C'est quoi un G ?

On fait fréquemment référence à l'accélération subie par les pilotes de chasse dans une unité appelée le G. On lit ou entend par exemple qu'un "pilote peut prendre 9G". Mais un G c'est quoi ? Et qu'est-ce qui se cache derrière cette unité ?

La gravité et l'accélération

J'ai écrit il y a quelques mois un article sur la gravité, cette force qui fait que les objets ayant une masse s'attirent entre eux (l'exemple le plus connu étant la Terre qui attire la pomme "tombant" de l'arbre). Cette force sur Terre est presque la même partout, et provoque une accélération vers le sol de 9,8m/s².

Que représentent ces 9,8 "mètres par seconde carrée" ? L'accélération, vous le savez, évoque la façon dont notre vitesse varie. Dans un véhicule, plus l'accélération est grande, plus ce dernier arrive vite à une vitesse plus élevée.

des voitures qui accélèrent plutôt bien...

En physique on relie la vitesse et l'accélération par l'équation suivante :

Une accélération de 9,8m/s² signifie donc que chaque seconde, la vitesse augmente de 9,8m/s (soit 35,3km/h) : je démarre, au bout d'1s ma vitesse est de 35,3km/h, au bout de 2s elle est de 2x35,3=70,6km/h etc.

Et le G alors ?

Le G, c'est le nom que l'on a donné à la valeur de cette accélération que la Terre provoque sur les objets qu'elle attire à sa surface. La pomme qui tombe de l'arbre a une accélération de 1G en tombant, et si elle chute pendant une seconde, alors en arrivant au sol sa vitesse sera de... de ?... 9,8m/s, bravo ! Une voiture qui démarre avec une accélération de 1G (une voiture très rapide) aura atteint la vitesse de 70,6km/h au bout de 2s.

Le G dans la vie de tous les jours

J'en reviens à ma question initiale : ça veut dire quoi "un pilote de chasse peut prendre 9G" ? Eh bien cela veut tout simplement dire que son avion peut atteindre une accélération de 9x9,8m/s². Imaginez une voiture qui fait du 0 à 100km/h en 0,31s ! C'est ça 9G. Et on dit que le pilote "prend" 9G car il encaisse l'accélération, qui le projette contre son fauteuil.

Le corps humain, comme tout système vivant, a ses limites. Alors, quand on voit qu'à 9G l'homme non entraîné s'évanouit, quelle est l'accélération maximum que l'on peut subir ? Un petit tableau de la NASA permet de donner une idée de ce que l'on peut supporter, dans quelle direction, pendant combien de temps :

Le cerveau résiste à une accélération de 300G pendant 1ms, et subira des lésions graves à partir d'une accélération de 200G maintenue pendant plus de 5ms. Et pendant que j'écris ces lignes, je subis donc 1G vers le bas.

Vous voulez voir à quoi ça ressemble quelqu'un d'entraîné qui prend 9G ? Voici :

Et quand on n'est pas assez entraîné, ça donne quelque chose comme ça :

En savoir plus

Le voile noir : Les effets de la force d'accélération
Le Jerk et le Yank : des grandeurs liées à l'accélération utilisées en ingéniérie (montagnes russes par exemple)
Les relations entre accélération, vitesse et distance en physique sur Wikipedia.

C'est quoi la gravité ?

Pourquoi Newton s'est-il pris une pomme sur la tronche ? Parce qu'il pionçait sous un pommier ? Vrai, enfin il paraît. Mais sinon...

Newton a dit "Mangez 5 fruits et légumes par jour."

Une force invisible

La gravité, c'est cette chose qui fait qu'on pèse quelque chose, qu'on est attiré vers le sol par la Terre. En fait ça n'est pas vraiment une chose. En sciences, et plus précisément en physique (la science de la nature), on dit que la gravité est une force, et elle est invisible. Plutôt cool non ?

Oui, invisible : on ne peut pas pas la voir. C'est tout simplement impossible. La plupart du temps, les scientifiques cherchent justement à expliquer les choses qu'on ne voit pas, mais dont on sait qu'elles existent parce qu'on observe ses effets (une pomme qui tombe en l'occurrence). Bref, comme la gravité est une force invisible, eh bien... les gens ont mis très longtemps avant de se rendre compte qu'elle existait. Pourquoi ? Parce que tout ce que vous voyez autour de vous et que vous connaissez depuis tout petit vous paraît naturel. Que le ciel soit bleu vous paraît naturel. Vous savez pourquoi il est bleu au fait ? Pas sûr que vous vous soyez posé la question (et si ça n'est pas le cas je vous expliquerai !). Eh bien nos arrières- arrières-arrières-...-grands-parents eux se disaient que c'était "normal" d'avoir les pieds collés au sol ;)

Un type balèze, mais pas tout seul

Mais quand même, au 17e siecle, un certain Isaac Newton, philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste et astronome (rien que ça... on n'en fait plus des comme lui, il était quand même balèze...), s'est inspiré des travaux d'autres scientifiques pour étudier la physique. C'est lui qui, le premier, a établi la loi de la gravitation universelle, qui décrit la force dont je vous parle. Il a fait le lien entre les astres (les objets dans le ciel) qui s'attirent (les scientifiques les voyaient tourner les uns autour des autres, en déduisant qu'une force intervenait là-dedans), et la pomme qui tombe du pommier, attirée par... la Terre donc.

Crédit : Musée des Sciences de Londres.

Newton a en fait utilisé les recherches des grands Galilée et Kepler.

• Galilée disait que les objets tombaient tous à la même vitesse. Pour le prouver il avait lâché deux boules de fer dont l'une pesait 100 fois le poids de l'autre du haut de la tour de Pise (qui était penchée, ce qui évitait de casser la façade, c'est quand même bien fait !), constatant qu'elles arrivaient quasiment en même temps, la différence étant liée à la résistance de l'air.
  
  
  
  
  "Eh Galilei, tu les envoies tes boules de métal ou bien ?"
  
  
• Kepler étudia le mouvement des planètes, et en déduit 3 lois, dont une en particulier qui stipule que les planètes qu'il voyait tournent autour du Soleil (pas tout à fait en rond, mais en ellipses -- qui sont des sortes de cercles écrasés, voir le schéma ci-dessous).

Mouvements elliptiques des planètes autour du Soleil

Bref, après de sérieuses recherches et beaucoup d'observations (et probablement beaucoup de pinard ??), Newton trouva une formule qui donnait l'intensité de la force gravitationnelle (la gravité en d'autres termes). En d'autres termes, il trouva comment exprimer "à quel point machin et machine s'attirent".

Oui je sais, ça fait classe une équation entre deux tranches de texte... pourtant là y a pas de lettres grecques, si vous saviez !

• F est l'intensité (plus elle est grande, plus la force est grande quoi). 
• G est une constante calculée par Isaac, dont la valeur n'a pas d'intérêt ici
• m1 et m2 sont les masses des deux corps qui intéragissent ensemble (la pomme et la Terre par exemple, ou le Soleil et la Terre...)
• d est la distance entre les deux corps (en mètres)

Pour exprimer une longueur on utilise par exemple le mètre, eh bien figurez-vous que l'unité dans laquelle on exprime cette force est le... Newton ! Eh oui !

Que faut-il en retenir de ce truc ?

- Plus les objets sont massifs (plus leur masse est élevée), plus la force qui les lie est grande.
- Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus la force qui les lie est grande.

Alors voilà, vous savez maintenant pourquoi vous êtes attirés vers le sol. C'est parce que la Terre, qui pèse tout de même son poids, vous attire vers elle. Vous aussi d'ailleurs, vous l'attirez, mais votre contribution à cette force est toute petite petite face à celle de la Terre. En effet, la Terre pèse 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kilos, soit à la louche 200 milliards de fois la masse totale de tous les habitants de la Terre réunis !

Et c'est cette même force qui fait que la Lune tourne autour de la Terre (elle ne peut s'échapper), et que la Terre tourne autour du Soleil.

Des petites questions quand même...

Pourquoi moi je n'attire pas les choses autour de moi ?
Eh bien c'est parce que dans la formule qui donne l'intensité de la force entre moi et mon voisin, la fameuse constante G est très très petite, et ma masse et celle des objets autour de moi sont plutôt petites... donc la valeur de F est très petite, quasiment nulle... Du coup la force que me lie à mon canapé (à part la gravité qui y maintient mes fesses) est en gros nulle.

Si les objets lourds, comme les planètes, s'attirent, pourquoi ne tombent-ils pas les uns sur les autres comme la pomme sur la Terre ?
Alors là, c'est un peu plus compliqué. En fait c'est une question de mouvement initial. La Lune tourne autour de la Terre avec une certaine vitesse, de même la Terre tourne autour du Soleil avec une certaine autre vitesse. Ce sont ces vitesses, très grandes (la Terre parcourt presque 30 km/s, soit 108 000 km/h !), qui empêche la chute des planètes sur elles-mêmes, car elle provoquent une force dite centrifuge. Si vous montez sur un manège, vous pourrez sentir cette force qui vous emmène vers l'extérieur de ce dernier quand il tourne de plus en plus vite.

De bons sites

http://membres.multimania.fr/newtonphysique/ (attention vieux site web, la déco n'est plus toute jeune, mais le contenu est intéressant ^^)

http://molaire1.perso.sfr.fr/gravite.html