Qu'est-ce que c'est ?
Atividades científicas sobre este tema
Avec l'application FizziQ, il est facile de mesurer l'accélération absolue du smartphone et de la comparer à la valeur de g.
Étapes :
Ouvrir FizziQ et sélectionner le capteur d'accélération absolue (accélération avec g). Poser le smartphone à plat sur la table et noter la valeur affichée : elle doit être proche de 9,81 m/s².
Incliner progressivement le smartphone et observer comment les composantes de l'accélération absolue se répartissent sur les trois axes x, y et z. Vérifier que la norme reste constante et égale à g.
Lâcher le smartphone de quelques centimètres au-dessus d'un coussin (avec précaution) et observer la chute dans les données. Pendant la chute libre, l'accélération absolue chute vers zéro.
Comparer les résultats avec le capteur d'accélération linéaire (sans g) de FizziQ. Discuter : pourquoi les deux capteurs donnent-ils des résultats différents pour un objet immobile ?
Atividades científicas sobre este tema
Plusieurs expériences facilement réalisables avec un smartphone, une tablette ou un ordinateur permettent de mesurer et de comprendre l'accélération absolue.
1 : C'est quoi un accéléromètre - Découvre le concept d'accélération linéaire : https://www.fizziq.org/team/acc%C3%A9l%C3%A9ration-lin%C3%A9aire
2 : L'ascenseur d'Einstein - Principe d'équivalence d'Einstein en utilisant l'accéléromètre d'un smartphone : https://www.fizziq.org/team/l'ascenseur-d'einstein
3 : Astronaute et essoreuse - Un astronaute survivrait-il dans une essoreuse à salade ? : https://www.fizziq.org/team/astronaute-et-essoreuse
4 : Plus léger - Est-on moins lourd en avion ? : https://www.fizziq.org/team/plus-l%C3%A9ger
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Le principe d'équivalence d'Einstein
En 1907, Albert Einstein a eu ce qu'il a appelé « la plus heureuse pensée de sa vie ». Il a réalisé qu'un observateur en chute libre ne ressent aucune gravité : son accéléromètre affiche zéro. Réciproquement, un observateur accéléré dans l'espace ressent exactement les mêmes effets que la gravité. Cette équivalence entre accélération et gravité est devenue le fondement de la relativité générale.
Accéléromètre MEMS et mesure de l'accélération absolue
Les accéléromètres des smartphones sont des dispositifs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) de quelques millimètres de côté. Ils contiennent une micro-masse suspendue par des ressorts microscopiques. Quand le smartphone accélère, la masse se déplace par rapport au boîtier. Ce déplacement est mesuré par variation de capacité électrique. Le capteur mesure naturellement l'accélération absolue, et c'est un traitement logiciel qui en soustrait g pour obtenir l'accélération linéaire.
Applications en navigation inertielle
Les systèmes de navigation inertielle utilisent des accéléromètres et des gyroscopes pour déterminer la position d'un véhicule sans GPS. Les sous-marins, les avions et les fusées embarquent des centrales inertielles qui intègrent l'accélération absolue deux fois pour obtenir la position. La précision requise est extrême : une erreur de 0,001 m/s² se traduit par une dérive de 1,8 km après une heure de navigation.
Ordres de grandeur
Accélération absolue au repos : 9,81 m/s². En chute libre : 0 m/s². Dans un ascenseur qui monte : environ 10,5 m/s². Dans un avion au décollage : environ 12 à 14 m/s². Dans une centrifugeuse d'entraînement pour pilotes : jusqu'à 90 m/s² (environ 9 g). Sur la Lune au repos : 1,62 m/s².
Formule
L'accélération absolue s'exprime comme la somme de l'accélération du mouvement et de l'accélération de la pesanteur :
a_absolue = a_mouvement + g
Signification : a_absolue : accélération totale mesurée par le capteur (m/s²) a_mouvement : accélération liée au mouvement propre de l'objet (m/s²) g : accélération de la pesanteur, environ 9,81 m/s² dirigée vers le bas
La norme de l'accélération absolue au repos vaut : |a_absolue| = g ≈ 9,81 m/s²
Exemples d'application
- Un smartphone posé sur une table affiche une accélération absolue de 9,81 m/s² vers le haut
- En chute libre, un parachutiste mesure une accélération absolue proche de zéro avant l'ouverture du parachute
- Un passager dans un avion en vol horizontal mesure une accélération absolue égale à g, comme au sol
- Dans un ascenseur qui accélère vers le haut, l'accélération absolue dépasse 9,81 m/s²
- Un astronaute en apesanteur dans l'ISS mesure une accélération absolue proche de zéro
FAQ
Q : Pourquoi un objet immobile mesure-t-il une accélération de 9,81 m/s² ?
R : L'accéléromètre détecte la force de réaction exercée par la surface sur laquelle il repose. Cette force, égale et opposée au poids, est interprétée comme une accélération vers le haut de valeur g.
Q : Quelle est la différence entre accélération absolue et accélération linéaire ?
R : L'accélération absolue inclut la composante gravitationnelle g. L'accélération linéaire est corrigée : le logiciel soustrait g pour ne garder que l'accélération liée au mouvement.
Q : L'accélération absolue change-t-elle avec l'altitude ?
R : Oui, très légèrement. La valeur de g diminue avec l'altitude, mais la variation est trop faible pour être détectée par un smartphone en conditions scolaires ordinaires.
Q : Peut-on mesurer g avec l'accélération absolue ?
R : Oui. En posant le smartphone immobile sur une surface horizontale, l'accélération absolue mesurée correspond directement à la valeur locale de g.
Q : Pourquoi l'accélération absolue est-elle nulle en chute libre ?
R : En chute libre, le smartphone et son capteur tombent ensemble. Aucune force de contact ne s'exerce sur la masse d'épreuve du capteur, qui mesure donc zéro.