontrer. Rappelez-vous cependant que la force gravitationnelle dépend de la masse respective de chacun des deux objets. Si l'un est beaucoup plus massif que l’autre, le plus massif va attirer le moins massif. Le plus massif va bien sûr bouger un peu, mais bien moins que l'autre. C’est pourquoi la Lune tourne autour de la Terre, et que la Terre tourne autour du Soleil.
SE METTRE EN ORBITE
La gravité, c’est ce qui permet de mettre également des objets en orbite. Le type d'orbite la plus simple n'est peut-être pas ce que vous pensez : c'est en fait juste une droite ! Quand vous faites tomber une pierre, elle est très brièvement en orbite. Mettons de côté les choses telle que la rotation de la Terre. Il est possible de dire que les pierres tombent directement à la verticale, et se sont arrêtées car la Terre était sur leur chemin. Mais si au lieu de faire tomber la pierre, nous la lançons ? Cela lui donne un peu de mouvement latéral, donc au lieu de toucher le sol à mes pieds, elle tombe un peu plus loin. Si je la lance plus fort, son mouvement latéral augmente. Elle se déplacera un peu plus horizontalement, avant qu'elle ne touche le sol. Et si je la lançait très fort, que se passerait-il ? C'est la question que s’est posée Newton. Il réalisa que si vous lancez un objet assez fort horizontalement, il va tomber exactement à la même vitesse que la rotation de la Terre. C’est ce que l’on appelle se mettre en orbite.
Un objet lancé assez fort à l'horizontal va tomber vers la Terre, mais à la même vitesse que la rotation de la planète, et ainsi tout le temps la manquer ! Sa trajectoire sera équivalente à la courbure de la Terre, décrivant une trajectoire circulaire autour de celle-ci, guidée seulement par la gravité. Comme le disait l’écrivain Douglas Adams (1952-2001), voler, ce n’est rien d’autre que tomber en manquant la Terre !
La vitesse d’un satellite en orbite dépend de sa masse, mais également de la distance qui le sépare de la Terre. Plus il est loin, plus la gravité de la Terre diminue. Il n'a donc pas besoin d’aller très vite pour maintenir son orbite. C’est la raison pour laquelle Mercure, planète la plus proche du Soleil, tourne plus vite autour de l’étoile que Neptune, qui elle, est beaucoup plus loin. Mercure étant proche du Soleil, elle est davantage attirée par le Soleil que ne l’est Neptune.
VITESSE DE LIBÉRATION
Il arrive un moment cependant, où si vous lancez l’objet assez fort, l’objet peut s'échapper.
Rappelez-vous que la gravité diminue avec la distance. Si vous lancez une pierre assez fort, même si la gravité peut la ralentir, plus la pierre s'éloigne plus la gravité faiblit. Si la pierre a une vitesse suffisamment importante, la gravité faiblit trop pour pouvoir l'arrêter. La pierre peut alors s'échapper. C’est ce qu’on appelle la vitesse de libération.
La vitesse de libération d'un astre dépend de sa masse et de sa taille. Pour la Terre, cela revient à environ 11 km/s. Pour Jupiter, c'est environ 58 km/s, et pour le Soleil, c'est 600 km/s. Peu importe la vitesse de libération, si vous lancez une pierre à une vitesse supérieure à celle-ci, la pierre quittera définitivement la surface de l’astre sans jamais y revenir. Sauf dans le cas extrême des trous noirs, où la vitesse de libération est au moins égale à la vitesse de la lumière. Dans ce cas, rien ne peut s’échapper, pas même la lumière. Mais nous en reparlerons dans un prochain article.
Cela marche également dans l’autre sens. Si je m'éloigne très loin de la Terre et que je lâche un objet en prenant soin de ne lui transmettre aucune force, l’objet va accélérer à cause de la gravité terrestre. Quand il percutera la planète, il sera à la vitesse de libération de la Terre, soit 11 kilomètres par seconde. Et si je lui donne un petit coup sur le côté, il manquera la Terre, mais il passera à côté de nous à la vitesse de libération. Il ne pourra pas se mettre en orbite, car sa vitesse est trop grande car il est déjà à la vitesse de libération de la Terre et à cela s’ajoute la vitesse latérale que je lui est transférée au moment où je l’ai poussé.
DIFFÉRENCE ENTRE POIDS ET MASSE
Intéressons nous maintenant au cas des astronautes dans la Station Spatiale Internationale (ISS). Régulièrement, on dit qu’ils "sont en train de voler” car il ne subisse plus la gravité de la Terre. Qu’en est-il exactement ?
Pour le comprendre, il nous faut faire la différence entre la masse et le poids. Car dans le langage courant, malheureusement, on parle mal. On emploie le mot poids pour désigner une masse. La masse, c’est la quantité de matière dans un objet. Elle se mesure en gramme. Le poids est une force exercée sur un objet par la gravité. Il se mesure en newton. Si je prends votre corps humain et que je le déplace sur la Lune. Il a toujours la même masse. Car il y a toujours la même quantité de matière dans votre corps. Par contre, votre poids sera différent, car la gravité de la Lune vous attire six fois moins que la gravité terrestre.
Revenons-en à nos astronautes dans l’ISS. La gravité terrestre est toujours en train d'attirer les astronautes ! Heureusement pour eux, sinon, l’ISS dérivait dans l’espace. En fait, à l'altitude de la station, qui est de l’ordre de 400 km, la gravité terrestre n'a diminué qu’un tout petit peu. Elle vaut environ 90% de sa valeur à la surface terrestre. Mais la grande différence est que les astronautes sont en orbite. Rappelez vous, être en orbite, c’est tomber tout en ratant la Terre. Prenons un exemple. Imaginez vous dans un ascenseur. En temps normal, la gravité vous plaque au sol de l’ascenseur. Imaginons maintenant que l’on coupe le câble qui relie l’ascenseur. La gravité fait chuter inexorablement la cabine vers la Terre. Mais vous qui êtes à l’intérieur de l’ascenseur, pendant tout le temps de la chute, vous aurez l’impression de “voler”. La chute libre annule les effets de la gravité. Pour les astronautes de l’ISS, tout se passe pour eux comme s’ils étaient en chute libre permanente. En chute libre, vous n'avez pas de poids. En fait, cette situation met en évidence la différence entre la masse et le poids. Dans l'espace, vous avez toujours une masse, mais un poids nul.
POUR RESUME :
La gravité est une force.
Tout ce qui a une masse a une gravité.
La gravité accélère les objets ayant une masse.
La gravité permet de mettre des objets en orbite.
La gravité s'affaiblit fortement avec la distance, mais vous ne pouvez pas échapper à la gravité, car sa portée est infinie.
Si vous atteignez la vitesse de libération d’un astre, vous pouvez vous en éloigner sans retomber vers lui.
Quand vous êtes en orbite, tout se passe comme si vous étiez en chute libre, vous avez donc toujours une masse, mais vous n'avez plus de poids.
