La pesanteur est le phénomène par lequel un astre attire les corps ayant une masse. Elle est à l'origine du poids, qui est une force et qu'il ne faut pas confondre avec la masse. Le poids et la masse sont des grandeurs proportionnelles. À cause de son poids, un corps lâché ou lancé au-dessus du sol ne peut pas rester immobile ou avoir un mouvement rectiligne et uniforme : soit il s'élève avec un mouvement rectiligne et ralenti, soit il chute avec un mouvement rectiligne et accéléré.
La pesanteur, origine du poids d'un corps
Au voisinage de la Terre, un objet est soumis à la pesanteur. C'est l'action par laquelle tout objet à proximité de la Terre est attiré vers elle.
Pesanteur
La pesanteur est le phénomène par lequel un astre attire les corps ayant une masse.
Du fait de la pesanteur, la Terre attire les objets situés dans son voisinage.
L'action de la pesanteur sur les corps est modélisée par une force : le poids \overrightarrow{P} , dont la valeur P s'exprime en newtons (N).
Tous les objets à proximité de la Terre sont soumis à leur poids \overrightarrow{P} .
Le poids et la gravité sont différents : le poids est la somme de la gravité et des forces dues au mouvement de l'astre.
Lorsqu'un objet est dans le voisinage de la Terre, il est soumis à son poids. Mais s'il est dans l'espace, il subit la force gravitationnelle exercée par la Terre.
La différence entre poids et masse
Dans la vie quotidienne, il est courant de confondre la masse et le poids d'un corps alors qu'il s'agit de grandeurs bien différentes.
La masse et le poids d'un corps sont des grandeurs bien différentes.
Il est courant d'utiliser le verbe « peser » pour indiquer une valeur de masse alors que celui-ci signifie « mesurer le poids ». Ainsi, on ne devrait pas dire « Cet objet pèse 1 kg », mais « La masse de cet objet est de 1 kg ».
La masse d'un corps, qui s'exprime en kilogrammes (kg), mesure la quantité de matière contenue dans ce corps, c'est-à-dire la masse de l'ensemble des particules qui le constituent. Cette quantité de matière, et donc la masse, ne dépend pas du lieu où se trouve le corps. On ne peut mesurer la masse que par comparaison, comme sur les balances à plateaux.
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Si la masse d'un astronaute muni de son équipement est de 90,0 kg sur Terre, elle sera également de 90,0 kg sur la Lune.
Le poids, dont la valeur s'exprime en newtons (N), mesure la force d'attraction qu'exerce un astre sur un corps. Cette force d'attraction sera d'autant plus grande que la masse de cet astre sera élevée. Ce qui signifie que le poids d'un objet varie dans l'Univers et dépend de l'astre où il se trouve. Dans les dynamomètres ou les pèse-personnes, on utilise la déformation que le poids fait subir à un ressort pour le mesurer.
Un astronaute de masse 90,0 kg (avec son équipement) a un poids de 883 N sur Terre et de seulement 146 N sur la Lune. C'est pourquoi les astronautes peuvent faire des bonds plus hauts et plus longs sur la Lune que sur la Terre.
Un corps ayant une masse peut même avoir un poids nul s'il est suffisamment éloigné de tout astre. On dit alors qu'il est en état d'apesanteur.
L'expression de la valeur du poids
Le poids d'un corps est proportionnel à sa masse. Le coefficient de proportionnalité est l'intensité de pesanteur, notée g, qui dépend de l'astre.
Détermination de la relation entre le poids et la masse
Pour déterminer la relation entre le poids et la masse, il faut suivre le protocole suivant :
- Mesurer avec un dynamomètre la valeur du poids de plusieurs masses marquées.
- Tracer le graphique représentant la valeur du poids en fonction de la masse.
On obtient alors une droite qui passe par l'origine, on en déduit que le poids est proportionnel à la masse. Le coefficient directeur de cette droite est proche de 10 N/kg.
Poids d'un corps
Sur un astre, la valeur P du poids d'un corps, exprimée en newtons (N), est proportionnelle à sa masse m, exprimée en kilogrammes (kg) et à l'intensité de pesanteur g, exprimée en N/kg, régnant sur cet astre :
P_{\text{(N)}} = m_{\text{(kg)}} \times g_{\text{(N/kg)}}
Sur Terre :
g = 9{,}81 \text{ N/kg }
Sur Terre, une personne de masse 50,0 kg a un poids de 491 N :
P_{\text{(N)}} = m_{\text{(kg)}} \times g_{\text{(N/kg)}}
P= 50{,}0 \times 9{,}81
P = 491 \text{ N}
Le poids d'un astronaute sur la Lune est plus faible que sur Terre car l'intensité de la pesanteur y est environ six fois plus faible (g_{\text{Lune}} = 1{,}62 \text{ N/kg}) que sur Terre.
Sur la Lune, une personne de masse 50,0 kg a un poids de 81,0 N :
P_{\text{(N)}} = m_{\text{(kg)}} \times g_{\text{(N/kg)}}
P= 50{,}0 \times 1{,}62
P = 81{,}0 \text{ N}
La représentation du poids
Le poids est représenté par un vecteur vertical, orienté vers le bas et dont la longueur est proportionnelle à la valeur du poids.
Le poids d'un corps est représenté par un vecteur vertical, noté \overrightarrow{P} , orienté vers le bas et ayant pour origine le centre de gravité du corps (qui peut être approximé comme étant le centre géométrique du corps).
Un objet lancé en l'air retombe sur la surface terrestre du fait de son poids.
Ses caractéristiques sont :
- son point d'application, le centre de gravité du corps ;
- sa direction : verticale ;
- son sens : vers le bas ;
- sa valeur : P exprimée en newtons (N).
Pour représenter le poids d'un corps, il faut donc utiliser une échelle qui fait correspondre la valeur du poids en newtons (N), et la longueur en centimètres (cm).
La valeur du poids d'une balle de tennis est 0,60 N. Si l'échelle choisie est 0{,}30 \text{ N} \Leftrightarrow 1{,}0 \text{ cm} , le poids de la balle doit être représenté par un segment de longueur 2,0 cm :
0{,}30 \text{ N} \Leftrightarrow 1{,}0 \text{ cm}
0{,}60 \text{ N} \Leftrightarrow 2{,}0 \text{ cm}
Les effets du poids sur le mouvement d'un corps
En raison de son poids, un corps ne peut pas rester immobile ou en mouvement rectiligne et uniforme au-dessus du sol : il aura un mouvement rectiligne et accéléré s'il descend et un mouvement rectiligne et ralenti s'il s'élève.
C'est le poids que subit un corps lâché ou lancé au-dessus du sol qui fait, en l'absence d'autres forces, que ce corps ne peut rester immobile ou en mouvement rectiligne et uniforme.
