El ascensor de Einstein
El ascensor de Einstein
Explorer le principe d'équivalence d'Einstein avec l'acelerómetro du smartphone.
Imaginez-vous enfermé dans un ascenseur sans fenêtre. Vous sentez votre poids appuyer sur vos pieds. Mais êtes-vous vraiment sur Terre, soumis à la gravité ? Ou bien cet ascenseur est-il en réalité une fusée accélérant dans le vide spatial ? En 1907, Albert Einstein réalise que ces deux situations sont strictement indiscernables par toute expérience locale. Cette idée apparemment simple, le principe d'équivalence, deviendra la pierre angulaire de sa théorie de la relativité générale en 1915, l'une des plus grandes révolutions de la physique. L'acelerómetro de votre smartphone est un parfait démonstrateur de ce principe : il mesure exactement 9,81 m/s² que vous soyez immobile sur une table ou en movimiento rectilíneo uniforme. Esta actividad propose de vérifier ce principe fondamental avec les moyens les plus simples qui soient : un smartphone et un ascenseur ou un escalier.
Descripción de la actividad:
El alumno registra l'accélération absolue mesurée par FizziQ dans trois situations : smartphone posé sur une table, smartphone porté en marchant à velocidad constante, et smartphone en accélération verticale (montée ou descente rapide). Il compare les valeurs obtenues et constate l'équivalence entre gravité et accélération prédite par Einstein.
FizziQ
Autor:
Duración:
30-40
Lo que harán los estudiantes:
'- Mesurer l'accélération dans différentes situations de mouvement avec FizziQ
- Vérifier que l'acelerómetro mesure g au repos comme en movimiento rectilíneo uniforme
- Observer la variation de l'accélération mesurée lors d'une accélération verticale
- Comprendre intuitivement le principe d'équivalence d'Einstein
- Relier une expérience simple à un concept fondamental de physique moderne
Conceptos científicos:
'- Principe d'équivalence
- Accélération de la pesanteur
- Référentiel inertiel et non inertiel
- Principe d'inertie de Galilée
- Relativité générale (introduction)
- Chute libre et apesanteur
Sensores:
'- Acelerómetro (accélération absolue)
Material necesario:
'- Smartphone o tableta con FizziQ
- Une surface plane pour les mesures statiques
- Un ascenseur, un escalier ou un trampoline
- Cuaderno de experiencias FizziQ
Procedimiento experimental:
Pose ton smartphone bien à plat sobre une table stable y lance un registrament de la aceleración absolue pendant 10 secondes. Note la valeur moyenne.
Tiens le smartphone à la main y marche à vitesse constante en línea recta en enregistrant la aceleración pendant 10 secondes. Compara con la valeur au repos.
Si tu as accès à un ascenseur, lance l'registrament puis prends l'ascenseur. Observa les variations de la aceleración au démarrage, pendant el movimiento constant, y à l'arrêt.
Si tu n'as pas d'ascenseur, tiens le smartphone y accroupis-toi puis relève-toi rapidement en enregistrant la aceleración.
Compara les trois situations : que mide l'accéléromètre en chaque cas ?
Au repos y en mouvement uniforme, l'accéléromètre indique la même valeur (≈ 9,81 m/s²). ¿Por qué ?
Pendant une accélération vers le haut, la valeur augmente (g + a). Pendant une accélération vers le bas, elle diminue (g - a). Explique pourquoi.
Que mesurerait l'accéléromètre en caída libre ? ¿Por qué les astronautes sont-ils en apesanteur ?
Documenta tus observations y conclusions en le cuaderno de experiencias FizziQ.
Resultados esperados:
Au repos sur la table, l'accélération absolue mesure environ 9,81 m/s² (±0,05 m/s²). En movimiento rectilíneo uniforme (marche à velocidad constante), la valeur reste sensiblement la même, avec un peu plus de bruit dû aux oscillations de la marche. Dans un ascenseur, on observe un pic à environ 10,5-11 m/s² au démarrage (montée), un retour à 9,81 m/s² pendant la phase de velocidad constante, puis une chute à environ 9,0-9,3 m/s² lors de la décélération. En caída libre (lancé vertical), l'acelerómetro indiquerait théoriquement 0 m/s².
Preguntas científicas:
'- Pourquoi l'acelerómetro mesure-t-il g au repos alors que le smartphone ne bouge pas ?
- Comment expliquer que l'acelerómetro donne la même valeur en mouvement uniforme qu'au repos ?
- Que mesurerait-on dans un avion en caída libre (vol parabolique) ?
- Pourquoi les astronautes en orbite sont-ils en apesanteur alors qu'ils sont soumis à la gravité ?
- En quoi le principe d'équivalence a-t-il révolutionné notre compréhension de la gravité ?
Explicaciones científicas:
Le principe d'équivalence, pierre angulaire de la relativité générale d'Einstein (1915), stipule qu'il es impossible de distinguer localement entre les effets de un champ gravitationnel y ceux de una accélération. Einstein a illustré ce principe par l'expérience de pensée de l'ascenseur : un observateur enfermé en une cabine ne peut déterminer s'il es soumis à la gravité terrestre o si la cabine accélère en l'espace vide.
L'accéléromètre du smartphone démontre ce principe. Au repos sobre une table, il mide environ 9,81 m/s², car il détecte la force de réaction du support qui s'oppose à la gravité. En mouvement rectiligne uniforme, il continue d'afficher g, conformément au principe d'inertie de Galilée.
Lors de una accélération verticale ascendante d'intensité a, l'accéléromètre indique g + a, ce qui correspond à une augmentation apparente du poids. Lors de una caída libre (accélération propre = -g), il indiquerait théoriquement zéro, reproduisant l'état d'apesanteur.
Cette équivalence locale entre gravité y accélération a conduit Einstein à sa vision révolutionnaire : la gravité n'est pas une force conventionnelle mais une manifestation de la courbure de l'espace-temps. Les corps massifs déforment le tissu spatio-temporel, y cette géométrie modifiée détermine el movimiento des objets.
Actividades de ampliación:
'- Lancer le smartphone en l'air (dans une housse protectrice) et observer l'accélération pendant la caída libre
- Comparer les accélérations dans un ascenseur rapide et un ascenseur lent
- Monter et descendre un escalier pour observer les phases d'accélération et de décélération
- Utiliser un trampoline pour observer les phases d'apesanteur au sommet du saut
Preguntas frecuentes:
Q: ¿Por qué l'acelerómetro ne mesure-t-il pas zéro au repos ?
R: L'acelerómetro mesure la force exercée sur la masse d'épreuve du capteur, divisée par sa masse. Au repos, cette force est la réaction du support, qui vaut mg. Le capteur ne peut pas distinguer cette force de celle due à une accélération ascendante a = g.
Q: Que se passe-t-il en caída libre ?
R: En caída libre, aucune force de contact ne s'exerce sur le capteur (il tombe avec son support), donc l'acelerómetro mesure 0 m/s². C'est l'état d'apesanteur, identique à celui ressenti par les astronautes en orbite.
Q: ¿Por qué Einstein considère-t-il que la gravité n'est pas une force ?
R: Selon la relativité générale, un objet en caída libre suit la trajectoire la plus naturelle dans un espace-temps courbé par les masses. Ce n'est pas une force qui le dévie, mais la géométrie de l'espace-temps qui guide son mouvement.