Chute libre

Une chute libre est un mouvement accéléré sous l'unique effet de la pesanteur. On peut distinguer la simple chute dans un champ de pesanteur uniforme au voisinage de la Terre, et la chute céleste, dont Sir Isaac Newton fera la synthèse en 1687.



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Une chute libre est un mouvement accéléré sous l'unique effet de la pesanteur. On peut distinguer la simple chute dans un champ de pesanteur uniforme au voisinage de la Terre (Galilée, 1605), et la chute céleste (Lois de Kepler), dont Sir Isaac Newton fera la synthèse en 1687.

Il est convenu que les autres forces agissant sur le corps, sont négligées (pour plus de précisions, voir déviation vers l'Est), surtout la résistance de l'air. Pour le cas où on considère la résistance de l'air, on parle de chute avec résistance de l'air.

Exemples de chutes libres proches

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

Chute ralentie

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

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 d'origine, alors :

az = − g (composante selon l'axe des z de l'accélération, deuxième loi de Newton)
vz = − gt + V0 = − gt (composante selon l'axe des z de la vitesse)
z = -\frac{1}{2}gtˆ2+z_0 (composante selon l'axe des z de la position)

Avec :

La vitesse V à l'impact est donnée par :

V = \sqrt {2gz_0}

Chute avec vitesse initiale

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

Chute céleste

Si la vitesse d'origine est appropriée, c'est-à-dire à la bonne valeur et la bonne orientation étant donnée la position d'origine, 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), particulièrement 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

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

Au contraire de une idée reçue, les spationautes dans une station spatiale, ne flottent pas en apesanteur en raison d'une diminution de la gravitation due à leur éloignement de la Terre, mais parce que le dispositif 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). Évidemment 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 énormément cette figure (1679-1687).

Vision relativiste

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, lorsqu'il a créé sa théorie.

Voir aussi

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