Pourquoi deux objets tombent-ils à la même vitesse ?

La chute libre : pourquoi tout tombe à la même vitesse (presque) ?

L’intuition nous suggère qu’un marteau tombera plus vite qu’une plume. Et pourtant, l’expérience, réalisée dans le vide, nous démontre le contraire : tous les objets, quelle que soit leur masse, tombent à la même vitesse. Cette apparente contradiction repose sur une compréhension précise de la gravité et de l’influence de facteurs externes, notamment la résistance de l’air.

La clé de cette égalité de vitesse réside dans le principe fondamental de l’accélération gravitationnelle. La force gravitationnelle exercée par la Terre sur un objet est proportionnelle à sa masse. Plus un objet est massif, plus la force gravitationnelle qui l’attire vers le sol est importante. Cependant, il faut aussi considérer l’inertie de l’objet, c’est-à-dire sa résistance au changement de mouvement. Or, cette inertie est également proportionnelle à la masse de l’objet. Il se trouve que ces deux effets – force gravitationnelle et inertie – se compensent parfaitement.

Imaginez deux objets, A et B, de masses différentes. La force gravitationnelle agissant sur A est plus importante que celle agissant sur B, car A est plus massif. Mais A possède aussi une inertie plus importante, ce qui lui oppose une plus grande résistance à l’accélération. Ces deux effets se neutralisent, résultant en une accélération identique pour A et B. Cette accélération, appelée accélération due à la gravité (g), est approximativement de 9,8 m/s² près de la surface de la Terre.

Alors, pourquoi la plume tombe-t-elle plus lentement que le marteau dans l’air ? Simplement à cause de la résistance de l’air. Cette résistance, une force de frottement dépendant de la forme et de la surface de l’objet, s’oppose au mouvement de chute. Pour un objet compact et dense comme le marteau, la résistance de l’air est négligeable par rapport à la force gravitationnelle. En revanche, pour un objet de grande surface et de faible densité comme la plume, la résistance de l’air est considérable, ralentissant significativement sa chute.

En conclusion, dans un environnement sans résistance de l’air (le vide), tous les objets tombent à la même vitesse, accélérant à une vitesse constante de g. La différence de vitesse observée dans l’air est uniquement due à l’influence de la résistance de l’air, qui affecte différemment les objets en fonction de leur forme et de leur densité. L’expérience de Galilée, même si légendaire, est une illustration parfaite de ce principe fondamental de la physique : l’égalité de la chute libre dans le vide. Cette compréhension est essentielle non seulement pour la physique terrestre, mais aussi pour l’étude du mouvement des corps célestes et la compréhension de la gravitation universelle.