Poids et machines à peser
Il n’y a pas un endroit sur la surface de la Terre où la gravité n’agit pas. Cela signifie que chaque objet que nous rencontrons est situé dans le champ gravitationnel de la Terre et est donc actionné par au moins une force, la force due à la gravité.
Pour garder à l’esprit la base physique de l’interaction, nous vous suggérons d’appeler cela la force de gravité sur l’objet (les puristes pourraient préférer la force gravitationnelle – mais c’est juste beaucoup plus difficile à épeler. La gravité agit vers le centre de la Terre ou, plus simplement, vers le bas. La flèche de force représentant la force de gravité est mieux dessinée à partir du centre d’un objet dans une direction droite vers le bas.
L’histoire de la gravité, bien sûr, va bien au-delà de la Terre. La gravité est une force universelle qui agit entre deux objets ayant une masse, où qu’ils se trouvent dans l’univers. (Il y a plus sur la force gravitationnelle dans l’épisode Gravité et espace dans le SPT : La Terre dans l’espace.)
Pour la plupart des usages quotidiens, il n’est vraiment pas nécessaire de faire la distinction entre la masse et le poids. Les gens comprennent aussi bien si vous dites que la masse du sac de pommes de terre est de 5 kilogrammes ou si vous appelez cela le poids des pommes de terre. Cependant, en science, et en particulier en physique, il existe une distinction claire entre la masse d’un objet et la force de gravité qui agit sur un objet. Si les apprenants veulent comprendre ce domaine de la science, ils doivent apprécier la différence entre la masse et la force.
C’est à vous. Faites de votre mieux. Quelle est la différence entre la masse et la force de gravité ? Laissez-vous une minute pour rassembler vos idées. Essayez d’expliquer cela à un ami.
Il se peut que vos pensées impliquent des idées sur les forces, les particules (ou les trucs), peut-être même la Lune – qui fait une apparition régulière dans ces explications. C’est une bonne idée de commencer par la force de gravité. Nous savons tous les jours que certaines choses pèsent plus que d’autres. Il suffit d’essayer de les soulever. Les machines à peser mesurent la force nécessaire pour maintenir un objet en l’air. Il semble donc simple, et utile, d’appeler cette force de soutien le poids.
Par exemple, dans les supermarchés, vous trouverez des balances à casseroles supérieures et aussi des balances à panier suspendu. Ces deux instruments utilisent la force de gravité pour mesurer le poids des produits d’épicerie. Ils fonctionnent sur le principe de la recherche de la force ascendante nécessaire pour empêcher les produits de tomber sur le sol. Lorsqu’une mesure est prise, la force ascendante de la machine à peser, ou de la balance, compense la force descendante de la gravité. C’est un exemple de deux forces en équilibre. À l’école, un newtonmètre fera le même travail. Le poids est alors une force d’appui, qui se mesure en newtons. Les machines à peser montrent l’ampleur de cette force, qui est souvent une force de tension ou une force de compression.
Masse et pesée
Quoi donc de la masse ? Le meilleur endroit pour commencer est de réaliser que vous ne pouvez pas montrer la masse avec une flèche dans un croquis. La masse n’a pas de direction. Il ne s’agit pas de poussées ou de tractions. Il s’agit de la difficulté de changer le mouvement.
Les choses avec plus de masse sont plus difficiles à mettre en marche et plus difficiles à arrêter une fois qu’elles sont en marche. La masse est une propriété inertielle. Un sac de pommes de terre de 3 kilogrammes sera plus difficile à lancer qu’un sac de 5 kilogrammes. La masse est mesurée en unités de kilogrammes. Le nombre de particules dans le côté quelque chose est mesuré en moles, et est l’unité correcte pour la quantité de matière.
Il y a un lien clair entre la masse d’un sac de pommes de terre et la traction de la gravité sur ce même sac. Un sac de 5 kilogrammes pèsera plus qu’un sac de 3 kilogrammes (le sac de 5 kilogrammes a une force agissant sur lui d’environ 50 newton à la surface de la Terre et le sac de 3 kilogrammes une force agissant sur lui d’environ 30 newton). Plus la masse d’un objet est importante, plus la force agissant sur cet objet est grande. Il existe un lien profond entre la réticence d’un objet à être accéléré et la force de gravité qui agit sur lui.
Supposons que vous emmeniez un sac de pommes de terre de 5 kilogrammes sur la Lune. Ne demandez pas pourquoi ! Si le sac semblait lourd sur la Terre, il sera beaucoup plus facile à soulever sur la Lune. Pouvez-vous expliquer pourquoi ?
Tout pèse moins sur la Lune parce que l’attraction de la gravité à la surface de la Lune est plus faible que sur la Terre. Elle est d’environ 15 eme que sur la Terre. Ainsi, le sac de pommes de terre de 5 kilos subit une force d’environ 50 newtons à la surface de la Terre et d’environ 10 newtons sur la Lune. Tout semble plus léger. C’est simplement parce que la Lune a une masse plus petite que la Terre.
Cependant, il y a toujours exactement le même nombre de pommes de terre dans le sac, il est donc tout aussi difficile d’accélérer. La masse de 5 kilogrammes n’a pas changé mais la force de gravité (et donc le poids) oui. C’est là que réside la différence. La force dépend de la gravité ; la masse dépend simplement de l’objet. Considérez la force nécessaire pour immobiliser un joueur de rugby en pleine course sur un mètre. La même force serait nécessaire pour arrêter le même joueur, se déplaçant à la même vitesse, à la même distance, sur la Lune. Vous êtes toujours confronté à l’arrêt de la même masse se déplaçant à la même vitesse.
Le point essentiel est que la masse ne varie pas. Si vous mesurez la masse d’un objet ici sur Terre et sur la Lune, vous constaterez qu’elle est exactement la même. C’est conforme au bon sens. Si vous emmenez un objet sur la Lune, il s’agit du même objet : Certaines propriétés devraient rester les mêmes et la masse est l’une de ces propriétés intrinsèques.
Le sac de pommes de terre de 5 kilogrammes pèserait environ 120 newton à la surface de Jupiter (la force de la gravité de surface de Jupiter est d’environ 24 newton sur chaque kilogramme). Les planètes plus massives que la Terre ont une gravité de surface plus forte. Les étoiles, des millions de fois plus massives que la Terre, ont une gravité de surface énorme. Les trous noirs, si massifs qu’il est presque impossible de les imaginer, ont une gravité de surface si forte que même les rayons lumineux sont tirés vers l’intérieur. C’est pourquoi nous ne pouvons pas les voir. Ils apparaissent noirs.
Enfin, juste pour nous embrouiller tous, la plupart des machines à peser de tous les jours ne vous donnent pas une lecture en newtons. Par exemple, tout ensemble de pèse-personne que vous êtes susceptible d’utiliser à la maison sera calibré en kilogrammes (et en pierres et en livres !). Dans la vie de tous les jours, nous mesurons notre poids en kilogrammes. Dans les contextes scientifiques, nous mesurons la force en newtons. C’est un bon exemple de situation où les façons de parler et de penser quotidiennes et scientifiques diffèrent.
La peseuse du supermarché qui vous dit qu’un sac de bananes pèse 3 kilogrammes mesure en réalité la force d’appui à environ 30 newtons et divise ensuite par dix pour vous donner la masse des bananes comme étant de 3 kilogrammes. Il peut être programmé pour faire cela parce que sur Terre, la gravité attire chaque kilogramme vers le bas avec une force d’environ 10 newtons (en fait, environ 9,8 newtons, mais 10 newtons est suffisamment proche à ce niveau). Donc quelque chose qui pèse (nécessitant une force de soutien – compression ou tension) environ 30 newton va avoir une masse d’environ 3 kilogramme.