Gravité expliquée

Pendant des années, les gens savaient que lorsqu’un objet est lancé tout droit, il retombe sur Terre. Les gens observaient ce phénomène et pouvaient prédire l’effet de cette force, mais n’avaient aucune idée de son fonctionnement.

Depuis les temps anciens, il y a eu de nombreuses théories et tentatives pour expliquer cette force mystérieuse appelée « gravité ». Au début, les philosophes pensaient que la chute d’objets vers la Terre faisait partie du royaume des dieux et suivaient un mouvement naturel. Par exemple, l’air appartenait aux cieux, se déplaçant vers le haut, tandis que les roches appartenaient à la Terre, retoquées vers la Terre.

« Prenez un moment pour faire l’expérience des effets de la gravité. Lesiez votre bras et sentez comment vous êtes obligé de le laisser tomber à nouveau ou d’utiliser une boule ou une pomme pour jeter

tout droit vers le haut »

Au IVe siècle, Aristote fut le premier à tenter une description quantitative de la gravité. Il a écrit qu’un objet est tombé à une vitesse constante, atteint peu de temps après avoir été libéré, et les choses plus lourdes sont tombées plus rapidement en proportion de leur masse. Bien que cette idée était fausse, elle était restée à l’esprit jusqu’au XVIe siècle.

Au XVIIe siècle, un astronome italien, Galilée, a fourni la première explication scientifique de la gravité en menant des expériences et a contesté l’idée de gravité proposée par Aristote.

Grâce à ses expériences, Galilée s’est rendu compte qu’un corps qui tombait a pris de la vitesse à un rythme constant, c’est-à-dire qu’il avait une accélération constante. Il a également fait l’observation significative que, si la résistance à l’air peut être négligée, tous les corps tombent avec la même accélération, des corps de poids différents tombés ensemble atteignent le sol simultanément.

Galilée aurait laissé tomber des boules de la même forme. Pourtant, un poids différent de la Tour penchée de Pise pour démontrer que les objets sont tombés avec la même accélération, prouvant sa prédiction juste tout en réfutant la théorie d’Aristote de la gravité (qui stipule que les objets tombent à une vitesse proportionnelle à leur masse).

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« À la fin de la dernière marche lunaire d’Apollo 15, le commandant David Scott (photo ci-dessous) a effectué une démonstration en direct pour les caméras de télévision. Il a tenu un marteau géologique et une plume et les a déposés en même temps. Parce qu’ils étaient essentiellement dans le vide, il n’y avait pas de résistance à l’air, et la plume est tombée au même rythme que le marteau, comme Galilée avait conclu des centaines d’années auparavant – tous les objets libérés ensemble tombent au même rythme indépendamment de la masse. Le contrôleur de mission Joe Allen a décrit la démonstration dans le « Rapport scientifique préliminaire Apollo 15 » :

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/lunar/apollo_15_feather_drop.html

Galileo a également effectué une autre expérience pour prouver que la gravité accélère les objets à un rythme constant à mesure qu’il tombe. Cependant, il y avait un problème en testant cette hypothèse. Galilée ne pouvait pas observer verticalement le mouvement de chute libre de l’objet. À l’époque, la technologie ne pouvait pas enregistrer de telles vitesses élevées (absence d’une horloge ou d’une chronomètre qui pouvait mesurer la grande vitesse). En conséquence, Galilée a essayé de ralentir le mouvement en remplaçant l’objet qui tombait par une boule roulant sur une rampe inclinée. Comme la chute libre équivaut à une rampe complètement verticale, il a supposé qu’une balle roulant vers le bas d’une rampe inclinée accélérerait de la même manière qu’une boule tombante.

Grâce à cette expérience, Galilée a conclu que si un objet est libéré du repos et gagne de la vitesse à un rythme régulier, alors la distance totale parcourue par l’objet est proportionnelle au temps nécessaire pour ce voyage. Par exemple, si un objet libéré du repos voyage pendant deux secondes, il voyagera 2 x 2 ou 4 fois plus loin que s’il ne voyageait qu’une seconde après avoir été libéré du repos.

La vidéo ci-dessous reproduit l’expérience ci-dessus réalisée par Galileo.

Je crois que nous comprenons mieux comment les choses se déplacent sous l’influence de la gravité ici sur Terre. Mais comment étendre cette compréhension au mouvement d’autres objets en dehors de la planète Terre ? Par exemple, comment la Lune tourne-t-elle autour de la Terre ? Pourquoi la Terre tourne-t-elle autour du Soleil ? Comment les étoiles se déplacent-elles à travers l’univers ?

Au XVIIe siècle, Sir Isaac Newton, mathématicien et physicien, donne une nouvelle description de la gravité. Il croyait que nous vivons dans un monde où nous pouvons prédire le mouvement de n’importe quoi. Les travaux de Newton sur la gravité sont l’un des tournants critiques de la physique.

Chaque fois que nous parlons de Newton, la première chose qui nous vient à l’esprit est Apple qui est tombé sur la tête de Newton. Cette histoire n’est pas tout à fait correcte.
Un jour, Newton s’assit en pensant dans son jardin quand il remarqua qu’une pomme tombait à proximité. Ce n’est pas seulement que la pomme est tombée l’a rendu excité, mais qu’il a essayé d’aller au centre de la Terre (tout droit vers le bas) et pas dans une autre direction. C’était vital Moment Newton s’est rendu compte que la Terre avait attiré la pomme à elle. Il s’est alors rendu compte que chaque objet de l’univers attire tous les autres objets en proportion de sa masse. Plus la masse de l’objet est grande, son attraction gravitationnelle sera beaucoup plus grande. Il étendit cette idée à la Terre, attirant la Lune vers son centre. Il a fallu près de 20 ans à partir de ce jour pour newton de publier ses travaux sur la gravité. Bien qu’une pomme n’ait peut-être pas frappé la tête de Sir Isaac Newton comme le suggère le mythe, la chute d’une pomme a inspiré Newton à l’une des grandes découvertes.

La loi universelle de la gravitation de Newton stipule que la force (F) d’attraction entre deux objets est égale au produit de leurs masses (m1 * m2), divisées par le carré de la distance entre eux (r). Cette formule indique également que la distance entre l’objet augmente; la force gravitationnelle s’affaiblit. (Rappelez-vous le carré inverse de la distance entre les objets)

Une question pourrait se poser pourquoi la Lune ne tombe pas directement sur Terre comme la pomme l’a fait.

Imaginez tirer un boulet de canon horizontalement à partir du sommet d’une montagne comme le mont Everest sur Terre. La balle suivait une trajectoire incurvée à mesure qu’elle se déplaçait vers l’avant et était attirée, par gravité, vers le sol en même temps. Tirez le boulet de canon avec plus d’énergie, et il atterrirait plus loin de la montagne, mais il suivrait toujours une trajectoire incurvée ce faisant.

Newton a proposé que si vous tiriez le boulet de canon avec assez d’énergie, il pourrait voler autour de la Terre et n’atterrit jamais parce que la Terre serait courber loin sous la balle au même rythme que la balle est tombée. En d’autres termes, la balle serait maintenant en orbite autour de la Terre.
Et c’est ce qui se passe avec la Lune – elle est en chute libre autour de la Terre, mais elle se déplace assez vite pour que la surface de la Terre ne la « capte » jamais tout à fait. Le même principe est utilisé encore aujourd’hui pour lancer des satellites en orbite autour de la Terre.

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Le modèle de gravitation de Newton a plutôt bien fonctionné pour prédire le mouvement de la plupart des planètes ainsi que des objets sur Terre. En fait, la loi gravitationnelle de Newton a été utilisée pour découvrir la planète Neptune. Mais il y a un problème que la loi de la gravité de Newtown ne pouvait pas prédire ni expliquer correctement l’orbite de Mercure autour du Soleil. L’orbite de la planète s’est déplacée plus rapidement que le modèle dérivé en utilisant la loi de la gravité de Newton.

Un autre problème dans la théorie de Newton décrit la gravité comme une force instantanée d’attraction entre deux objets massifs. Si un objet s’éloigne, l’autre objet connaît immédiatement le mouvement en raison du changement de gravitation, quelle que soit sa distance.
Par exemple, la Terre orbite autour du Soleil, et la distance entre eux est de 91 millions de miles. Supposons que, tout à coup, le Soleil disparaisse. Selon la Loi de la gravité de Newton, la Terre ressentira instantanément l’impact de la disparition du Soleil et perdra son orbite, et se déplace en ligne droite. Ce comportement semble irréaliste et ne s’explique pas bien en utilisant la Loi de gravitation de Newton.

Plus important encore, la loi de gravitation de Newton décrit les effets de la gravité, mais n’explique pas comment la gravité a fonctionné. Newton était bien conscient de cela et a d

d

ant près de 200 ans après que les travaux de Netwon sur la gravité ont été proposés, il n’y a eu aucune percée pour expliquer la violation identifiée dans la loi de Newton de la gravité. En 1915, Albert Einstein, physicien d’origine allemande redéfinit la gravité en proposant la théorie générale de la relativité. Selon Einstein, la gravité n’est pas une force comme Newton l’a décrit; au lieu de cela, une distorsion dans l’espace-temps créé par des objets massifs. Cette distorsion est ressentie comme la gravité.

Je sais que c’est déroutant. Pourquoi la gravité n’est-elle pas une force? Qu’est-ce que l’espace-temps et que signifie la distorsion ?

Essayons de comprendre l’espace-temps. L’espace est généralement défini en trois dimensions Longueur (Dimension 1), Largeur (Dimension 2) et Hauteur (Dimension 3). Tout le travail effectué par Newton ne fait référence qu’aux trois dimensions de l’espace, mais Einstein a eu une nouvelle idée de la 4ème dimension appelée temps.

Pourquoi le temps? Supposons que vous invitiez votre ami à prendre un café. Que se passe-t-il si vous mentionnez juste l’endroit pour se rencontrer sans mentionner le temps ou le temps de se rencontrer sans mentionner l’endroit. Dans les deux scénarios, vous ne rencontrerez pas votre ami car il n’y a pas suffisamment d’informations à moins que vous ne disiez à la fois l’endroit et le temps de se rencontrer. Selon Einstein, l’espace sans temps n’a aucun sens. Vous ne pouvez pas décrire le mouvement sans temps, par exemple, mètre par sec. Einstein définit l’espace et le temps comme un tissu entrelacé. (Voir croquis ci-dessous)

Selon Einstein, quand un grand objet est placé dans un tissu espace-temps; l’objet déforme le tissu, créant une courbure proportionnelle à sa masse. Tout autre objet qui pénètre dans la distorsion espace-temps d’un objet massif éprouvera le phénomène de gravité. Par exemple, le Soleil déforme l’espace-temps qui l’ennuyait, créant une courbure, et toutes les autres planètes tournent autour du Soleil non pas en raison d’une autre force, mais simplement à cause de la courbure qui l’en est.

Selon Einstein, les objets se déplaçant autour de la courbure se déplacent toujours le long de la ligne la plus droite possible, mais en raison d’une distorsion dans l’espace-temps, la ligne la plus droite possible est maintenant le long d’un chemin sphérique.
Par exemple, imaginez une boule roulant à travers le trampoline, il sera tout simplement suivre la courbe. Du point de vue du ballon, il voyageait toujours en ligne droite; c’est la déformation de l’espace-temps qui provoque sa déviation.

En outre, les rayons lumineux, lors de la traversée d’objets massifs comme le Soleil, se plie en raison de la courbure espace-temps. Ce phénomène est appelé lentille gravitationnelle. Ce comportement s’est avéré juste pendant l’éclipse solaire, en mesurant la flexion de la lumière des étoiles autour du Soleil.

Donc, selon Einstein, la gravité n’est pas une force. C’est une courbure dans l’espace-temps.

J’espère que vous avez une bonne compréhension de ce qu’est la gravité.