Chute libre

La chute libre est le mouvement d’un corps soumis uniquement à l’influence de la gravité, sans résistance de l’air ni autre force. L’objet accélère alors de façon constante avec une accélération égale à g, environ 9,81 m/s² à la surface de la Terre.

Observer expérimentalement la chute libre

Avec l’application FizziQ, il est possible de mesurer l’accélération de la pesanteur en analysant une chute libre.

Étapes :

• Méthode par chronomètre interne : lâcher le smartphone d’une hauteur connue sur un coussin. FizziQ enregistre la durée de chute grâce à l’accéléromètre qui détecte l’instant du lâcher et l’impact.
• Méthode par analyse vidéo : filmer la chute d’une balle avec FizziQ et utiliser l’outil de pointage pour mesurer les positions successives à chaque image.
• À partir des positions mesurées, calculer la vitesse à chaque instant et vérifier que l’accélération est constante. La pente du graphique vitesse-temps donne g.
• Comparer la valeur obtenue avec 9,81 m/s². Discuter des écarts : résistance de l’air, précision du pointage, conditions locales.

Activités scientifiques sur ce thème

Plusieurs expériences permettent d’étudier la chute libre avec un smartphone.

• 1 : Galilée - Calculer g en mesurant la durée de chute libre d’un smartphone
• 2 : Plus léger - Mesurer les variations de pesanteur apparente ressenties dans un avion : l’accéléromètre enregistre les accélérations de l’appareil (décollage, turbulences, changements d’altitude), et non une variation de g elle-même
• 3 : Trajectoire parabolique - Analyser le mouvement d’un projectile

En savoir plus

Les expériences de Galilée

Galilée est reconnu pour ses travaux pionniers sur la chute des corps au XVIe siècle. Contrairement à la croyance aristotélicienne selon laquelle les objets lourds tombent plus vite, il a démontré que tous les corps tombent avec la même accélération dans le vide, indépendamment de leur masse. Cette découverte a jeté les bases de la mécanique classique.

Les lois de Newton

Isaac Newton a formalisé les observations de Galilée dans ses trois lois du mouvement. La deuxième loi (F = ma) permet de comprendre pourquoi tous les corps ont la même accélération en chute libre : la force gravitationnelle est proportionnelle à la masse, tout comme l’inertie.

Résistance de l’air

Dans l’air, la chute n’est pas vraiment “libre” car la résistance de l’air s’oppose au mouvement. Cette force de frottement augmente avec la vitesse jusqu’à équilibrer le poids : l’objet atteint alors sa vitesse terminale. Une feuille de papier et une balle de plomb n’ont pas la même vitesse terminale.

L’apesanteur

Les astronautes de l’ISS sont en chute libre permanente autour de la Terre. Bien que g y vaille encore environ 8,7 m/s², tout tombe ensemble, créant une sensation d’apesanteur.

Niveau scolaire et programmes

2de à Terminale - Physique-chimie

• Mouvement rectiligne uniformément accéléré
• Deuxième loi de Newton : relation entre force et accélération
• Énergie mécanique et conservation
• ECE : analyse de trajectoire par chronophotographie

Formule

Équations du mouvement en chute libre (sans vitesse initiale) :

Position : y(t) = y₀ - ½ × g × t²

Vitesse : v(t) = g × t

Temps de chute : t = √(2h/g)

Vitesse finale : v = √(2gh)

Signification :

• y₀ : hauteur initiale (m)
• g : accélération de la pesanteur (≈ 9,81 m/s²)
• t : temps écoulé (s)
• h : hauteur de chute (m)
• v : vitesse (m/s)

Exemples d’application

• Une balle lâchée du 3e étage (10 m) atteint le sol en 1,4 s avec une vitesse de 14 m/s

• Un parachutiste en chute libre accélère jusqu’à atteindre sa vitesse terminale d’environ 200 km/h

• Sur la Lune, où g = 1,62 m/s², une chute de 10 m dure 3,5 s au lieu de 1,4 s

• Un plongeur de 10 m entre dans l’eau à environ 50 km/h

• La célèbre expérience de la plume et du marteau d’Apollo 15 a vérifié la loi de Galilée sur la Lune

FAQ

Q : Pourquoi dit-on que tous les objets tombent à la même vitesse ? R : Dans le vide, tous les objets ont la même accélération g. La force gravitationnelle et l’inertie sont toutes deux proportionnelles à la masse, donc la masse s’annule dans l’équation du mouvement.

Q : Qu’est-ce qui distingue la chute libre du mouvement d’un parachutiste ? R : En chute libre vraie, seule la gravité agit. Un parachutiste subit aussi la résistance de l’air qui finit par équilibrer son poids, limitant sa vitesse.

Q : Comment mesurer g précisément avec un smartphone ? R : La méthode de chute libre avec FizziQ permet d’atteindre une précision de 1 à 2 %. L’analyse vidéo est souvent plus précise que le chronomètre manuel.

Q : La chute libre est-elle vraiment rectiligne ? R : Oui, si l’objet est lâché sans vitesse horizontale. Sinon, la trajectoire est parabolique, comme pour un projectile.

Q : Pourquoi la résistance de l’air complique-t-elle les mesures ? R : Elle crée une force qui s’oppose au mouvement et croît avec la vitesse. Pour minimiser son effet, on utilise des objets denses et compacts sur de courtes distances.

Concepts liés

Accélération de la pesanteur - Gravitation - Trajectoire parabolique - Vitesse terminale - Énergie mécanique - Mouvement rectiligne uniformément accéléré - Deuxième loi de Newton