.:: La force pesanteur et les vols paraboliques ::.

Interview de M. Vladimir Pletser, ingénieur civil mécanicien, docteur en sciences physiques de l’UCL, candidat astronaute et responsable des vols paraboliques d’avion Centre européen de recherche et technologie spatiales (ESTEC), Agence Spatiale Européenne (ESA)

1. Référentiels inertiel et non inertiel
Un référentiel inertiel (ou repère galiléen), où F=m.a (donc, un repère en mouvement rectiligne uniforme) est un repère dans lequel le principe d’inertie est vérifié. Tout autre référentiel est non inertiel, c’est-à-dire que le principe d’inertie n’y est pas vérifié.
Exemple de situations où le repère inertiel entre en compte :
1) Tant qu’un train roule à une vitesse constante, il reste un repère inertiel. Mais lorsqu’il ralentit et s’arrête, les passagers sont secoués dans le train alors qu’aucune force n’agit sur eux. Cette pseudo-force n’est causée que par l’accélération du repère qui n’est plus inertiel.
2) Sur terre, les antennes paraboliques regardent toujours le même satellite. Ce qui supposerait que le satellite serait immobile par rapport au repère qui est l’antenne parabolique immobile comme si aucune force n’agissait sur le satellite. Or, c’est faux. Le satellite est bien attiré par la terre autour de laquelle il tourne.
3) Quand on est sur terre et qu’on lance un objet, celui-ci est dévié vers l’est dans l’hémisphère nord à cause de la rotation de la terre. Voilà un exemple de référentiel non inertiel.

2. Distinction poids et masse
- La masse d’un corps est la mesure de la quantité de matière contenue dans ce corps.
- Défini dans un référentiel non inertiel, le poids d’un corps est une grandeur vectorielle, défini comme le produit de la masse par l’accélération vectorielle de l’apesanteur. Le poids est la force associée au phénomène de pesanteur.

3. Gravitation et Pesanteur
Attention, il ne faut pas confondre gravitation et pesanteur :
- la gravitation est le phénomène physique d’attraction d’une masse sur une autre
masse. Elle ne disparaît jamais, elle est omniprésente dans notre Univers.
Jamais on ne dira que la gravité est nulle. La force de gravité ne s’annule jamais.
- la pesanteur est le phénomène résultant des phénomènes de la gravitation et de l’inertie (=phénomène physique émanant de la propriété d’une masse de s’opposer au changement de sa vitesse, en grandeur ou en direction). Elle est également omniprésente.
Localement, les deux forces gravitationnelle et inertielle ont des actions indiscernables puisqu’elles communiquent toutes les deux à une masse une accélération indépendante de cette masse.

4. Chute libre et impesanteur
Un corps est en chute libre dans un référentiel inertiel s’il n’est soumis qu’à la seule force de gravité ; ce corps et son contenu sont en état d’impesanteur dans le référentiel non inertiel attaché au corps. L’impesanteur apparaît donc à l’intérieur d’un référentiel non inertiel en état de chute libre par rapport à un référentiel inertiel. L’impesanteur est bien un état dynamique et nécessite un mouvement de chute libre.

On dit qu'un corps est en état d’apesanteur (ou impesanteur), lorsqu'il n'est soumis qu'aux seules forces de gravitation. Autrement dit:
Ce n'est donc surtout pas l'absence de gravitation mais bien le contraire : seule la gravitation est présente.

Figure 1 : la cabine descend avec une accélération plus petite que celle due à l’apesanteur. L’ascenseur fonctionne normalement. Le référentiel lié à la cabine n’est pas inertiel. Le poids du jeune homme reste pratiquement le même.

Figure 2 : la cabine est poussée vers le bas avec une accélération plus grande que celle due à la pesanteur. Notre observateur aura un poids négatif par rapport au référentiel non inertiel de la cabine, c’est-à-dire qu’il va s’envoler vers le plafond et s’y cogner la tête.

Figure3 : la cabine descend avec une accélération égale à celle de la pesanteur. La cabine tombe en chute libre. L’observateur flotte dans la cabine sans monter ni descendre par rapport à la cabine. Notre observateur aura un poids nul par rapport au référentiel non inertiel de la cabine mais conservera son poids par rapport à un référentiel inertiel extérieur. Donc ce poids nul n’est qu’une apparence due au repère cabine non inertiel. L’observateur est en état d’impesanteur dans le référentiel de la cabine.

5. La microgravité
En pratique, l’impesanteur parfaite est impossible à réaliser dans un véhicule en chute libre. Il reste toujours des petites forces parasites créant des accélérations résiduelles. Ainsi, les termes d’impesanteur, pesanteur nulle ou pesanteur zéro désignent un état idéalisé qu’on ne peut pas atteindre. On parle de pesanteur réduite ou de micropesanteur (ou microgravité).

6. Les vols paraboliques
La photo suivante est le profil de la Caravelle « Zero-G » pendant un vol parabolique. Partant d’un vol horizontal à une altitude d’à peu près 8000 m, l’avion amorce une montée en accélérant à 1,8g pendant une vingtaine de secondes jusqu’à atteindre un angle de 50°. Le pilote réduit fortement la poussée des moteurs durant une phase transitoire de quelques secondes, pour ne pas garder le peu de poussée nécessaire à compenser la traînée atmosphérique : la somme des forces autre que la gravité est nulle. L’avion est en chute libre sur une trajectoire parabolique pendant une vingtaine de secondes. Arrivé à un angle de piqué de 50°, le pilote augmente la poussée des moteurs et exécute une plongée une plongée d’une vingtaine de secondes en accélérant de nouveau à 1,8g pour finalement revenir à un vol horizontal.