Au cours d'une chute libre, plus c'est lourd, plus cela tombe vite?
Présentation (5 minutes)
Bonjour, aujourd'hui je vais vous présenter un exposé qui porte sur la chute des corps.
Et ce que je vais vous expliquer durant ces 5 minutes, c'est comment les physiciens qui ont inventé ce qu'on appelle la physique moderne au 17e siècle, tels que Galilée, Newton et d'autres, ont compris qu'en réalité "ce n'est pas en observant ces phénomènes qu'on comprend les lois qui les gouvernent". En d'autres termes, les lois physiques vont à l'encontre de ce que le monde nous montre. Rien de mieux que de prendre comme exemple la chute des corps pour illustrer cela. Tout d'abord, le premier constat que l'on peut faire, c'est que tous les corps ne tombent pas à la même vitesse. Aristote, un philosophe grec de l'Antiquité, a alors émis l'hypothèse que plus un corps est lourd, plus il tombera vite, ce qui semble intuitif au premier abord et correspond à notre façon de penser. Cependant, Galilée s'est ensuite penché sur la question. Aujourd'hui, nous allons traiter de cette problématique suivante : au cours d'une chute libre, est-ce que plus un objet est lourd, plus vite il tombe ? Ce débat a déjà animé les scientifiques.
Dans une première partie, nous examinerons différentes expériences qui ont été réalisées pour tenter de répondre à cette question.
Dans une seconde partie, nous expliquerons la chute des corps en appliquant la deuxième loi de Newton.
1) Tout d'abord, une expérience consistant à lâcher deux objets de masses différentes a déjà été réalisée sur la lune. Cela s'est produit lors de la mission Apollo 15 en 1971, menée par les astronautes américains David Scott et James Irwin lors de leur visite sur la lune. Leur expérience consistait à lâcher en même temps une plume et un marteau sur la lune et à observer lequel toucherait le sol en premier. Le constat de cette expérience est que les deux objets sont tombés en même temps sur la lune. Ainsi, nous constatons que la masse n'a aucune influence sur leur vitesse de chute. La deuxième expérience a été réalisée cette fois sur Terre. Il s'agit de l'expérience du tube de Newton. Le tube de Newton est un tube transparent relié à une pompe à vide, permettant ainsi de créer le vide en retirant l'air du tube. C'est un tube assez grand dans lequel on peut placer une plume et une bille. L'expérience consistait à observer la chute de ces deux objets lorsque le vide était créé dans le tube. On parle alors de chute libre, un terme utilisé lorsque un objet solide n'est soumis qu'à une seule force, la force gravitationnelle, en négligeant toutes les autres forces telles que les frottements de l'air, etc.
2) Pour permettre de proposer une explication, nous devons effectuer une étude dynamique. Une étude dynamique consiste à étudier les forces en utilisant les lois de Newton. Il existe trois lois de Newton, mais je vais seulement énoncer la deuxième loi qui sera nécessaire pour la suite. Cette deuxième loi de Newton nous dit que la somme vectorielle des forces appliquées à un corps est égale à sa masse multipliée par son vecteur accélération. Pour démontrer que tous les corps tombent à la même vitesse dans le vide, nous allons considérer un objet en chute libre dans un champ de pesanteur uniforme. Nous allons appliquer la deuxième loi de Newton, et cela demande une certaine attention. Comme l'objet est en chute libre, nous négligeons les forces liées à l'air, et donc la seule force qui s'applique à l'objet est le poids. Selon la deuxième loi de Newton, nous avons donc P=ma. Or, nous savons que le poids est défini par P=mg, où g est la constante gravitationnelle terrestre. Nous le remplaçons donc dans l'équation, et en simplifiant la masse des deux côtés de l'équation, nous obtenons l'équation g=a. On remarque que la masse n'intervient pas dans l'équation. Nous en concluons donc, d'après la deuxième loi de Newton, que la chute des corps est indépendante de leur masse. Cette équation est donc en accord avec le fait que dans le vide, deux corps de masses différentes tomberont à la même vitesse, car la masse n'influe pas.
En conclusion, ce qu'il faut retenir, c'est qu'en l'absence de frottements de l'air, la gravité fait tomber tous les objets à la même vitesse, quelle que soit leur masse et leur forme. Cela explique donc le fait que le marteau et la plume soient tombés en même temps sur la lune, car on néglige les frottements de l'air. Nous avons démontré, grâce à la deuxième loi de Newton, que la masse n'influe pas lors d'une chute libre. Ainsi, nous en concluons qu'au cours d'une chute libre, un objet lourd ne tombe pas plus vite qu'un objet léger. Ils tombent tous à la même vitesse.
Entretien (10 minutes)
Pourquoi avez-vous choisi ce sujet ?
J'ai choisi ce sujet car la question de savoir si la masse a une influence au cours d'une chute libre est très intéressante. Nous avons tous tendance à penser que plus un corps est lourd, plus vite il tombera, moi y compris. Si je n'avais pas fait ces recherches, j'aurais dit que le marteau tombe plus vite que la plume sur la lune. Et c'est tout à fait normal car cela semble intuitif. Notre cerveau perçoit parfois des choses qui ne correspondent pas à la réalité, et la chute des corps en est un bon exemple. Ce que nous croyons voir peut être trompeur, et c'est exactement ce que je voulais démontrer pendant ces 5 minutes. C'est pourquoi j'ai choisi ce sujet très intéressant, qui est également lié à mon projet d'orientation, ce qui en fait une raison supplémentaire.
Pourquoi sur Terre, un objet lourd tombe-t-il plus vite qu'un objet léger ?
Sur Terre, un objet lourd tombe plus vite qu'un objet léger en raison des frottements de l'air. La gravité fait tomber tous les objets de la même manière, mais il y a d'autres forces, comme les frottements de l'air, qui font qu'un objet plus lourd tombera plus vite qu'un objet léger. En réalité, dans notre atmosphère, lorsque un objet tombe, il comprime l'air en dessous de lui. Un objet lourd peut surmonter une compression plus importante et donc aller plus vite. Cependant, la masse n'est pas le seul facteur en jeu, la forme, la taille, etc., peuvent également influencer la vitesse de chute.
Qu'est-ce qu'un corps ?
Le terme "corps" est utilisé en physique et en chimie pour désigner les substances ou les objets matériels. Il s'agit d'une entité, par exemple un corps solide.
Qu'est-ce que la loi de la chute des corps ?
La loi de la chute des corps stipule que, dans un même lieu et en l'absence de résistance de l'air, tous les corps ont le même mouvement de chute libre, avec la même accélération g, quelle que soit leur masse. (g représente l'accélération due à la pesanteur au point considéré.)
Quel était le but de la mission Apollo 15 ?
La mission Apollo 15 (1971) avait pour objectif de déposer un équipage à la surface de la Lune. Cette mission faisait partie du programme Apollo (1961-1975) de la NASA, l'agence spatiale américaine. Le programme Apollo a été lancé par le président John F. Kennedy en 1961 dans le but d'envoyer pour la première fois des hommes sur la Lune avant la fin de la décennie. L'objectif était de démontrer la supériorité des États-Unis sur l'Union soviétique dans le domaine spatial, dans le contexte de la guerre froide. La mission Apollo 11 a réussi à atteindre cet objectif en 1969 en faisant atterrir les premiers astronautes sur la Lune. Les missions suivantes, dont Apollo 15, étaient dédiées à des expériences scientifiques pour approfondir nos connaissances.
Sources ? → J’ai fais des recherches au CDI et sur internet. Au CDI, j’ai emprunté un manuel de Physique-Chimie car dans les manuels, il y a toujours une partie plus axée sur la vie réel, des thèmes en lien avec nos chapitres. C’est des choses en plus qu’on retrouve pas dans notre cours et je trouve c’est super pédagogique. Sur Internet, j’ai regardé et écouter des vidéos sur France culture, il y a un scientifique Etienne Klein qui explique super bien la chute des corps et j’ai pu prendre des notes. J’ai aussi vu une vidéo sur Youtube qui a été tournée dans la plus grande chambre à vide du monde, la Space Power Facility de la NASA où on nous présentait la chute d’une balle de bowling et d’une plume dans le vide sur Terre. C’était très intéressant.
D’autres expériences qui ont été faites sur terre ?
Un autre expérience qui a été réalisé sur Terre est dans la plus grande chambre à vide du monde, c’est celle du Space Power Facility, une installation de la NASA située dans l'Ohio aux Etats-Unis. Une chambre à vide est une pièce qui totalement dépourvue air : l'endroit idéal pour tester diverses expériences de physique. La pièce a un volume de 22 653 mètres cubes. J’ai vu une vidéo sur Youtube tournée dans la plus grande chambre à vide où on nous présentait la chute d’une balle de bowling et d’une plume. L’idée était de savoir qui tombe le plus vite, la plume ou la boule de bowling ? L’expérience était identique à celle du tube de Newton. On observe la vitesse de chute d’une plume avec une balle de bowling… Un scientifique a dit que s’ils tombent en même temps, c’est parce que en réalité ils ne tombent pas réellement, ils restent immobiles et comme il n’y a pas de force qui s’exercent sur eux, alors ils sont en mouvement rectiligne uniforme, c’est une des lois de Newton.
Un peu de cultures
Galilée → Défenseur de l’héliocentrisme. Il a découvert que la planète Jupiter a des satellites en orbite. Cela discrédite le géocentrisme. Cependant, sa plus grande découverte est la théorie de la chute des corps. En effet, d’après Galilée, la vitesse d’un objet est indépendante de sa masse dans le vide. Trois siècles avant notre ère, Aristote affirmait que plus un corps est lourd, plus vite il tombera. Celui qui va vraiment interroger cette loi c’est Galilée au XVIIe siècle. Il fait des expériences depuis du haut de la tour de Pise (54m), en Italie. L’expérience consistait à lâcher des objets de masses différentes depuis le sommet de la tour de Pise et de comparer leurs vitesses. Il découvrit que tous les poids qu’il jetait en même temps depuis la tour de Pise touchaient la surface du sol en même temps. Or, Aristote affirmait qu’un objet 2 fois plus lourd tomberait 2 fois plus vite. Et si vous faites l’expérience, vous verrez que l’écart est de quelques millisecondes. Donc c’est évident que Aristote s’est trompée, lui qui n’avait pas fait d’expériences. Suite à ces observations, Galilée a une première intuition : la résistance de l’air intervient dans la chute des corps. Il imagine donc que la forme des objets a une influence sur la vitesse de leur chute, contrairement à la masse. Il en déduit ainsi la théorie de la chute des corps : la vitesse d’un objet est indépendante de sa masse dans le vide.
Newton → Physicien anglais, Isaac Newton (17e s) est reconnu pour ses découvertes en physique, astronomie, optique ou mathématiques. Ses travaux sur l'inertie et la gravité ont permis de grandes avancées. Il a mis au point le premier télescope sans aberration chromatique: le télescope de Newton. Newton s’est consacré à une branche de la physique, nommée aujourd'hui "mécanique newtonienne" qui traite entre autres du mouvement et de la vitesse. Selon la légende, c’est la chute d'une pomme sur sa tête qui lui a permis de consolider ses théories. Il en déduit que la pomme est attirée par la Terre. Il publie un ouvrage, les Principes mathématiques de philosophie naturelle où il y expose ses découvertes sur la gravitation universelle ainsi que les trois lois de Newton. Ces lois décrivent les phénomènes physiques de l'inertie et des forces qui s'exercent sur les objets.
Aristote → Aristote qui était un philosophe grec de l'Antiquité (3 siècles avant notre ère), a fait l’hypothèse que plus un corps est lourd, plus vite il tombera. En effet, pour Aristote, la chute des corps est intimement liée à l'organisation du cosmos, à sa structure et à son ordre vu que c’est un philosophe et il n’a pas fait d’expériences. Celui qui va vraiment interroger cette loi c’est Galilée au XVIIe siècle...
Projet d'orientation (5 minutes)
Vous parlez des différentes étapes qui vous ont permis d’avancer dans votre projet (rencontres, engagements, stages, mobilité internationale, intérêt pour les enseignements communs, choix des spécialités, etc.) et de ce que vous en ferez après le bac.
Le jury fait attention ici à votre manière d’exprimer une réflexion personnelle et à vos motivations.
Voici un plan de projet d’orientation possible:
-Présenter votre projet d’orientation, et comment il a évolué dans les années antérieures (métier envisagé plus jeune, stages et interviews de professionnels, salons, changements notables dans le projet…)
-Présenter ce que vous avez obtenu sur Parcoursup. Etat de la situation: êtes-vous en attente, reçu, avez-vous accepté une proposition d’admission?
-Présenter le métier (ou groupe de métiers) envisagé par la suite, et ses caractéristiques (en termes de localisation, de temps de travail, de salaire, d’horaires, de pénibilité...). Quelles contraintes êtes-vous prêts à accepter? A quoi pensez-vous ne pas pouvoir renoncer?
-Présenter un plan B prévu en cas d’échec
En quoi la question que vous avez choisi est en lien avec votre projet ?
Ma question est en lien avec mon projet d’orientation car la chute des corps traite les mouvements et interractions. L’étude du mouvement des objets soumis à des forces extérieures fait partie d’une branche de la physique appelée mécanique. Et la mécanique fait partie d’une des spécialités des ingénieurs. Il existe pleins de spécialités, par exemple l’informatique, l’électronique, la robotique et donc comme je n’ai pas encore d’idée précise du secteur d’activité, la question traitée m’a permis d’en connaître un peu plus sur la mécanique. C’est un domaine qui forme des ingénieurs capables de concevoir et de développer des produits et des systèmes mécaniques. Et par exemple, les ingénieurs en mécanique doivent étudier les mouvements de machines comme des moteurs ou des trains. Donc c’est en lien avec la chute des corps.
Quels sont vos 2 spécialités et pourquoi vous les avez choisis? Quel est le lien entre votre projet et vos spécialités?
C’est un choix qui s’est fait très naturellement car ce sont des matières qui me plaisent et que je souhaite approfondir dans mon cursus scolaire.
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J'ai choisi la spécialité mathématiques car je m'oriente vers une filière scientifique où les mathématiques sont indispensables pour mes études futures. En étudiant les mathématiques, j'ai développé mon esprit critique et ma rigueur. Depuis le collège et la primaire, j'ai toujours pris plaisir à résoudre des problèmes mathématiques. Cela a amélioré mon raisonnement, ma clarté et ma précision, ce qui est un atout précieux dans d'autres disciplines.
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J'ai choisi la spécialité physique-chimie car je suis passionné par les sciences et les expériences scientifiques. En étudiant cette matière, j'ai pu comprendre les transformations de la matière et mieux appréhender le monde qui nous entoure. J'étais déjà à l'aise en physique-chimie depuis la seconde, tout comme en mathématiques.
Depuis toujours, je suis intéressé par le domaine scientifique. Je souhaite poursuivre mes études dans ce domaine, c'est pourquoi j'ai choisi les spécialités mathématiques et physique-chimie, et je me dirige vers des études d'ingénieur. Plus tard, mon objectif est de devenir ingénieur, car je suis passionné par l'innovation et les nouvelles technologies. C'est quelque chose qui me fascine et je souhaite en faire mon métier. Le métier d'ingénieur participe activement au progrès et à l'innovation, offrant ainsi l'opportunité de contribuer à transformer le monde au service de la société. Je n'ai pas encore décidé précisément dans quel secteur d'activité je souhaite exercer.
Pour concrétiser mon projet professionnel, j'ai été admis à Polytech Sorbonne à Paris via Parcoursup. Il s'agit d'une école d'ingénieur post-bac qui forme des ingénieurs en cinq ans.
Quel(s) métier(s), étude(s) imaginiez-vous suivre plus jeune? Ces projets étaient-ils les mêmes qu’aujourd’hui?
Avez-vous déjà eu des expériences avec le monde de travail? Avez-vous effectué un stage en troisième? Ces expériences étaient-elles motivées par un projet d’orientation?
Quelles spécialités avez-vous choisi de suivre en première? Quelle spécialité avez-vous abandonné en terminale? Pourquoi?
Quels étaient vos vœux formulés sur Parcoursup? En dehors de Parcoursup? Avez-vous eu des doutes, des hésitations?
Quelle voie allez-vous finalement suivre l’année prochaine? Est-ce un choix subi? choisi?
Quel(s) métier(s) envisagez-vous d’exercer plus tard? Comment comptez-vous y parvenir? Avez-vous un «Plan B» en cas d’échec?
Avez-vous le sentiment de bien connaître les études supérieures que vous choisissez, ou bien s’agit-il plutôt d’un choix à l’aveuglette? Comment vous êtes-vous informés?
