La plupart des gens pensent que les objets plus lourds tombent plus vite… Ça paraît évident et c’est d’ailleurs déjà ce que disait Aristote il y a plus de deux mille ans.
En fait une première difficulté vient du frottement de l’air, ce qu’on a en tête si on imagine voir tomber par exemple une plume et une bille. Prenons plutôt deux objets de forme et de rugosité égales, une bille d’acier et une bille de même dimension en bois, soumises aux mêmes frottements de l’air. Elles tomberont de façon identique.
Pour annuler les perturbations dues aux frottements de l’air, le physicien Brian Cox a réalisé un expérience spectaculaire. Dans une gigantesque chambre à vide de la Nasa, le vide a été fait, et on a fait tomber une boule de bowling et une plume. En absence d’air on les voit parfaitement tomber à la même vitesse, c’est impressionnant !
Notre première intuition (les objets plus lourds tombent plus vite) est donc fausse.
En fait les objets sur terre sont tous soumis à une force de gravité proportionnelle à leur masse, leur quantité de matière (1). Cette force est le « poids », ce que Newton a établi par la formule :
Force de gravité = Poids = masse x g
où g est une constante appelée constante gravitationnelle. Donc un objet de plus grande masse, plus lourd, est soumis à une force plus grande.
Mais sa masse, qui est aussi son inertie, s’oppose aux forces de mouvement qu’on lui applique. Depuis Newton on sait que si pour tirer une masse M il faut une force F, alors pour tirer par exemple une masse deux fois plus lourde, il faudra lui appliquer une force deux fois plus grande.
Ces deux effets s’annulent l’un l’autre: un objet plus massif sera soumis à une force de gravité plus importante, mais son inertie plus importante fera que son mouvement sera in fine indépendant de sa masse.
Galilée a énoncé vers 1600 sa loi sur la chute des corps, qui dit que tous les corps tombent à la même vitesse (hors frottements de l’air) . Son analyse est à l’époque exceptionnelle, loin de l’intuition humaine. Plus que l’observation de la chute de corps depuis la tour de Pise, comme on le raconte souvent, c’est par un raisonnement plus subtil qu’il a convaincu. Il a montré que la théorie qui voudrait que les objets plus lourds tombent plus vite conduisait à une impasse.
Prenons par exemple un objet de masse M qui tombe par terre en 5 secondes. Deux masses M séparées et lâchées en même temps tomberont également en 5 secondes. Mais si on attache ces deux masses entre elles par une ficelle, elles forment un nouvel ensemble plus lourd, qui devrait tomber plus vite ? La ficelle ferait donc tomber plus vite ? Bien sûr que non !
Reste la question de la nature réelle de cette force de gravitation. Quelle est sa nature, comment se transmet-elle à distance ? Il faudra attendre 400 ans la théorie de la relativité générale d’Einstein pour le comprendre (2).
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- Par simplification on ne distigue pas ici masse inertielle et masse gravitationnelle, que Newton considérait égales. Le billet Relativité générale 1 – Le principe d’équivalence traite ce sujet plus en profondeur.
- Voir le billet Relativité Générale, 2 – L’espace-temps courbe