Comment prendre des mesures en Newton ?

Le poids

Le poids correspond à la force de pesanteur qui, d'origine gravitationnelle et inertielle, est exercée, dans notre cas, pas la Terre sur un corps massique car il se trouve au voisinage de la Terre.

On dit qu'elle est égale à l'opposé de la résultante des autres forces qui sont appliquées au centre de gravité du corps dans le cas où celui-ci est immobile et dans le référentiel terrestre.

Comment s'exerce la pesanteur ? La pesanteur est responsable de notre présence sur Terre. En effet, la pesanteur nous aide à rester au sol et fait que nous ne flottons pas dans l'air.

Cette force correspond à la résultante des efforts dus à la gravité et à la force d'inertie d'entraînement qui est due à la rotation de la Terre sur elle-même.

On applique cette force au centre de gravité du corps massique et sa direction définit la verticale qui passe de façon approximative par le centre de la Terre. Ainsi, le poids correspond à une action à distance toujours proportionnelle à la masse.

Si on veut resté rigoureux, il faut savoir que le poids ne prend en compte que les effets gravitationnels et inertiels. Cependant, si on souhaite prendre en compte d'autres forces telles que la poussée d'Archimède ou si on souhaite étudier l'équilibre d'un corps dans un référentiel en mouvement dans le référentiel terrestre, on parle dans ce cas de poids apparent.

L'unité du poids est le Newton d'après le Système International.

Le système international d’unités, abrégé en SI, est le système décimal des unités de mesures le plus utilisé au monde. L’ensemble des unités associées aux dimensions fondamentales constitue le système international d’unités. Il s’agit du système MksA (mètre, kilogramme, seconde, Ampère), mais le Kelvin, le mole et le candela font aussi partie de ce système. Ces unités sont appelées unités légales. Elles sont universelles et connues de par le monde entier. Vous pouvez consulter notre article sur les unités de mesures pour en savoir plus.

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Le poids et la poussée d'Archimède

La poussée d'Archimède est un phénomène physique qui décrit le comportement de tout corps plongé dans un fluide qu'il soit liquide ou gazeux soumis à un champ de gravité.

Elle est nommée ainsi en l'honneur d'Archimède de Syracuse, un très grand scientifique grec de 200 avant J.-C.

Elle est causée par l'augmentation de la pression du fluide avec la profondeur. Comme la pression exercée sur la partie basse du corps est supérieure à celle exercée sur la partie haute, le corps est poussé verticalement vers le haut.

Comment flottent les iceberg ? C'est la poussée d'Archimède qui fait flotter les icebergs sur la mer, tout comme votre corps flotte à la surface de l'eau quand vous faîtes l'étoile.

Voici la formulation d'origine de cette loi physique :

Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d'Archimède.

Pour que le théorème s'applique il faut que le fluide immergeant et le corps immergé soient au repos. Il faut également qu'il soit possible de remplacer le corps immergé par du fluide immergeant sans rompre l'équilibre.

Voici l'équation qui en résulte :

    \[ \overrightarrow { P } _ { A } = M _ { f } \overrightarrow { g } \]

Avec :

  • Mf la masse du fluide contenu dans un volume V et déplacé ;
  • g la valeur du champ de pesanteur, de 9,81 N/kg à la surface de la Terre.

Calculer le poids, quelques exemples

On peut effectuer de nombreux calculs concernant les poids. Voici quelques uns que vous pourriez rencontrer lors de vos exercices.

Calcul du poids de la Terre

    \[ || \overrightarrow{P} || = - \frac{GMm}{R^{2}} = m \cdot g \]

Variation à la surface de la Terre ou à proximité

LieuLatitudeAltitudePoids (N)
Châlons s/M48°balance
Pôle Nord90°dynamomètre
Equateur9,78
Mont Blanc4 807 m9,79
Avion en vol10 000 m9,78

Latitude : distance angulaire d'un point de la surface terrestre à l'équateur mesurée en degrés par l'arc du méridien terrestre.Observation et analyse des données du tableau

Le poids varie selon le lieu ; la masse est variable : c'est donc g qui varie selon le lieu.

Avec l'altitude : plus on s'éloigne de la Terre, plus g diminue

Avec la latitude : g est plus petit à l'équateur qu'au pôle Nord
la Terre n'est pas une sphère parfaite :

distance centre - pôle nord : 6 357 km
distance centre - équateur : 6 378 km

Variation dans l'Univers

Comparer le poids d'un corps en un lieu de l'univers par rapport à son poids sur la Terre.

 g (N/kg)
Terre9,8
Lune1,62
Jupiter22,6
Soleil269,8
Mars3,6

Calculer le travail d'une force constante

On utilise une formule: w(f)=F*AB*cos(F,AB)

donc F est en newton,AB est une distance ne m et l'angle orienté c'est l'angle entre la force F et la force de direction AB,l'unité du travail est le joule

démonstration: un caddie est poussé sur 20 m en ligne droite sur un sol horizontal par une personne exercant une force F,sa valeur est de 30N.

-calculer le travail de la force F:

w(F)=30*20*cos(0)

=600 joules!

Calculer le travail du poids

w(P)=m*g*(za-zb)

alors:m c'est  la masse en kg,g est en N/kg

et (za-zb) c'est l'altidude,la différence de hauteur entre a et b

démonstration:une pomme (de masse  253g)tombe d'un pommier de 2.5m

le travail du poids est de w(P)=0.253*9.81*2.5=6.20 joules

Les notions liées au poids

Le champ de gravitation

En physique classique, on appelle champ gravitationnel, ou encore champ de gravitation, un champ qui est réparti dans l'espace et dû à la présence d'une masse qui est alors susceptible d'exercer une influence gravitationnelle sur tout les autres corps pouvant être présent à proximité immédiate ou non.

Comment font les stations spatiales pour quitter l'atmosphère ? Pour qu'une station spatiale ou un satellite puisse quitter l'atmosphère il lui faut une poussée très puissante. L'appareil se retrouve ensuite en gravitation autour de la Terre.

On peut démontrer que le champ gravitationnel créé en un point quelconque par un corps ponctuel dérive d'un potentiel scalaire dit newtonien.

En physique classique, le champ gravitationnel ou champ de gravitation est un champ réparti dans l'espace et dû à la présence d'une masse susceptible d'exercer une influence gravitationnelle sur tout autre corps présent à proximité (immédiate ou pas). L'introduction de cette grandeur permet de s'affranchir du problème de la médiation de l'action à distance apparaissant dans l'expression de la force de gravitation universelle.

On peut interpréter le champ gravitationnel comme étant la modification de la métrique de l'espace-temps. L'approximation newtonienne est alors valable uniquement dans le cas où les corps présentent une vitesse faible par rapport à celle de la lumière dans le vide et si le potentiel gravitationnel qu'ils créent est tel que le quotient du potentiel gravitationnel sur le carré de la vitesse de la lumière dans le vide est négligeable.

On peut approcher le champ électrique et le champ gravitationnel. En effet, l'expression du champ et du potentiel ne sont différents que d'une constante. De plus, les principaux théorèmes de calculs, celui de la superposition ou de Gauss par exemple, peuvent s'appliquer dans les deux cas. Ce qui les différencie alors est le caractère attractif, donc entre deux charges de signe opposé, ou répulsif, donc entre deux charges de même signe, du champ électrique tandis que le champ gravitationnel ne peut être qu'attractif.

Analyse

  • L'analogie repose sur la similitude des lois de Coulomb (électromagnétisme) et loi de Newton (gravitation).
  • Il est souvent inutile de faire les calculs de champs gravitationnels à partir de répartitions de masses, on procède plutôt par analogie avec les résultats connus de l'électrostatique.

Principe de l'analogie avec le champ électrique

La force d'interaction gravitationnelle, tout comme la force d'interaction électrostatique, est une force conservative. Ainsi, elles représentent toutes les deux le gradient d'une énergie potentielle. Dans ce cas, il est alors possible d'adapter absolument tous les calculs de champ et de potentiel étudiés dans le cadre du cours sur la distribution de masses dans le but de calculer le champ et le potentiel gravitationnels en un point définis de l'espace. Il en va de même avec le théorème de Gauss.

Rappel : le champ électrique et champ électrostatique

Champ électrique

En physique, on appelle champ électrique tout champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus exactement, lorsque nous sommes en présence d'une particule chargée, les propriétés locale de l'espace défini sont alors modifié ce qui permet de définir la notion de champ. En effet, si une autre charge se trouve être dans le dit champ, elle subira ce qu'on appelle l'action de la force électrique qui est exercée par la particule malgré la distance. On dit alors du champ électrique qu'il est le médiateur de la dite action à distance.

A quoi servent les bobines ? Les bobines présentent sur certains circuits électriques créent une résistance dans le circuit. Celles-ci sont aussi créatrices de champs électriques.

Si on se veut plus précis, on peut définir dans un référentiel galiléen défini, une charge q définie de vecteur vitesse v qui subit de la part des autres charges présentes, qu'elles soient fixes ou mobiles, une force qu'on définira de force de Lorentz. Cette force se décompose ainsi :

    \[ \overrightarrow { f } = q \left ( \overrightarrow { E } + \overrightarrow { v } \wedge \overrightarrow { B } \right) \]

avec :

  •     \[ \overrightarrow { E } \]

    le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge

  •     \[ \overrightarrow { B } \]

    le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.

De plus, il est important de noter que les deux champs, électrique et magnétique, dépendent du référentiel d'étude.

Avec cette formule, on peut alors définir le champ électrique comme étant le champ traduisant l'action à distance subie par une charge électrique fixe dans un référentiel défini de la part de toutes les autres charges, qu'elles soient mobiles ou fixes.

Mais on peut également définir le champ électrique comme étant toute région de l'espace dans laquelle une charge est soumise à une force dite de Coulomb.

On commence à parler de champ électrostatique lorsque, dans un référentiel d'étude, les charges sont fixes. Notons d'ailleurs que le champ électrostatique ne correspond pas au champ électrique comme décrit plus haut dans cet article puisqu'en effet, lorsque les charges sont en mouvement dans un référentiel, il faut ajouter à ce référentiel un champ électrique qui est induit par les déplacement des charges afin d'obtenir un champ électrique complet.

Mais, le champ électrique reste dans la réalité un caractère relatif puisqu'il ne peut exister indépendamment du champ magnétique. En effet, si on observe la description correcte d'un champ électromagnétique, celui-ci fait intervenir un tenseur quadridimensionnel de champ électromagnétique dont les composantes temporelles correspondent alors à celle d'un champ électrique. Seul ce tenseur possède un sens physique. Alors, dans le cas d'un changement de référentiel, il est tout à fait possible de transformer un champ magnétique en champ électrique et inversement.

Le champ électrostatique

On parle de champ électrostatique lors que les charges qui constitue le champ sont au repos dans le référentiel d'étude. Ce champ est donc déduit de l'expression de la loi de Coulomb, aussi appelée interaction électrostatique.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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