Chute libre (physique)

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir Chute libre.

Une chute libre est un mouvement sous le seul effet de la pesanteur. Un objet en chute libre est donc soumis à une force unique, son propre poids. Les autres forces agissant sont alors soit inexistantes, soit négligées. Parmi les forces fréquemment négligées, on compte la résistance de l'air du milieu ou la force de Coriolis (voir déviation vers l'est).

On distingue la simple chute dans un champ de pesanteur uniforme au voisinage de la Terre (Galilée, 1605), et la chute céleste (Lois de Kepler), dont Isaac Newton a fait la synthèse en 1687. Pour le cas où l'on considère la résistance de l'air, on parle de chute avec résistance de l'air.

Exemples de chutes libres proches[modifier | modifier le code]

  • la chute libre de deux sphères d'égal diamètre, une pleine l'autre creuse, par Galilée (1602), depuis la tour de Pise, d'après la légende.
  • la pomme d'Isaac Newton (1665) qui tombe de l'arbre, une légende également très célèbre.
  • l'expérience du tube de Newton.
  • la Lune en chute libre autour de la Terre, établie par ce même Newton à la surprise générale de son époque
  • un ascenseur dont on aurait coupé le câble de suspension (tour d'impesanteur).
  • un Airbus Zero G.
  • une Caravelle 0-G.

Par opposition, des cas où d'autres forces que la pesanteur sont également présentes et doivent être prises en compte pour décrire le mouvement de l'objet, sont présentés ci-après :

  • objet reposant sur une surface, par exemple horizontale : cas pour lequel la force exercée par cette surface compense le poids et agit de telle sorte que la force totale force résultante soit nulle, ne communiquant pas d'accélération à l'objet.
  • avion ou feuille de papier planant : dans ces systèmes les forces de friction exercées par l'air sur l'objet jouent un rôle fondamental.

Chute ralentie[modifier | modifier le code]

On peut aussi, comme l'a fait astucieusement Galilée, opérer une chute ralentie, pour mieux observer le mouvement : chute d'un palet sur du verglas incliné d'un angle α, chute sur des plans successifs, chute circulaire du pendule simple. Chute du pendule cycloïdal de Huygens. Chute ralentie de la machine d'Atwood ; il est évident que la loi de chute est différente, mais pas la loi de 1602 : la masse m n'intervient pas, car il y a compensation exacte entre masse inerte et masse grave.

Chute libre sans vitesse initiale[modifier | modifier le code]

En supposant que le corps n'est soumis qu'à la pesanteur, si un corps ponctuel P est lâché d'un point de cote z0 sans vitesse initiale et si l'axe des z est orienté vers le haut, alors on a :

a_z = -g (composante selon l'axe des z de l'accélération, deuxième loi de Newton)
v_z = -gt + V_0 = -gt car V_0 = 0 (composante de la vitesse selon l'axe des z)
z = -\frac{1}{2}gt^2+z_0 (composante de la position selon l'axe des z)

Avec :

  • z=la hauteur du corps par rapport au sol
  • g=l'accélération du champ de pesanteur terrestre (environ 9,81 m.s-2)
  • t=le temps en secondes

La vitesse V à l'impact est donnée par:

V = \sqrt {2gz_0}

Chute avec vitesse initiale[modifier | modifier le code]

Il décrira une trajectoire parabolique[1] (voir aussi parabole de sûreté).

Chute céleste[modifier | modifier le code]

Si la vitesse initiale est appropriée, c'est-à-dire à la bonne valeur et la bonne orientation étant donnée la position initiale, la trajectoire peut être circulaire (cf. fenêtre de tir), comme elle l'est pour un satellite géostationnaire ; la Lune a plutôt un mouvement elliptique (en première approximation), très perturbé par l'influence du Soleil (la force de gravitation du Soleil sur la Lune est plus grande que la force de gravitation de la Terre sur la Lune).

Commentaire[modifier | modifier le code]

Dans des systèmes en chute libre simple, les objets n'ont pas de poids apparent et flottent librement les uns par rapport aux autres. Pour cette raison, la notion de chute libre est employée dans les tours d'impesanteur, les avions en vol parabolique compensé (Airbus 0-g) ou les systèmes en orbite pour simuler l'absence de gravité et étudier ses conséquences.

Contrairement à une idée reçue, les spationautes dans une station spatiale, ne flottent pas en impesanteur en raison d'une diminution de la gravitation due à leur éloignement de la Terre, mais parce que le système constitué par la station spatiale et eux-mêmes sont en chute libre (cf. Référentiel non inertiel, impesanteur).

La notion de chute libre est abordée en physique : on y explique la trajectoire parabolique ; puis la trajectoire balistique non parabolique, enfin la trajectoire d'un satellite (lois de Kepler). Bien sûr on fait remarquer que le raisonnement de Torricelli (1640 ?) pour la parabole tient toujours pour l'ellipse, le cas circulaire étant le plus simple à expliquer (Huygens, 1651) : c'est la célèbre figure du "funiculaire à rochets" : mouvement tangent + retombée "verticale" sur la trajectoire, etc. Newton utilisera beaucoup cette figure (1679-1687).

Vision relativiste[modifier | modifier le code]

Dans la théorie de la relativité générale, la gravitation n'est pas une force mais une « déformation riemanienne de l'espace-temps » ; un objet dit en chute libre décrit simplement une géodésique de cet espace. On remarquera que la loi de Galilée (1602) [tous les corps ont même loi de chute] a été élevée au rang de Principe d'équivalence (de la masse inerte et de la masse grave) par Einstein en 1915, quand il a créé sa théorie.

Naturellement, cette équivalence n'existe que si l'on considère le phénomène au niveau ponctuel et non tant que champ. Dans la pratique, avec des accéléromètres suffisamment précis et nombreux, il sera aisé de distinguer même sans vision de l'extérieur entre un champ de forces gravitationnel (centripète), celui dans un ascenseur au câble coupé (parallèle) et une manifestation de « forces centrifuges » (axifuges) dans le cas général : la Relativité constitue une théorie locale.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. sauf dans le cas particulier où le vecteur vitesse est colinéaire avec le vecteur poids