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Activité 6 : force de pesanteur
A. Mise en situation :
Document 1
a. Tout corps livré à lui-même tombe .
b. Une force s’applique sur lui. Laquelle ? la force de pesanteur .
C’est à cause d’elle que les corps sont lourds ; qu’ils ont du poids.
c. Quel est l’auteur de cette force ? la Terre .
Document 2
d. Qu’est-ce que l’apesanteur ? l’absence de pesanteur .
e. Y a- t-il de l’air dans la fusée ? Oui ( ils respirent) .
f. En créant le vide dans une cloche sur Terre, serais-tu en apesanteur ? On ne serait pas
en apesanteur car la terre exercerait toujours une force sur nous.
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Document 3
g. Y a-t-il une atmosphère autour de la Lune ? Il n’y a pas d’atmosphère ( pas d’air) autour
de la Lune.
h. Y a-t-il une pesanteur sur la Lune ? oui , car c’est la force avec laquelle
la lune attire les corps. .
i. Sur la Lune, le capitaine Haddock a-t-il une masse ? Oui .
et du poids ? Oui , à cause de l’attraction lunaire .
j. Complète par < , > ou =
….. sur la Lune ….. sur la Terre
la pesanteur < la pesanteur
la masse du capitaine Haddock = la masse du capitaine Haddock
le poids du capitaine Haddock < le poids du capitaine Haddock
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Document 4
Vrai ou faux ?
k. C'est logique que les câbles aient cédé car sur la Lune la caisse est 6 fois plus lourde que sur la Terre. ___Faux. La lune attire les corps avec une force 6 fois moins importante que la terre._______________________________________________
l. Hergé s'est trompé car sur la Lune il n'y a pas d'air, pas d'atmosphère; et dans le vide, les
corps flottent. La caisse ne peut donc tomber.
___L’absence d’atmosphère n’implique pas l’absence de pesanteur. ________
m. Si le câble est construit pour résister sur Terre à une force de traction maximale de 6000 N, alors
sur Terre, il peut donc soulever une caisse de ___600 kg_____________
sur la Lune, ce câble résistera à une force de ____6000 N____________
et sur la Lune, il peut soulever une caisse de __________3600 kg_____
Or les caisses sont les-mêmes, elles ont _la___même _masse___sur la Lune que sur la Terre ;
le câble a donc été délibérément__sectionné____________________ B. Conclusion :
…La force de pesanteur est la force avec laquelle un astre attire les corps qui se situent dans son environnement.……………………………………………….
…L’apesanteur est l’absence de pesanteur.……………………………………….
…La force de pesanteur n’est pas due à la présence de l’air autour de la Terre.
…L’intensité de la force de pesanteur dépend de l’astre sur lequel on se trouve. …………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
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C. La force de pesanteur :
1. Gravitation universelle :
La Terre exerce une force d’attraction sur tous les corps (y compris les couches de gaz qui l’entourent). Cette pesanteur n’est qu’un cas particulier d’un phénomène plus général : la gravitation universelle. En effet, il existe (voir lecture : 4ème loi de Newton) des forces attractives exercées par TOUS LES CORPS LES UNS SUR LES AUTRES : la Terre attire la Lune mais la Lune attire la Terre la Terre attire la gomme ou le crayon la gomme attire le crayon …
Dans le cas de la gomme et du crayon, les masses sont trop petites, la force est
négligeable. Dans le cas de la Terre et de la Lune, ou de toutes les planètes et leurs satellites en
général, la force est très grande (malgré la distance énorme qui les sépare).
Dans le cas des molécules dans les solides (voir chapitre « états de la matière »), malgré que les masses en présence soient très petites, la force d’attraction est grande (= forte cohésion)
Par contre, dans les gaz, les molécules sont très espacées, et la force de cohésion est très faible.
Cette force est DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE aux MASSES mises en présence
Cette force est INVERSEMENT PROPORTIONNELLE au CARRE de la DISTANCE
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2. Caractéristiques de la force de pesanteur :
son point d’application : le centre de gravité du corps (G)
sa direction : verticale
En un lieu donné, la droite d’action de la force de pesanteur est matérialisée par le fil à plomb en équilibre.
Rem : Pour des endroits voisins, les verticales semblent parallèles ; en fait elles passent toutes par le centre de la Terre.
son sens : vers le bas Cela signifie bien sûr vers le centre de la Terre. Au pôle Sud comme au pôle Nord, les objets tombent « vers le bas ».
son intensité : le poids du corps Rappel : c’est à cause de la pesanteur que les corps sont pesants, ou qu’ils ont du poids.
D. Masse d’un corps / poids d’un corps
La masse d’un corps reste CONSTANTE ; elle est liée au corps et est INDEPENDANTE de l’endroit où se trouve le corps.
La masse d’un corps se détermine à l’aide d’une BALANCE.
L’unité de mesure de la masse est le kilogramme . Symbole : kg
Le résultat de cette mesure est indépendant de la pesanteur puisque la force d’attraction agit de façon égale sur les 2 plateaux de la balance (pour autant qu’elle ne soit pas nulle). Elle compare celui qui contient le corps de masse inconnue à celui qui contient une masse connue, constituée par un ensemble de masses marquées, et communément appelés par abus de langage « des poids ».
photos de balances
La masse d’un corps est la quantité de matière de ce corps
Balance de Roberval
Trébuchet
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Le poids n’existe que si le corps est soumis à l’action d’une force d’attraction. Cette pesanteur peut varier avec l’endroit où se trouve ce corps. Le poids d’un corps N’est PAS CONSTANT. Il peut même devenir très faible, voire nul. Le poids d’un corps se mesure au moyen d’un DYNAMOMETRE (puisqu’il s’agit d’une force !) L’unité de mesure de la masse est le newton . Symbole : N
Facteurs influençant le poids d’un corps : l’altitude
Le poids d’un corps diminue si l’altitude augmente et réciproquement.
Au niveau de la mer, un objet pèse …plus lourd……. qu’en altitude car la distance par rapport au centre de la Terre y est …plus petite …………………………………………
la latitude
Le poids d’un corps augmente si la latitude augmente et réciproquement.
Aux Pôles, un objet pèse …plus lourd.. qu’à l’équateur car la distance par rapport au centre de la Terre y est …plus petite…………………………………………
Globe terrestre
la nature des matériaux dans le sol
la planète où l’on se trouve
Le poids d’un corps est la force de pesanteur
g=9,83 N/kg
g=9,81 N/kg
g=9,78 N/kg
27,3
3,6
8,8 9,8
1,63,7
25,9
11,3 11,5 11,6
4,6
0
5
10
15
20
25
30
Sole
il
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E. Lien entre poids et masse :
P = m . g P = poids ( N) m = masse (Kg) g = « gravité» (N/Kg)
F. Exercices
1. La Terre et la pomme s’attirent avec ________________________ La plume subit une attraction ______________ forte que la pomme. Un piano subit une attraction ______________ forte qu’une craie.
2. Quelle est ta masse sur Terre ? __________ ton poids ? ___________
plus petite égale plus grande
Ta masse sur le Mont Blanc
Ton poids sur le Mont Blanc
Ta masse à bord d’une navette
Ton poids à bord d’une navette
Ta masse à l’équateur
Ton poids aux pôles
3. Une masse de 1 kg est attirée par la Terre avec une force de ____________
Quel est son poids ?______________ Quelle est sa masse sur la Lune ?_______________ Quel est son poids sur la Lune ? _____________
4. Quel est le poids d’un objet de 600 kg ? ____________ Un homme pèse 120 N sur la Lune ; quel est son poids sur Terre ?_________ Un homme a une masse de 60kg sur la Lune ; quelle est sa masse sur Terre ?_____________
5. Nomme une série de sports dans lesquels la force de pesanteur exerce un rôle important et pourquoi ?
6. Y a-t-il de l’air sur toutes les planètes ?__________________________ 7. Une comète qui passe près de la Terre est-elle attirée par celle-ci ?____ 8. Y a-t-il un endroit où l’on ne ressentirait pas la force de gravitation ?
____________________________________________ 9. Si toutes les planètes s’attirent, on pourrait supposer qu’elles peuvent tomber les unes sur
les autres. Mais heureusement ce n’est pas le cas ? Pourquoi ? ______________________________________________________ ______________________________________________________
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G. Réponses – Explications
1. En effet, la force de gravitation agit entre les astres, mais aussi entre tous les objets, même les plus petits.
« Nous devrions donc être attirés par une montagne, une maison ou même par notre voisin ou.. notre voisine. Mais cette force d’attraction est tellement faible qu’on n’en ressent pas les effets. Elle n’est importante que lorsqu’on est près d’une grande masse comme le Soleil ou la Terre. Cependant plus on s’en éloigne, plus la force d’attraction devient petite. » (extrait du reportage vidéo : « Des forces à l’électricité » , Electrabel)
2.
plus petit(e) égale plus grand(e)
Ta masse sur le Mont Blanc x
Ton poids sur le Mont Blanc x
Ta masse à bord d’une navette x
Ton poids à bord d’une navette x
Ta masse à l’équateur x
Ton poids aux pôles x
3. 10 N ; 10 N ; 1 kg ; 10/6 N En effet, la Lune attire moins fortement que la Terre car elle a moins de masse. Donc, le poids change ! Mais la masse reste toujours la même.
4. 6000 N ; 720 N ; 60 kg 5. Tous les sports où il faut vaincre la pesanteur ; ex : saut en hauteur, saut en longueur, lancer du poids,… 6. Non. Lorsqu’une planète est assez massive, elle attire suffisamment fort pour maintenir les gaz qui l’entoure
complètement. C’est ainsi que notre Terre retient son air, son atmosphère, grâce auquel nous pouvons respirer. C’est la même chose pour l’eau des mers et océans.
7. Oui, parce que la comète a une masse et qu’elle est donc attirée par la force de gravitation. La comète est alors
déviée de sa trajectoire. Cette propriété est utilisée pour corriger la direction et redonner une impulsion aux sondes envoyées dans l’espace. Toute comète s’approchant de la Terre pourrait devenir un satellite de la Terre si elle se présentait avec la bonne vitesse et la bonne distance. elle pourrait aussi entrer en collision avec la Terre.
8. a) au centre de la Terre, car à cet endroit, on est attiré de tous les côtés de la même manière.
b) un endroit suffisamment éloigné de tous les autres astres pour qu’on en subisse pas l’attraction. c) entre 2 astres où les attractions s’annuleraient ( ex : entre Terre et Lune) d) dans un satellite, car malgré qu’il circule dans la zone où l’attraction de la Terre existe , tout se passe comme si on ne ressentait pas la gravitation parce qu’il est en rotation autour de la Terre sans tomber sur elle. C’est le même phénomène que celui reproduit sur les « montagnes russes » ou dans les avions lors d’un vol en « impesanteur ».
9.
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Deux objets de masse différente s’attirent avec la même force, proportionnelle à leur masse (m, celle du gros aspirateur, m’ celle du petit) et au carré de la distance (r) qui les sépare : F = Gmm’/r2. Mais chacun soumet l’autre à un mouvement dont l’accélération est proportionnelle à sa propre masse. Le mouvement qu’impose le mastodonte à l’autre est de G m/r2. Le nain lui répond par G m’/r². Comme m’ est bien plus faible que m, le petit devrait s’écraser sur le gros ! Mais, sur Terre, tous deux sont rivés au sol par la pesanteur, qui les maintient à leur place.
Les moindres modifications de la
gravité sont détectées en altitude
et sous les montagnes
LECTURE Document Mais, dans le vide, raisonna Galilée, les deux corps doivent toucher le sol au même instant. Un an après sa mort, son élève, Evangelista Torricelli, réalisa l’expérience dans le vide. Dans une enceinte où l’air a été pompé, plume et pomme chutent à la même vitesse exactement. Les travaux sur la chute des corps menés du haut de la tour de Pise inspirent, plus de cinquante ans après, un Britannique, Isaac Newton. En 1686, celui-ci annonce une série de lois sur le mouvement des corps: • La première paraît évidente, encore fallait—il la formuler correctement sans l’action d’une force extérieure et dans un milieu où l’on néglige la résistance de l’air et les frottements, un objet au repos reste éternellement dans cet état. Et le corps initialement animé d’une vitesse n’accélère pas et ne freine pas. C’est le principe d’inertie, Il en déduit que tout changement de vitesse d’un corps est lié à
l’application d’une force. En clair, en l’absence de forces -mêmes occultes - une table ne se met pas à tourner. • La deuxième loi de Newton donne plus de précisions sur les relations entre cette force et le mouvement. L’une et l’autre sont proportionnelles. Plus la force appliquée est importante, plus le changement de vitesse est grand, et enfin la direction dans laquelle s’applique la force détermine la direction de l’accélération. Autrement dit, pour déplacer l’objet à droite, pas la peine de pousser vers la gauche. • La troisième loi est connue sous le nom du u principe de l’action et de la réaction u. Pour l’illustrer, on utilise souvent l’exemple d’un objet
posé sur une table. Le poids du corps est une force dirigée vers la table. Celle-ci exerce aussi une force de réaction égale au poids du corps mais dirigée en sens contraire. Grâce au principe de l’action et de la réaction, on explique mathématiquement pourquoi l’objet ne s’enfonce pas dans la table. • A ces trois lois s’appliquant aux corps en mouvement s’ajoute une quatrième, la plus importante, l’héritage de Newton, la loi de la gravitation universelle : deux corps s’attirent mutuellement avec une force proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de leur distance (voir formule ci-dessous). La pomme attire la Terre et inversement.., chacune développe une force égale. En revanche, chacun soumet l’autre à une accélération proportionnelle à sa masse: 100 g d’un côté et... près de 6.1021 t, soit 60 000 000 000 000 000 000 000 000 fois plus de l’autre! Pas étonnant que la pomme s’écrase sur la
Terre et non l’inverse. Une seule loi explique le mouvement des astres, la chute des pommes et des milliers d’autres détails du monde... La Terre attire la Lune et vice versa, le Soleil aussi, ainsi
que tous les corps qui lui tournent autour, et ce d’autant plus fort qu’ils sont plus près. L’influence de Neptune, planète située à l’orée du système solaire, est négligeable sur la Terre. La force d’attraction de la Terre dépend donc de sa masse : c’est la quantité de matière que contient la boule sur laquelle nous marchons. Cette quantité est propre à notre planète et dépend de la nature de ses matériaux, de leur densité et de ses dimensions. La Lune, Mars, une pomme, une montagne ou tout autre corps n’ont pas la même masse. Ils n’attirent donc pas le même objet pareillement. Un caillou, un astronaute, une paire de baskets n’ont donc pas le même poids sur Terre et sur Mars.
Sur la Planète rouge, ils sont près de trois fois plus légers. Très souvent, dans le langage courant, la confusion s’installe entre
masse et poids.
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Le petit prince du chef-d’œuvre de Saint-Exupéry est léger sur sa planète. Entre sa rose, son mouton et ses volcans, pour ses 1,50 m et 40kg, il pèse 200 N (newtons)... Sur Terre, il se sentirait deux fois plus lourd: il pèserait 400 N tout en gardant la même masse 40 kg. Car sur notre planète, la gravité est deux fois plus forte. Si le petit prince entreprenait un voyage à travers le système solaire, il changerait de poids comme de planète:64 N sur la Lune, 148 N sur Mars, 916 N sur Jupiter... Tout en conservant, au cours de ce long voyage, sa masse de 40 kg.
La première se mesure en kilogrammes. Sur Terre, Mars ou la Lune, elle ne varie pas. Le poids, quant à lui, est la force d’attraction, légèrement perturbée par la force centrifuge, que la Terre exerce sur la masse. Il se mesure en newton, 1 N est le poids qu’aurait une masse de I kg si elle était accélérée de 1 m toutes les secondes. Côté formule, le poids est le produit de la masse par un paramètre que l’on appelle g ». Ce petit « g » (qu’il ne faut pas
confondre avec le symbole du gramme), qui fait donc le lien entre la masse et le poids, s’appelle « accélération de la pesanteur Sur notre planète, la valeur moyenne de g est de 9,81 m/s2. Le chiffre a l’air d’être précis, pourtant g n’est pas une constante sur notre globe: des pôles à l’équateur il joue au yo-yo. A proximité d’une montagne, il est perturbé, et, au fond d’une vallée, il se sent léger. Pourquoi g varie-t-il sans cesse? D’abord l’intérieur de la planète n’est pas fait de même genre de matières selon que l’on se trouve ici ou là. Autrement dit, la tranche de terre (de la croute que nous foulons jusqu’au centre) n’est pas la même sous les pieds des Russes, des Américains, des Chinois et des Européens. La même portion contient plus ou moins de matière. Non pas que sous les pieds des Chinois la terre soit du gruyère, mais la matière est plus ou moins dense. Du coup, la Terre attire plus ou moins fortement, et, en surface, le poids varie très légèrement! Enfin, à proximité d’un excès de masse, une montagne, par exemple, l’attraction est plus importante.
Ces petites variations qui nous font perdre ou gagner du poids sans changer de mensurations empoisonnent... les météorologues et affectent indirectement tous les engins volants, des hélicoptères aux satellites, en passant par les missiles. Toutes ces activités nécessitent la connaissance précise de la pression atmosphérique. Or la pression atmosphérique à un point n’est rien d’autre que le poids de la colonne d’air au-dessus de ce point ; Et pour calculer le poids, il faut bien mesurer g avec précision. Comment? avec un gravimètre. Grâce à cet appareil, les obsédés des régimes sont comblés: on peut connaître à tout moment et à 10-10 près (précision de 0,0 000 000 001) son poids. L’élément de base de cet engin est in ressort relié à une masse. Cette dernière est attirée par la Terre, par les collines environnantes, par le plateau sur lequel se trouve l’appareil.. et déforme le ressort. L’allongement indique directement la valeur de la pesanteur à ce point. Ainsi baladé à travers monts et plaines, le gravimètre indique les variations de poids d’une masse de I kg..., mais ces différentes valeurs déroutent les géophysiciens : ils cherchent à comprendre pourquoi à tel endroit la valeur de g est forte ou faible... alors ils recensent les cavités et les montagnes qui attirent plus ou moins la masse pour isoler la vraie valeur de g au niveau de la mer. Ils obtiennent ainsi l’accélération de la pesanteur due aux différents matériaux enfouis sous nos pieds. Pour ceci les spécialistes n’hésitent pas à multiplier les mesures : les militaires de l’US Air Force emportent leur gravimètre à l’intérieur d’une grotte installée sous une montagne de granite pour estimer l’attraction de cet excès de masse ou à 600 m d’altitude en haut d’une tour de télévision. Selon la loi de la gravitation, la valeur de g diminue de façon proportionnelle au carré de la distance (ici la hauteur)
« Science et vie junior »
