Définition du poids

Formule du poids

La formule du poids d'un objet est la suivante

$$W=mg,$$

où \( W \) est mesuré en \( \mathrm N \), \( m \) est la masse de l'objet mesurée en \( \mathrm{kg} \) et \( g \) est l'intensité du champ gravitationnel mesurée en \( \mathrm m/\mathrm s^2 \).

Tu as peut-être remarqué que les unités de l'intensité du champ gravitationnel \( \mathrm m/\mathrm s^2 \) sont les mêmes que celles de l'accélération. L'intensité du champ gravitationnel est également connue sous le nom d'accélération gravitationnelle - il s'agit de l'accélération d'un objet due à la gravité. Peut-être peux-tu maintenant voir la similitude entre l'équation du poids et l'équation de la deuxième loi de Newton, qui est,

$$F=ma,$$

où \( F \) est la force nécessaire pour agir sur un objet de masse \( m \) pour lui donner une accélération \( a \). Il s'agit en fait de la même équation, mais l'équation du poids concerne la situation spécifique où un objet ressent une force due à un champ gravitationnel.

Lorsque nous parlons du poids d'un objet à la surface de la terre, nous devons utiliser la valeur de g à la surface de la terre, qui est approximativement de 9,8 m/s^2. Comme mentionné ci-dessus, le poids dépend du champ gravitationnel dans lequel se trouve l'objet. À la surface de la lune, l'intensité du champ gravitationnel est environ \N6 fois moins importante que celle de la surface de la Terre, de sorte que le poids d'un objet sur la lune sera \N6 fois moins important que son poids sur la Terre.

Différence entre masse et poids

Les concepts de masse et de poids sont souvent confondus l'un avec l'autre, mais ils sont très différents dans le contexte de la physique. La masse d'un objet est une mesure de la quantité de matière ou de la quantité de choses dans l'objet. La masse ne dépend pas seulement de la quantité de matière mais aussi de la densité de cette matière ; des objets de même volume peuvent avoir des masses différentes. D'autre part, le poids d'un objet est la force qui agit sur l'objet en raison de la gravité. La masse d'un objet est la même partout alors que le poids change en fonction de la force du champ gravitationnel.

Il existe une relation directement proportionnelle entre le poids et la masse, comme le montre la formule du poids. Plus la masse d'un objet est importante, plus son poids sera élevé. La constante de proportionnalité est l'intensité du champ gravitationnel, \( g \). Cependant, nous devons nous rappeler que le poids est une quantité vectorielle - il a une magnitude et une direction - alors que la masse est simplement une quantité scalaire et n'a qu'une magnitude. La raison pour laquelle la masse est transformée en une quantité vectorielle, le poids, après avoir été multipliée par l'intensité du champ gravitationnel, c'est que \N( g \N) est plus qu'une simple constante multiplicative, c'est aussi une quantité vectorielle.

En tout point d'un champ gravitationnel, le vecteur de force du champ gravitationnel pointe dans la direction où une masse ressentira une force. Par exemple, sur la Terre, le vecteur du champ gravitationnel pointe toujours vers le centre de la Terre. Cependant, en des points proches, les vecteurs peuvent être considérés comme parallèles car la distance entre deux points est généralement négligeable par rapport à la circonférence de la Terre (environ 40 000 km). Même si, en réalité, ils pointent dans des directions minutieusement différentes, à toutes fins pratiques, ils peuvent être considérés comme parallèles.

Calcul du poids

Nous pouvons utiliser tout ce que nous avons appris sur le poids dans de nombreuses questions pratiques différentes.

Exemples de poids en science

Certaines situations intéressantes se présentent lorsque les objets se déplacent sous l'influence de la gravité. Un exemple en est l'apesanteur, qui est l'état dans lequel on ne subit apparemment pas l'action de la gravité. Tu te sens en apesanteur lorsqu'il n'y a pas de force de réaction contre ton poids. Lorsque nous nous tenons debout sur le sol, nous sentons que le sol pousse vers le haut contre notre corps avec une force égale et opposée à notre poids.

Les montagnes russes

Tu es peut-être déjà allé sur des montagnes russes ou dans un manège de fête foraine qui comporte une chute verticale et tu as fait l'expérience de ce qu'on appelle la chute libre, c'est-à-dire que tu te sens en état d'apesanteur pendant que tu tombes. Pendant que tu tombes, la seule force qui agit sur toi est la gravité, mais tu ne peux pas la sentir car il n'y a pas de force de réaction agissant dans la direction opposée. En fait, cette définition de la chute libre n'est utilisée que de façon familière, car pendant que tu tombes, la force due à la résistance de l'air agit vers le haut pour s'opposer à ton mouvement. Cependant, cette force est relativement faible à faible vitesse et peut donc être ignorée. Si tu sautais du bord d'un cratère sur la lune, tu ferais l'expérience d'une véritable chute libre (jusqu'à ce que tu touches le sol) car il n'y a pas d'atmosphère sur la lune.

Fig. 3 - Tu peux ressentir la sensation de "chute libre" sur certaines montagnes russes.

Les astronautes dans l'espace

Tu as sûrement vu des images d'astronautes flottant dans des navettes spatiales en orbite autour de la Terre. L'apesanteur ressentie par les astronautes dans l'espace est en fait identique à la sensation de chute libre sur des montagnes russes ! Les astronautes tombent vers la Terre, mais comme leur navette spatiale se déplace à une très grande vitesse tangentielle au centre de la Terre, ils manquent la Terre. La vitesse tangentielle (la vitesse dans une direction perpendiculaire à la direction du centre de la Terre) des astronautes dans la navette, combinée à la courbure de la Terre, signifie que lorsqu'ils sont attirés vers la Terre par la gravité, la Terre s'éloigne en fait d'eux.

Fig. 4 - Les astronautes se sentent en apesanteur lorsqu'ils sont en orbite autour de la Terre dans un vaisseau spatial, mais la Terre exerce toujours une force gravitationnelle sur eux.