Si les astronautes flottent dans la station spatiale,
est-ce vraiment parce qu'il n'y a plus de gravité ? ― À 400 km, 90 % de la gravité terrestre s'applique encore : ils ne font que tomber sans cesse
On entend souvent dire « c'est l'apesanteur ». Pourtant, même à l'altitude où vole la Station spatiale internationale, la gravité conserve environ 90 % de sa force au sol. Les astronautes n'ont pas échappé à la gravité. C'est toute la station, avec eux, qui tombe indéfiniment.
Une retransmission depuis la Station spatiale internationale. Un astronaute pose délicatement une bulle d'eau en suspension dans l'air, et celle-ci flotte en tournant lentement. La voix off annonce : « Nous sommes en apesanteur. »
Réfléchissons un instant. La station vole à environ 400 kilomètres d'altitude. C'est à peu près la distance à vol d'oiseau entre Tokyo et Osaka.
Est-ce qu'une telle altitude suffit à faire disparaître la gravité terrestre ? Le rayon de la Terre, lui, mesure tout de même environ 6371 kilomètres.
La réponse tient en deux points
La gravité faiblit avec la distance, mais ce qui compte, c'est la « distance depuis le centre de la Terre ». Monter de 400 kilomètres n'augmente cette distance que d'environ 6 %, et la gravité reste à près de 90 % de sa valeur au sol.
La station, les astronautes à l'intérieur et la bulle d'eau tombent tous vers la Terre exactement à la même vitesse. Or des objets qui tombent de la même façon ne se poussent ni ne se soutiennent mutuellement. C'est pour cela qu'on ne ressent plus son poids.
Autrement dit, ce n'est pas que « la gravité a disparu », c'est qu'il n'y a plus rien pour la ressentir. Vérifions d'abord le premier point avec des chiffres.
À 400 kilomètres d'altitude, de combien la gravité faiblit-elle ?
La force de gravité diminue en proportion inverse du carré de la distance au centre de la Terre. Si la distance double, la force est divisée par 4 ; si elle triple, par 9.
Le point important, c'est que cette distance se mesure depuis le centre de la Terre, pas depuis le sol. Le rayon terrestre vaut environ 6371 kilomètres. En y ajoutant 400 kilomètres, on obtient 6771 kilomètres, soit une hausse d'environ 6 % seulement. Même en l'élevant au carré, la gravité reste à environ 88 % de sa valeur au sol. En gros, 90 %.
La figure 1 représente, par la longueur de barres horizontales, la part de gravité restante à chaque altitude. La deuxième barre en partant du haut correspond à l'altitude de la station spatiale : elle est presque aussi longue que la première, celle du sol. Il faut atteindre 36 000 kilomètres, l'altitude des satellites de diffusion, pour que la gravité s'approche vraiment de zéro.
Alors pourquoi la station ne retombe-t-elle pas ?
En réalité, elle tombe. À chaque instant, la Station spatiale internationale chute vers la Terre à une vitesse d'environ 4 mètres par seconde.
Si elle n'atteint jamais le sol, c'est parce qu'elle avance en même temps très vite à l'horizontale. Cette vitesse est d'environ 7,7 kilomètres par seconde. Pendant qu'elle parcourt ces 7,7 kilomètres à l'horizontale en une seconde, la surface courbe de la Terre s'éloigne vers le bas d'à peu près la même distance. La chute et l'éloignement du sol s'annulent exactement.
Sur la figure 2, à gauche : un objet simplement lâché. Il tombe tout droit et atteint le sol en quelques secondes. À droite : un objet lancé très vite à l'horizontale. Il tombe de la même façon, mais la courbure terrestre s'abaisse tout autant, si bien qu'il n'atteint jamais le sol. C'est exactement le principe d'une orbite.
Dans le milieu spécialisé, on distingue « état de non-pesanteur » ou « micropesanteur », car la gravité elle-même est bel et bien présente. Dans la station, de minuscules différences de gravité selon l'endroit, ou une infime résistance de l'air résiduel, empêchent d'atteindre un zéro parfait. D'où le terme « micro ».
En faisant voler un avion selon une trajectoire parabolique, la cabine reproduit les conditions de l'espace. Ce qu'on crée n'est pas « un endroit sans gravité », mais « 20 secondes pendant lesquelles tout tombe de la même façon ». Cette technique sert à l'entraînement et aux expériences en micropesanteur.
En résumé
Si les astronautes semblent flotter, ce n'est pas parce que la gravité a disparu. Elle s'exerce encore à environ 90 % de sa valeur au sol. Simplement, attirés par cette gravité, la station, les astronautes et la bulle d'eau tombent tous exactement à la même vitesse. Entre objets qui tombent de la même façon, aucune force de poussée ni de soutien ne peut apparaître. Ce que nous ressentons comme notre « poids » n'est en fait pas la gravité elle-même, mais la force que le sol exerce en retour sur notre corps.
Ils ne flottent pas : ils tombent.
Quand la chute est partagée par tous, le poids semble s'effacer.
L'idée que ce que le corps ressent n'est pas la gravité mais la force du sol est développée dans Pourquoi se sent-on soudain plus léger dans un ascenseur ?, l'intensité de l'attraction entre la Terre et la Lune est expliquée dans Pourquoi les marées montent-elles et descendent-elles deux fois par jour ?, et la combustion des objets qui retombent est abordée dans Quelle est la taille d'une étoile filante ?.
- Percez un petit trou sur le côté d'un gobelet en papier avec un cure-dent. Bouchez le trou avec le doigt et remplissez le gobelet d'eau à moitié.
- Au-dessus de l'évier, retirez le doigt : un mince jet d'eau jaillit par le trou. C'est parce que l'eau du dessus pousse celle du dessous.
- Pendant que l'eau jaillit encore, lâchez délicatement le gobelet d'une hauteur d'environ 50 cm. Pendant la chute, on voit le jet s'arrêter (faites cela au-dessus d'une bassine).
L'eau du haut, l'eau du bas et le gobelet tombent tous exactement à la même vitesse, si bien que la force de pression mutuelle disparaît. Ce qui se produit dans la station spatiale, c'est exactement cela, mais en continu. Filmez avec un smartphone et repassez au ralenti pour bien le voir.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué
- Collègeniveau des sciences au collège
- Lycéeniveau du programme de physique au lycée
- Lycée+notion avancée du lycée, ou traitée en encadré dans les manuels
- Universiténotion non enseignée au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (relativité générale, ingénierie spatiale)
- Recherchesujet qui n'est pas encore enseigné comme « établi » même à l'université, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- État de non-pesanteur (ou apesanteur) : état où la gravité s'exerce, mais n'est pas perçue comme un poids. Le terme « apesanteur » est très répandu, mais la gravité elle-même n'a pas disparu.
- Chute libre : le fait de tomber sous l'effet de la seule gravité. La station spatiale poursuit cette chute tout en avançant rapidement à l'horizontale.
- Première vitesse cosmique : vitesse horizontale nécessaire pour rester en orbite juste au-dessus de la surface terrestre, estimée à environ 7,9 kilomètres par seconde.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle proportion de la gravité au sol reste-t-il à 400 km d'altitude ?
Un seul principe suffit pour répondre : la proportion inverse du carré de la distance. Pour finir, on vérifiera aussi que la distance de chute et la courbure terrestre s'équilibrent.
| Rayon de la Terre | environ 6371 kilomètres |
| Altitude de la Station spatiale internationale | environ 400 kilomètres |
| Force de gravité au sol | environ 9,8 (mètres par seconde au carré) |
| Vitesse horizontale de la station | environ 7,7 kilomètres par seconde |
| Distance depuis le centre de la Terre (km) | 6371 + 400 = 6771 |
| Rapport inverse des distances (sol = 1) | 6371 ÷ 6771 ≈ 0,941 |
| Élever au carré (proportion inverse du carré) | 0,941 × 0,941 ≈ 0,885 |
| Force de gravité à cette altitude | 9,8 × 0,885 ≈ 8,7 |
Face aux 9,8 du sol, on obtient 8,7. Soit environ 88 %, c'est-à-dire près de 90 %.
| Distance de chute en 1 seconde (mètres) | 8,7 ÷ 2 ≈ 4,4 |
| Carré de la distance parcourue à l'horizontale en 1 s | 7,7 × 7,7 ≈ 59,3 |
| Division par le diamètre terrestre 12742 (km) | 59,3 ÷ 12742 ≈ 0,00465 |
| Conversion en mètres | 0,00465 × 1000 ≈ 4,7 |
En 1 seconde, on tombe de 4,4 mètres, pendant que la surface terrestre s'abaisse elle aussi de 4,7 mètres. Quasiment identique. D'où l'absence d'impact au sol. La troisième ligne provient de la formule approchée donnant l'abaissement de la surface courbe de la Terre en fonction de la distance parcourue à l'horizontale.
LycéeLycée+Que mesure-t-on vraiment quand on parle de « poids » ?
LycéeLa force de gravitation universelle est proportionnelle au produit des masses des deux corps et inversement proportionnelle au carré de la distance entre leurs centres. La signification des symboles figure dans le tableau ci-dessous. Un objet qui tourne en cercle a besoin d'une accélération dirigée vers le centre, rôle que joue ici la gravitation. Comme la masse du corps en orbite disparaît des deux côtés de l'équation, la vitesse nécessaire pour rester en orbite est la même, que le satellite soit lourd ou que l'astronaute soit léger. C'est pour cela qu'ils peuvent voler côte à côte.
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| G | Constante de gravitation universelle, commune à tous les corps |
| M | Masse de la Terre (kilogrammes) |
| m | Masse du corps en orbite (kilogrammes) |
| r | Distance mesurée depuis le centre de la Terre (mètres) |
Lycée+Ce que mesure un pèse-personne, ce n'est pas la gravité elle-même, mais la force que le pèse-personne exerce en retour sur le corps. Cette force de réaction s'appelle le « poids apparent ». Une personne en chute libre n'a pas de sol pour la repousser, donc son poids apparent est nul. La gravité est bien là, mais elle devient impossible à mesurer.
UniversitéAccélération et gravité : indiscernables de l'intérieur
Einstein a envisagé qu'une personne enfermée dans une boîte ne puisse pas déterminer, par des expériences menées uniquement à l'intérieur de cette boîte, si elle est « en chute libre » ou « flottant dans un espace sans gravité ». C'est le principe d'équivalence, point de départ de la relativité générale. L'intérieur de la station spatiale peut être vu comme l'incarnation concrète de ce principe.
Cette indiscernabilité ne vaut cependant que si la boîte est suffisamment petite. Si on l'agrandit, la gravité diffère légèrement entre le côté proche de la Terre et le côté éloigné, et deux objets à l'intérieur s'écartent lentement l'un de l'autre. Cette différence est la même force qui provoque les marées. La « micropesanteur » observée dans la station serait principalement due à cet effet.
RechercheCe qui reste mal compris
- Le mécanisme de perte osseuse et musculaire On sait qu'un séjour prolongé réduit la masse osseuse, mais on ignore encore quel signal déclenche cette baisse, et jusqu'à quel point l'exercice ou des médicaments pourraient l'enrayer. Les recherches sont en cours.
- L'effet du déplacement des fluides vers le haut du corps En l'absence de force vers le bas, les fluides corporels remontent vers la tête, et des changements de la vision ont été rapportés. La cause exacte, ainsi que le degré de récupération après le retour au sol, restent à déterminer.
- Des structures qui ne peuvent naître qu'en micropesanteur Dans un environnement sans convection ni sédimentation, on espère faire croître des cristaux ou des alliages différents de ceux obtenus au sol. Leur potentiel d'application pratique dépendra des résultats à venir.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète lui aussi « ce qu'on comprend à l'heure actuelle ». L'affaiblissement de la gravité et les calculs orbitaux sont bien établis, mais ce qui se passe dans le corps humain reste un domaine d'observation encore en construction.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : forces et mouvement / gravité | La première partie, sur l'affaiblissement de la gravité avec la distance |
| Lycée | Physique : gravitation universelle et mouvement circulaire | Le calcul de l'équilibre entre la chute et la courbure terrestre |
| Lycée+ | Physique : poids apparent / forces d'inertie | Ce que mesure réellement un pèse-personne |
| Université | Relativité générale / ingénierie spatiale | Le principe d'équivalence et l'effet de la taille de la boîte |
| Recherche | Médecine spatiale / science des matériaux | Perte osseuse, déplacement des fluides, croissance de cristaux en micropesanteur |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | La sensation de légèreté ou de lourdeur ressentie dans un ascenseur ou une voiture qui démarre |
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō (annuaire scientifique japonais, 理科年表) — valeurs du rayon terrestre et de la gravité
- Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA), explication sur l'environnement en micropesanteur du module expérimental japonais « Kibō »
- L'expérience de pensée d'Isaac Newton, exposée dans ses écrits, consistant à lancer un objet à l'horizontale depuis une montagne élevée (connue sous le nom de « canon de Newton »)
- Manuel de physique du lycée, unité sur la gravitation universelle et le mouvement circulaire
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur donnés pour faciliter la compréhension du phénomène. Réalisez l'expérience d'observation dans un endroit où les projections d'eau ne posent pas de problème.