Pourquoi se sent-on plus léger dans un ascenseur, l'espace d'un instant ?
― Ce n'est pas la gravité que l'on ressent, mais la force du sol
Au moment où un ascenseur commence à descendre, vous avez sûrement déjà ressenti ce creux si particulier au niveau de l'estomac. À cet instant précis, votre poids ne diminue pas réellement. En fait, l'indice de ce mystère se cache dans la nature même de ce que nous appelons « le poids ».
Imaginez que vous êtes dans l'ascenseur d'un immeuble et que vous venez d'appuyer sur le bouton pour descendre. Au tout premier instant du mouvement, on ressent une drôle de sensation de flottement.
À l'inverse, quand l'ascenseur démarre vers le haut, on peut sentir son corps devenir soudain plus lourd.
Pourtant, dans l'ascenseur, la gravité terrestre elle-même ne change pas. Alors pourquoi la sensation de poids varie-t-elle de façon si nette ?
Ce que le corps ressent, c'est la force que le sol exerce en retour (la réaction normale). La gravité elle-même est imperceptible pour le corps.
Quand l'ascenseur accélère vers le haut ou vers le bas, l'intensité de la force que le sol exerce en retour change, ce qui produit cette sensation de « légèreté » ou de « lourdeur ».
Voyons pas à pas ce qui se cache derrière la « sensation de poids ».
« Sentir son poids », c'est sentir la force du sol
La gravité s'exerce en permanence sur notre corps. Mais elle agit uniformément et simultanément sur chacune des cellules du corps, si bien que nous ne pouvons pas la « sentir » directement.
Alors, d'où vient cette sensation de « poids » que nous ressentons en permanence ? Elle vient de la force que le sol exerce en retour sur le corps (la réaction normale). Debout, le sol repousse notre corps avec une force exactement opposée à la gravité, et de même intensité. C'est cette « sensation d'être repoussé » que nous interprétons comme notre « poids ».
Au démarrage de l'ascenseur, la force du sol change
Quand l'ascenseur est immobile, la force que le sol exerce en retour équilibre exactement la gravité. Mais au moment où l'ascenseur se met en mouvement, tout le corps « accélère ».
Quand l'ascenseur commence à accélérer vers le bas, pour accélérer le corps vers le bas, la force que le sol doit exercer en retour devient légèrement plus faible que la gravité. C'est cet « affaiblissement de la force du sol » qui produit la sensation de légèreté.
À l'inverse, quand l'ascenseur commence à accélérer vers le haut, pour accélérer le corps vers le haut, le sol doit exercer une force en retour plus forte qu'à l'ordinaire. C'est ce « renforcement de la force du sol » qui produit la sensation de lourdeur.
C'est uniquement l'intensité avec laquelle le sol vous repousse.
En chute libre complète, la force devient nulle
Que se passerait-il si l'ascenseur tombait tout droit avec la même accélération que la gravité ? Dans ce cas, le sol n'aurait plus du tout besoin de repousser le corps. Comme le corps et le plancher de l'ascenseur tombent exactement à la même vitesse, aucune force de contact entre le corps et le sol ne peut apparaître.
C'est ce qu'on appelle l'état de « poids nul », c'est-à-dire l'apesanteur. Les ascenseurs réels sont équipés de dispositifs de sécurité qui empêchent une telle situation de durer. Mais certaines attractions de chute libre dans les parcs d'attractions permettent de ressentir, brièvement, une sensation de flottement proche de celle-ci.
Les astronautes flottent pour la même raison
Vous avez peut-être déjà vu des images d'astronautes flottant à l'intérieur de la Station spatiale internationale. On croit souvent, à tort, que « c'est parce qu'il n'y a pas de gravité dans l'espace ». Or, à l'altitude de la station spatiale, la gravité terrestre conserve une intensité proche de 90 % de celle qui règne au sol.
Si les astronautes semblent flotter, c'est parce que la station spatiale, en tournant autour de la Terre, est constamment en train de « tomber ». Décrire une orbite autour de la Terre revient en effet à tomber indéfiniment, tout en suivant exactement la courbure du globe. C'est exactement le même phénomène physique qu'un ascenseur en chute libre parfaite, qui se produit en permanence à bord de la station spatiale.
Une expérience à faire soi-même
- Munissez-vous d'un pèse-personne portable et tenez-vous debout dessus, calmement, dans l'ascenseur
- Observez la variation de l'affichage au moment où l'ascenseur commence à descendre (le chiffre diminue un instant)
- Observez aussi la variation de l'affichage au moment où l'ascenseur commence à monter (le chiffre augmente un instant)
- Vérifiez également que tant que l'ascenseur se déplace à vitesse constante, l'affichage reste normal
Ce que mesure le pèse-personne, c'est exactement « la force avec laquelle le sol vous repousse ». Vous pouvez constater par vous-même que le chiffre ne change qu'au moment précis de l'accélération.
En résumé
Cette sensation de légèreté (ou de lourdeur) passagère dans un ascenseur s'explique par le fait que ce que nous ressentons comme notre « poids » n'est pas la gravité elle-même, mais la force que le sol exerce en retour (la réaction normale). Quand l'ascenseur accélère, l'intensité de cette force du sol varie, ce qui produit la sensation de légèreté ou de lourdeur. En chute libre complète, la force du sol devient nulle : c'est l'apesanteur. Si les astronautes semblent flotter, c'est exactement le même phénomène, provoqué par le fait qu'ils sont constamment « en train de tomber » sur leur orbite.
Ce qui vous secoue dans un ascenseur, ce n'est pas votre poids.
C'est l'intensité de la « poigne » avec laquelle le sol vous retient.
Mais alors, comment a-t-on pu déterminer le poids de la Terre elle-même, à l'origine de cette gravité ? Dans Comment a-t-on pesé la Terre ?, découvrez comment on a mesuré un objet impossible à poser sur une balance, à partir de l'angle de déviation d'un fil près d'une montagne et de la torsion d'un fil très fin.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, valeurs, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets encore en recherche, chaque niveau est clairement indiqué
- CollègeProgramme de sciences au collège
- LycéeProgramme de « physique de base » au lycée
- Lycée+Programme de « physique » avancé au lycée, ou contenu approfondi/encadré des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, matière spécialisée universitaire (relativité générale)
- RechercheSujet qui n'est pas encore enseigné comme un « fait établi », même à l'université, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : les mots autour de l'ascenseur et du poids
- Gravité : la force par laquelle la Terre attire les objets.
- Réaction normale : la force par laquelle le sol ou le plancher repousse un objet.
- Accélération : grandeur qui exprime de combien la vitesse varie par unité de temps.
- État d'apesanteur : état où la force du sol (réaction normale) devient nulle.
LycéeVérification par le calcul : de combien varie l'indication du pèse-personne dans un ascenseur
Calculons de combien varie la valeur affichée par un pèse-personne (le « poids apparent ») quand l'ascenseur accélère vers le bas.
Force du sol = masse × (accélération de la gravité − accélération de l'ascenseur)
| Masse | prenons ici, à titre d'exemple, 60 kg |
| Accélération de la gravité | environ 9,8 m/s² |
| Accélération de l'ascenseur | on prend environ 1,0 m/s² comme ordre de grandeur au démarrage vers le bas (le sens vers le bas est compté positif) |
Cette formule découle du principe selon lequel « la force nette nécessaire pour accélérer le corps est la différence entre la gravité et la force du sol » (les lois du mouvement de Newton).
| Poids habituel (force du sol à l'arrêt) | 60 × 9,8 = 588 |
| Poids habituel | environ 588 N |
| Différence d'accélération | 9,8 − 1,0 = 8,8 |
| Force du sol au moment de l'accélération vers le bas | 60 × 8,8 = 528 |
| Poids apparent au moment de l'accélération | environ 528 N |
Calculons le rapport entre ces deux valeurs.
| Rapport des poids apparents | 528 ÷ 588 ≈ 0,898 |
| Rapport des poids apparents | environ 0,898 (environ 90 %) |
Le calcul montre qu'au démarrage de l'ascenseur, l'indication du pèse-personne descend, l'espace d'un instant, à environ 90 % de sa valeur habituelle. On voit ainsi que même une variation de cette ampleur suffit à ce que le corps la perçoive nettement comme un allègement.
※ L'accélération d'un ascenseur varie selon le modèle ; les valeurs données ici sont des ordres de grandeur représentatifs.
Lycée+En chute libre, la force du sol devient nulle
Lorsque l'accélération de l'ascenseur devient exactement égale à l'accélération de la gravité (9,8 m/s²), en l'appliquant à la formule ①, la force du sol devient exactement nulle. Cela signifie que le corps et l'ascenseur tombent exactement à la même vitesse, si bien que le corps n'a plus besoin d'exercer de pression sur le sol. C'est la raison mécanique de l'apparition de l'apesanteur.
UniversitéLe principe d'équivalence, une idée d'Einstein
On rapporte que le physicien Einstein a fait de l'expérience de pensée « dans un ascenseur en chute libre, on ne ressent pas les effets de la gravité » un point de départ essentiel pour construire la relativité générale. L'idée selon laquelle « les effets de la gravité » et « les effets de l'accélération » sont localement indiscernables est appelée le principe d'équivalence, et Einstein lui-même l'aurait décrite comme « la pensée la plus heureuse de sa vie ».
RechercheCe qui reste encore incertain
- La question de savoir si le principe d'équivalence lui-même se vérifie vraiment avec une précision extrême reste un sujet de recherche, testé notamment par des expériences de haute précision embarquées sur satellites. Si le moindre écart, même infime, était mis en évidence, cela obligerait à revoir en profondeur les fondements de la physique.
- L'effet d'une exposition prolongée à l'apesanteur (microgravité) sur les os, les muscles et la répartition des fluides du corps humain continue de faire l'objet de recherches, notamment à bord de la Station spatiale internationale. Des études sur les mesures de prévention sont menées en vue de futurs séjours spatiaux de longue durée.
Il est frappant de constater que ce simple flottement ressenti dans un ascenseur rejoint aussi bien la physique d'Einstein que les recherches sur les vols spatiaux.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・forces et mouvement | Vocabulaire de base sur la gravité et la réaction normale |
| Lycée | Physique de base・lois du mouvement | Calcul du poids apparent à partir de l'accélération |
| Lycée+ | Physique・équation du mouvement | Lien entre chute libre et apesanteur |
| Université | Relativité générale・mécanique | Le principe d'équivalence |
| Recherche | Physique fondamentale・médecine spatiale (en cours) | Vérification de précision du principe d'équivalence, effets de la microgravité sur le corps humain |
- Explications des manuels de physique de base sur les lois du mouvement et le poids apparent.
- Explications des manuels liés à la relativité générale sur le principe d'équivalence.
- JAXA (Agence japonaise d'exploration aérospatiale, 宇宙航空研究開発機構) « Environnement d'apesanteur (microgravité) », document de vulgarisation.
- Récits, dans des ouvrages d'histoire des sciences, de l'expérience de pensée d'Einstein.
- Revue de recherches en médecine spatiale sur les effets de la microgravité sur le corps humain.
※ Les valeurs de masse, d'accélération, etc. sont des ordres de grandeur représentatifs. L'accélération réelle d'un ascenseur varie selon le modèle et les conditions de fonctionnement.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Pour l'utilisation en toute sécurité des ascenseurs, veuillez suivre les consignes affichées et les instructions du gestionnaire de chaque installation.