La gravitation : cours de physique-chimie de 3e

Lâche un stylo : il tombe. Regarde la Lune : elle reste dans le ciel et tourne autour de la Terre. Ces deux situations semblent n'avoir rien à voir. Pourtant, elles ont une même origine : la gravitation.

Dans ce cours, tu vas apprendre ce qu'est la gravitation, entre quels objets elle agit, comment elle dépend des masses et de la distance, et comment calculer la valeur de la force gravitationnelle avec la loi de Newton. Tu sais déjà qu'une force a un point d'application, une direction, un sens et une valeur exprimée en newton. Ces idées vont servir tout au long du chapitre.

Cette interaction explique des phénomènes très variés. Elle se manifeste par l'attraction terrestre, appelée gravité, qui nous retient au sol. Elle est aussi responsable des marées, de l'orbite des planètes autour du Soleil et de la forme sphérique de la plupart des corps célestes ². À très grande échelle, elle détermine même la structure de l'Univers ².

Si cette attraction existe entre deux élèves, pourquoi ne la sens-tu pas ? Parce que leurs masses sont minuscules à côté de celle d'une planète. Nous verrons plus loin, avec la formule, qu'une force gravitationnelle est d'autant plus petite que les masses sont petites. Entre deux personnes, elle est bien réelle mais extrêmement faible.

Cette particularité a une conséquence importante. Parmi les quatre interactions fondamentales, la gravitation est celle dont l'intensité est la plus faible quand on regarde le monde des particules ; pourtant elle devient dominante à mesure que les objets étudiés deviennent plus grands ². Comme elle attire toujours, ses effets s'additionnent, alors que les effets électromagnétiques, tantôt attractifs, tantôt répulsifs, dominent surtout à courte portée ². C'est pourquoi la gravitation gouverne le mouvement des planètes et des étoiles.

Pendant longtemps, on a pensé que les lois valables sur Terre n'étaient pas celles qui gouvernaient les astres. Isaac Newton a voulu réunir en une seule théorie ce que l'on savait de la chute des objets sur Terre et ce que l'on observait dans le ciel, en particulier le mouvement des planètes. Pour cela, il a traité la gravitation comme une force ².

Il s'appuyait sur le travail de ses prédécesseurs. Johannes Kepler, chargé par Tycho Brahe d'étudier le mouvement des planètes, avait exposé trois lois qui décrivent ces mouvements, appelées par la suite lois de Kepler. Il écrivait même : « C'est comme si une force émane du Soleil » ³. À partir de la troisième loi de Kepler, Newton a développé sa théorie de la gravitation ³.

Newton a compris que la chute des corps et le mouvement des astres ont une seule et même cause : la gravitation universelle. En 1687, dans son ouvrage Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, il énonce la loi de gravitation universelle ¹. Selon cette loi, la gravitation est une force qui fait tomber les objets, guide les astres et attire l'un vers l'autre des corps massifs, qu'il s'agisse de planètes ou de satellites, naturels ou artificiels ³.

Voyons maintenant comment la loi s'écrit. On l'énonce d'abord avec des mots, puis avec une formule.

La constante $G$ ne dépend ni des corps ni de la distance : c'est la même pour toutes les situations. Elle sert à « ajuster » les unités pour que le résultat sorte en newton.

Une formule ne sert pas qu'à calculer : elle permet de raisonner sans calculatrice. Comme la force est proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance ³, on peut prévoir ce qui se passe quand on change une grandeur.

Sur ce graphique, on a représenté une force en unité relative : la valeur 1 correspond à la distance 1. La courbe descend vite au début, puis de plus en plus lentement. Rapprocher deux corps a donc un effet très fort sur la force, tandis que les éloigner quand ils sont déjà loin change peu de chose.

La gravité terrestre est l'attraction que la Terre exerce sur les objets proches d'elle ². C'est elle qui te retient au sol. Dans le chapitre suivant, « Poids et masse », tu verras comment on en déduit le poids d'un objet. Ici, retiens simplement que l'attraction de la Terre n'est qu'un cas particulier de la gravitation universelle.

Les expériences confirment bien la loi de Newton. Sur le plan technique, elle est suffisante pour concevoir des engins plus lourds que l'air qui volent, et même pour conduire des astronautes jusqu'à la Lune ².