Poids

Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison seulement du voisinage de la Terre.



Catégories :

Gravitation - Grandeur physique - Métrologie - Unité de mesure

Définitions :

  • Force exercée par la pesanteur. Force qui attire les objets vers le sol; Pesanteur, qualité de ce qui est pesant; Dans le langage familier, le mot poids est fréquemment improprement utilisé à la place du mot masse (source : fr.wiktionary)

Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison seulement du voisinage de la Terre[1]. Elle est égale à l'opposé de la résultante des autres forces appliquées au centre de gravité du corps quand ce dernier est immobile dans le référentiel terrestre. Cette force est la résultante des efforts dus à la gravité ainsi qu'à la force d'inertie d'entraînement due à la rotation de la Terre sur elle-même. Elle s'applique au centre de gravité du corps et sa direction définit la verticale qui passe approximativement par le centre de la Terre. Le poids est une action à distance toujours proportionnelle à la masse.

En toute rigueur le poids n'est défini que dans le référentiel terrestre et ne prend en compte que les effets gravitationnels et inertiels. Néanmoins, quand on prend aussi en compte d'autres forces telles que de la poussée d'Archimède par exemple, ou qu'on étudie l'équilibre d'un corps dans un référentiel en mouvement dans le référentiel terrestre, on parle alors de poids apparent.

Définition

Définition légale

D'après le BIPM[2] :

  1. Le terme poids sert à désigner une grandeur de la même nature qu'une force ; le poids d'un corps est le produit de la masse de ce corps par l'accélération de la pesanteur ; surtout, le poids normal d'un corps est le produit de la masse de ce corps par l'accélération normale de la pesanteur ;
  2. Le nombre adopté dans le Service international des Poids et Mesures pour la valeur de l'accélération normale de la pesanteur est 980, 665 cm/s2, nombre sanctionné déjà par quelques législations.

Définition expérimentale

Le poids d'un corps (de masse m) est la force de pesanteur exercée sur lui et qui s'oppose à la force résultante de celles qui le maintiennent à l'équilibre dans le référentiel terrestre (c'est-à-dire, lié à l'objet solide Terre en rotation). Cette définition fait que sa détermination expérimentale est aisée, par exemple avec un fil à plomb maintenu à l'équilibre : le poids est défini comme l'opposé de la tension du fil et sa direction est celle du fil[3]. La direction du fil définit la verticale.

En général le poids est la somme de l'attraction universelle des autres masses et de la force d'inertie d'entraînement due au fait que le référentiel terrestre n'est pas un référentiel galiléen. Quel que soit le corps, le rapport du poids (\vec{P}) à sa masse (m) est semblable et noté \vec{g} : \vec{P} = m \cdot \vec{g}\vec{g} est l'accélération de la pesanteur (g = || \vec g || est en unité m. s-2, qui est l'unité de l'accélération).

Sur Terre, cette accélération est d'environ 9, 81 m/s². Les écarts (toujours locaux) entre le champ de pesanteur théorique et le champ mesuré sont nommés des anomalies de pesanteurs. Le poids P s'exprime en newton (N) et la masse m étant en kilogramme (kg). Ainsi, une masse de 100 g (0, 1 kg) a un poids d'environ 1 N, une masse de 1 kg a un poids d'environ 10 N, une masse de 10 kg a un poids d'environ 100 N. C'est pourquoi, dans les domaines techniques, on travaille fréquemment en décanewtons (daN)  : un objet de 1 kg a un poids d'environ 1 daN ; jusque là, on utilisait le kilogramme-force (kgf), unité désuète.

La notion de poids n'est pas seulement terrestre et peut-être étendue aux autres planètes. D'autre part, la rotation de la Terre provoque une force centrifuge qui contribue aussi au poids.

Le poids est une force, son intensité s'exprime par conséquent en newton (N), ou peut-être en décanewton (daN) ou kilonewton (kN). Dans le langage familier, on assimile le poids à la masse et on l'exprime de manière erronée en kilogramme. Si le poids d'un corps dépend de sa position sur la Terre (ou si on le considère à la surface d'une planète plus ou moins grosse), sa masse n'en dépend pas.

Remarques

Par conséquent, l'ensemble des corps tombent, dans le vide, selon la même accélération :

\vec{a} = \vec{g}

(loi de Galilée (1564-1642) ). Pour plus de détails, voir chute libre.

La masse m s'exprimant en kilogramme (kg), le poids est une force et possède par conséquent comme unité le newton (symbole N), et l'accélération g sera indifféremment exprimée en N/kg ou en m/s².

La non-distinction entre masse et poids dure jusqu'au XIXe siècle, et perdure dans le langage familier. Par exemple : «la masse corporelle d'une personne» est habituellement nommée son «poids». Il en résulte une difficulté pédagogique, au moment où cette distinction est enseignée. L'adoption du Dispositif international (S. I. ) a permis grâce à la suppression de l'unité kilogramme-poids de résoudre partiellement cette difficulté, mais on utilise souvent le décanewton (daN) pour retrouver cette équivalence masse-poids sur Terre.

L'accélération de pesanteur g est l'objet d'étude de la gravimétrie. Elle fluctue en tout point de la Terre, principalement diminuant du pôle (9, 83 m/s²) à l'équateur (9, 78 m/s²). En France, on prend conventionnellement la valeur de g à Paris, soit environ :

g = 9, 81 m/s².

Calcul approché du poids terrestre

Sachant que le rayon R de la Terre est égal à 6 380 km et sa masse M à 5, 98x1024 kg, on peut déterminer une valeur approchée de la constante g qui s'exerce sur un objet quelconque de masse m en ne tenant compte que de l'attraction gravitationnelle de la Terre et en négligeant la force d'inertie d'entraînement :

\| \vec{P} \| = \frac{GMm}{Rˆ2} \simeq m \cdot 9,81

On rappelle que G est la constante universelle de gravitation.

Poids apparent

Il existe essentiellement deux situations dans lesquelles la notion de poids apparent est pertinente :

Le poids apparent d'un objet correspond au poids indiqué par un peson (ou tout autre instrument approprié à la mesure d'une force), lorsque ce poids n'est pas semblable au poids «réel» de l'objet, défini comme la force due à la pesanteur[5].

Exemples

Poussée d'Archimède

A titre d'exemple, si on pesait un objet sous l'eau, la poussée d'Archimède ferait paraître l'objet plus léger et le poids mesuré serait inférieur au poids réel. Bien entendu, dans la vie quotidienne, lorsque on pèse un objet, la poussée d'Archimède exercée par l'air ambiant est à toutes fins utiles négligeable.

Référentiel accéléré

Pesons un objet en le suspendant à un dynamomètre. Il sera soumis à deux forces : son poids, orienté[6] vers le bas, et la force exercée par le dynamomètre, orientée vers le haut. Lorsque l'objet n'accélère pas, les deux forces ont la même grandeur et le dynamomètre indique le poids réel de l'objet. Cependant, si on effectue la mesure dans un ascenseur pendant que ce dernier se met en mouvement vers le haut, la force exercée par le dynamomètre sera supérieure au poids (du moins aux yeux d'un observateur immobile localisé hors de l'ascenseur), conformément à la deuxième loi du mouvement de Newton :

FP = ma,

F est la force exercée par le dynamomètre, P le poids de l'objet et a l'accélération de l'ascenseur (et du dynamomètre).

Dans la mesure où le poids indiqué par le dynamomètre correspond à l'intensité F de la force qu'exerce sur lui l'objet à peser[7] (cette force étant la réaction à la force que le dynamomètre exerce sur l'objet), ce poids «apparent» est supérieur au poids réel (F > P, car a > 0).

Pour un observateur localisé dans l'ascenseur, l'objet à peser apparaît bien entendu immobile. En ce cas, pour expliquer que la force exercée par le dynamomètre est supérieure au poids réel de l'objet, on doit faire intervenir une force d'inertie orientée vers le bas.

Le poids normal d'une personne de 70 kg soumise à l'accélération de la pesanteur g = 9, 8 m/s2est égal à mg, vaut (70 kg) (9, 8 m/s2) = 686 N.

Dans un ascenseur qui décélère à 2 m/s², la personne est soumise à deux forces : d'une part son poids réel P, orienté vers le bas, et d'autre part la réaction N, orientée vers le haut, exercée sur elle par le plancher de l'ascenseur (ou le pèse-personne sur lequel elle se tient). Lorsque l'ascenseur freine, son accélération est orientée dans le sens opposé à la vitesse, c'est-à-dire en l'occurrence vers le bas.

En orientant l'axe de référence vers le haut, on écrira par conséquent, conformément à la seconde loi de Newton :

NP = m (–a)
Nmg = –ma
N = mgma
N = m (ga)
N = (70 kg) [ (9, 8 m/s2) – (2 m/s2) ] = 546 N

On obtient un poids apparent de 546 N, inférieur au poids réel.

Impesanteur

L'état d'impesanteur expérimenté par les spationautes est dû à la rotation de leur habitacle spatial autour de la Terre. Lorsque ce mouvement de rotation est important la force d'inertie ressentie par les astronautes peut annuler leur poids apparent, quoique leur poids réel, à 386 km d'altitude, ne soit qu'environ 11 % plus faible que sur Terre.

Comme source d'énergie

Article détaillé : Énergie potentielle de gravité.

La descente de poids permet d'actionner un mécanisme tel qu'un automate ou une horloge. Ce type de système a été remplacé par un ressort moteur, mais est toujours utilisé pour produire de l'électricité (barrage hydroélectrique).

Autres significations

Abus de langage

Par abus de langage, le mot «poids» est fréquemment utilisé comme synonyme de la masse (Ex : Son poids est de 10kg est faux, la bonne "formule" serait Sa masse est de 10kg). En physique, le mot «poids» est fréquemment utilisé pour désigner la force de pesanteur exercée par la Terre sur un objet, la poussée d'Archimède dans l'air étant négligeable dans de nombreux cas.

Mathématiques

Le poids, en mathématiques, est aussi la valeur qu'on attribue à un symbole selon sa place dans un nombre.

exemple : 101 = 100 + 1. Le premier'1'a un poids de 100 (car en troisième position en partant de la droite), alors que le second'1'à un poids unité (première position en partant de la droite). L'association des deux forme la valeur 101.

Le poids est aussi le cœfficient ou pondération affecté à un point dans un barycentre (en référence à la physique où le barycentre fait appel aux masses)

exemple : si G est le barycentre du dispositif { (A, 1) (B, 3) }, on dit que A est affecté du poids 1 et B du poids 3

Informatique

En informatique, les termes relatifs au poids d'un solide sont aussi quelquefois employés par ressemblance avec la taille d'un fichier (poids d'un fichier, fichier lourd, fichier léger), et la consommation des ressources d'un processus (processus léger).

Médecine

La formule de Lorentz[8] établit le poids parfait compte tenu de la taille, du sexe et de l'âge (voir diététique).

Notes et références

  1. Élie Lévy, Dictionnaire de physique, Presses universitaires de France, Paris, 1988, page 623
  2. «Résolution de la 3e réunion de la CGPM (1901). Déclaration relative à l'unité de masse ainsi qu'à la définition du poids ; valeur conventionnelle de gn», BIPM.
  3. Élie Lévy, Dictionnaire de physique, Presses universitaires de France, Paris, 1988, page 601
  4. simulation faite avec Scilab, en considérant une Terre sphérique (rayon constant), source du programme
  5. La notion de pesanteur terrestre inclut une correction qui tient compte du mouvement de rotation de la Terre.
  6. Le poids, comme toute force, est une quantité vectorielle qui possède une orientation dans l'espace, c'est-à-dire une direction et un sens.
  7. À condition, lorsque le dynamomètre est lui-même soumis à une accélération, que la masse du ressort soit négligeable.
  8. Formule de Lorentz pour le poids parfait

Voir aussi

Liens externes

http ://sc. physiques. free. fr/htmlfiles/cours/foy/poids. htm (dans un ascenseur)

Recherche sur Amazon (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 11/11/2010.
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