Physique, chapitre 3 : La gravitation universelle

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1 Physique, chapitre 3 : La gravitation universelle 1. Interaction gravitationnelle 1.1 Le système solaire Le système solaire est composé de l ensemble des astres autour du Soleil. Un étoile est une boule de lumière. Chaleur et lumière sont le résultat d une réaction de fusion nucléaire (c est à dire la fusion de noyaux atomiques). Le Soleil est l étoile du système solaire. Les planètes sont des astres sphériques qui tournent autour d une étoile. Les huits planètes majeures sont : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Il existe des planètes naines (ou planétoïdes) comme Pluton ou Cérès. Les quatre planètes proches du soleil sont dites telluriques, car composées de terre. Les quatre autres sont dites gazeuses. Un satellite est un astre qui tourne autour d une planète. Ex, la Lune pour la Terre, ou Phobos et Déimos pour Mars. Un astéroïde est un «gros caillou». Il existe une ceinture d astéroïdes entre Mars et Jupiter. Une comète est un gros bloc de glace sale. Il existe la comète de Haley. Une orbite est le chemin imaginaire suivi par un astre. 1.2 Pourquoi les planètes tournent elles autour du soleil? Il existe une force attractive appelée la gravitation. Elle dépend : de la masse : plus la masse est importante, plus la gravitation est importante ex : masse du Soleil : kg masse du Terre : kg de la distance : plus les objets sont éloignés, moins il y a de gravité Exemple d interaction gravitationnelle : Soleil <=> Planète Planète <=> Satellite Terre <=> Objet Masse1 <=> Masse2 M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 1/6

2 1.3 La gravitation est elle universelle? Selon la célèbre histoire, Isaac Newton ( ) vit tomber une pomme d un arbre. Ceci lui inspira l idée qu une force attirait la pomme vers le sol. Or, cette force exercée par la Terre semblait agir quelle que soit la hauteur à laquelle se trouvait le fruit. Ainsi, cette force devait exister pour tous les objets situés à des altitudes supérieures et peut être même s exercer sur la Lune en la retenant captive de la Terre. Et puisque cette force était la raison pour laquelle la Lune tournait autour de la Terre, il devait en être de même pour la Terre autour du Soleil : la loi de la gravitation universelle était née. 1.4 La gravitation peut elle disparaître? Non, car sa portée est infinie. La gravitation agit sur toutes les masses, elle est universelle. 1.5 Les autres interactions fondamentales La gravitation n est pas la seule interaction existante. Il existe aussi l interaction électromagnétique (ex : les aimants, l électricité) et les interactions nucléaires (cohésion/désintégration du noyau). On rappelle qu un pôle Nord est repoussé par un pôle Nord. Par contre Nord et Sud s attirent. En électricité, une charge électrique Plus repousse une Plus et attire une Moins. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 2/6

3 2. Poids et masse 2.1 Pourquoi tout tombe? La terre est faite de beaucoup de matière : elle a une grande masse. (masse de la Terre : kg!). Elle nous attire de manière gravitationnelle. 2.2 Poids et masse La masse : est liée à la quantité de matière d une corps Son unité est le kilogramme. On la mesure à l aide d une balance. Ex : Moins il y a d atomes, moins il y a de masse. Le poids : est la force exercée par la planète sur un corps Son unité est le Newton On le mesure à l aide d un dynamomètre Masse (kg) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Terre Mars 1,85 1,48 1,11 0,74 0,37 Jupiter 11,5 9,2 6,9 4,6 2,3 Lune 0,8 0,64 0,48 0,32 0,16 Quelle est la relation entre le poids et la masse? La plus grosse planète attire le plus. La lune attire le moins Sur Terre, P = m x 10 Sur Mars, P = m x 3,6 Sur Jupiter, P = m x 23 Sur la Lune, P = m x 1,6 Donc la relation est P = m x g où g est une valeur dépendant de l astre. On l appelle «constante de pesanteur» ou «intensité de pesanteur». Son unité est le N/kg. où P est le poids, exprimé en Newton où m est la masse, exprimée en kilogramme. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 3/6

4 Applications : sur Terre : m = 54 kg, P? On a P = m x g et sur Terre g = 10 N/kg donc : P = 54 x 10 = 540 N Le poids vaut 540 N sur la Lune : m = 54 kg, P? On a P = m x g et sur la Lune g = 1,6 N/kg donc : P = 54 x 1,6 = 86,4 N Le poids vaut 86,4 N sur Jupiter : m = 54 kg, P? On a P = m x g et sur Jupiter g = 23 N/kg donc : P = 54 x 23 = 1242 N Le poids vaut 1242 N M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 4/6

5 2.3 Où est le bas? Un objet tombe vers le bas : il indique le centre de la Terre. Le poids est dirigé vers le bas. 2.4 Pourquoi la lune ne tombe t elle pas sur Terre? La Lune tombe sur la Terre mais «à côté» : cela dépend de sa vitesse. 2.5 Impesanteur Il existe cet état : dans l eau (la poussé d Archimède) dans l espace (la «force» centrifuge) M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 5/6

6 2.6 Galilée et les satellites de Jupiter En 1610, Galilée découvre Io, Europe, Ganymède et Callisto, quatre satellites de Jupiter qu'il observe à l'aide de sa lunette astronomique. Il relate ainsi ses observations dans un ouvrage, Le messager des étoiles, dans lequel il dessine également ce qu'il voit. Sur ses schémas, Galilée note «Ori.» la direction «est» et «Occ.» la direction «ouest». «Le 7 janvier de cette année 1610, à la première heure de la nuit, alors que j'observais les étoiles à la lunette, Jupiter se présenta, et comme je disposais d'un instrument tout à fait excellent je reconnus que trois petites étoiles, il est vrai toutes petites mais très brillantes, étaient près de la planète [ ]. Je pensais que c'étaient des étoiles fixes mais quelque chose m'étonnait : elles semblaient disposées en ligne droite, parallèlement à l'écliptique, et étaient plus brillantes que le reste des étoiles. Voici quelle était leur position les unes par rapport aux autres et par rapport à Jupiter : à l'est, se trouvaient deux étoiles, mais une seule à l'ouest [ ]. Je ne me préoccupais pas d'abord de leurs distances entre elles et Jupiter car, comme je l'ai dit, je les avais prises pour des étoiles fixes. Mais quand, le 8 janvier, guidé par je ne sais quel destin, je regardais du même côté du ciel, je trouvais une disposition très différente. Les trois petites étoiles étaient en effet toutes à l'ouest de Jupiter et elles étaient plus proches entre elles que la nuit précédente Je commençais à me demander avec embarras comment Jupiter pouvait se trouver à l'est de toutes les étoiles fixes mentionnées plus haut alors que la veille il était à l'ouest de deux d'entre elles.» Les jours suivants, Galilée continue à observer cette région du ciel et réalise une série de croquis à l'échelle. Il comprend que les «étoiles» sont en réalité de petits astres tournant autour de Jupiter comme la Lune tourne autour de la Terre. Le 13 janvier, pour la première fois, il aperçoit quatre petites «étoiles». Ainsi Galilée, par ses observations qui pourront être réalisées par n'importe quel autre scientifique, prouve que tout ne tourne pas autour de la Terre. Il peut y avoir d'autres centres de système. Dans les années qui suivront, on réalisera que ce sont des satellites comme la Lune qui tournent autour de Jupiter et on les nommera satellites galiléens : Callisto, Europe, Io et Ganimède. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 6/6

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