La gravitation

Les physiciens reconnaissent 4 interactions (forces) fondamentales :

• l'interaction forte : c'est elle qui assure la cohésion du noyau des atomes en "collant" les protons et neutrons ensemble. Elle a une portée extrêmement limitée puisqu'elle est limitée inférieure à la taille du noyau.
• l'interaction faible : elle assure certaines formes de radioactivité.
• l'interaction électromagnétique : elle regroupe les forces électriques et magnétiques, reliées par les équations de Maxwell pour ne former qu'une unique interaction. Sa portée est moyenne.
• la gravité : sa portée est très importante, mais sa force très faible.

La gravité présente des caractéristiques très spécifiques :

• La gravité (qui est une force) est assimilable à une accélération (qui est une variation de vitesse). En effet, lorsque vous êtes couchés dans votre lit et que vous ressentez le poids de votre corps sur le matelas, il se passe exactement la même chose que si vous étiez dans une zone en totale apesanteur mais que votre lit accélèrerait vers le haut à 9,81 m/s² (ce qui signifie 9,81 m/s par seconde, c'est-à-dire qu'à chaque seconde votre vitesse croît de 9,81 m/s). Bizarre qu'une force soit assimilable à un simple déplacement...

• C'est la plus faible des forces. Ceci se constate de plusieurs manières :
  • lorsqu'une personne marche, elle reste au niveau du sol, sans s'y enfoncer. Le sol est soumis à 2 forces : les forces électriques retiennent ses atomes entre eux, et la force de gravitation du poids de la personne. Force est de constater que l'on ne s'enfonce pas dans le sol. Même suite à une chute, où le corps a le temps d'emmagasiner une quantité importante d'énergie dûe à la gravitation, la chute est arrêtée au contact du sol. Cela provient du fait que la force électrique qui assure la cohésion du sol est bien plus importante que la force de gravitation qui tente de la rompre.
  • par le calcul, la comparaison des forces entre 2 objets simples (proton et électron, par exemple) montre que la valeur de la gravité est largement inférieure à la valeur des autres forces.

  Certains conjecturent que cette caractéristique s'expliquerait par le fait que la gravité se répandrait dans d'autres dimensions de l'univers qui nous sont inaccessibles. Rapporté à notre monde sensoriel, cela reviendrait à dire que les autres forces ne se propageraient que dans le plan, alors que la gravité se diffuserait dans toutes les directions de l'espace : un animal qui ne saurait voir que ce qui se passe dans le plan ne verrait donc qu'une infime partie des effets de la gravité (alors qu'il capterait tous les effets des autres forces), et en déduirait qu'elle est bien plus faible que les autres forces.

   

• La constante de gravitation G (qui sert à calculer la force de gravitation F = G.m.m'/d²) est connue avec une précision de 10^-4. Ceci signifie que la 5^ème virgule (et a fortiori les suivantes) est incertaine. C'est très imprécis au regard d'autres constantes de la physique qui sont connues pour la plupart à 10^-7 voire 10^-8 près (1000 voire 10000 fois plus précis). Peut-être est-ce lié au fait que la gravitation n'est pas bien comprise, donc pas bien définie (voir ci-dessus) : si l'on veut mesurer le niveau de la mer alors qu'on imagine qu'il s'agit d'un plan parfait, on ne pourra jamais le mesurer avec une précision inférieure à la hauteur des vagues.

• La masse est une mesure de quantité de matière. Elle revêt 2 aspects, gravitationnel et inertiel :
  • Le poids est la force (mesurée en N = newton comme toute force) avec laquelle un objet est attiré par un autre du fait de leurs masses respectives. Un wagonnet de masse mettons 100 kg verra son poids sur la Lune divisé par 6 par rapport au même sur Terre : en effet, le poids, qui représente la force avec laquelle la Lune (mais aussi la Terre) attire le wagonnet vers elle, est P=m x g, et sur la Lune "g" est 6 fois plus faible que sur Terre (1,6 m/s² au lieu de 9,8) du fait que la Lune est 6 fois moins massique que la Terre. L'effet le plus visible sera qu'on peut en effet soulever le wagonnet plus facilement sur la Lune que sur Terre : son poids est divisé par 6 (100 x 1,6 = 160 N au lieu de 100 x 9,8 = 980 N). Le poids P=mg est une conséquence de la masse, qui revêt ici un aspect "gravitationnel".
  • L'inertie représente la résistance à toute modification de trajectoire (en direction et en vitesse) d'un objet. La masse du wagonnet est toujours la même sur la Lune que sur Terre (100 kg). C'est une mesure de la quantité de matière représentée par le wagonnet qui, elle, ne change pas que sur soit sur Terre ou sur la Lune. Plus elle est importante, plus l'objet sera difficile à accélérer, freiner et changer de trajectoire (il aura tendance à "tirer tout droit" à vitesse constante). Installé sur des rails, le wagonnet sur la Lune sera donc toujours aussi difficile, non pas à soulever, mais à mettre en vitesse que sur Terre. Son inertie n'a pas changé. Dans le cas d'un mouvement horizontal, l'attraction de la Lune ou de la Terre (qui est verticale) n'intervient en effet pas : seule l'inertie joue.

  La masse inertielle est donc, par sa nature, bien différente de la masse gravitationnelle. Or, il se trouve que quantitativement elles ont les mêmes valeurs et on ne sait toujours pas pourquoi. C'est ce qui explique que dans le vide, 2 objets de masses différentes (pierre et plume par exemple) tombent exactement à la même vitesse : la masse gravitationnelle fait que l'objet le plus massif est attiré avec plus d'intensité vers le sol, mais sa masse inertielle fait qu'il est plus difficile à accélérer. Le fait que les 2 masses soient égales entraîne le fait que les 2 effets opposés se compensent exactement : la plume tombe côte-à-côte avec la pierre. Du fait que ces 2 masses sont égales, on parle de LA masse.

  A moins que ces 2 masses ne diffèrent que très très légèrement mais qu'on ne s'en soit pas aperçu : comme on l'a vu, la constante G étant connue à 10^-4 près, il suffit que les masses gravitationnelles et inertielles diffèrent de moins que 10^-4 pour que cette différence soit masquée par l'imprécision de la constante G.

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