Pourquoi les objets tombent-ils vers la Terre selon la physique classique ?

Dans le cadre de la physique classique, la chute d’un objet s’explique par l’attraction gravitationnelle exercée par la Terre. Lorsqu’un objet est lâché près de la surface terrestre, et qu’aucun support ne le maintient, cette attraction modifie son mouvement et lui communique une accélération dirigée vers le centre de la Terre. Le sol n’attire donc pas les objets en tant que tel : il constitue la surface que l’objet finit par atteindre sous l’effet de la gravité.

La loi de la gravitation universelle

Isaac Newton décrit la gravitation comme une attraction réciproque entre deux masses. Chaque objet matériel attire tout autre objet matériel, même si cette attraction est généralement imperceptible entre des objets ordinaires. La force gravitationnelle dépend du produit des deux masses et diminue lorsque la distance qui les sépare augmente, selon l’inverse du carré de cette distance. La Terre, dont la masse est considérable, exerce ainsi sur les objets situés à proximité une force orientée approximativement vers son centre. L’objet attire lui aussi la Terre, mais la masse de notre planète est si grande que le mouvement qu’il lui communique est normalement négligeable à l’échelle courante.

Pourquoi les objets accélèrent-ils vers le bas ?

En mécanique classique, le mouvement d’un objet est relié à la force qui s’exerce sur lui par la relation entre force, masse et accélération. Pour un objet placé à une distance donnée du centre de la Terre, la force gravitationnelle est proportionnelle à sa masse. En divisant cette force par la masse de l’objet, on obtient une accélération qui, près de la surface terrestre, vaut environ 9,81 mètres par seconde carrée. La masse disparaît dans ce calcul : à conditions identiques, un objet lourd et un objet léger acquièrent donc la même accélération gravitationnelle dans le vide. Leurs poids, eux, sont différents, car le poids désigne la force gravitationnelle exercée sur chacun d’eux et augmente avec la masse.

Le rôle de l’air et des autres forces

Cette égalité de l’accélération concerne la chute libre, c’est-à-dire une situation où la gravité est la seule force importante qui agit sur l’objet. Dans l’atmosphère, l’air exerce une résistance qui dépend notamment de la forme, de la taille et de la vitesse de l’objet. Une plume peut ainsi tomber beaucoup plus lentement qu’une bille, non parce que la gravité l’attire moins, mais parce que la résistance de l’air freine davantage son mouvement. Dans le vide, cette différence disparaît : les deux objets subissent la même accélération, à condition d’être lâchés dans des conditions comparables.

L’objet maintenu et l’objet lâché

Un objet posé sur une table est lui aussi attiré vers le centre de la Terre, mais la table exerce sur lui une force de contact dirigée vers le haut. Ces forces se compensent lorsque l’objet reste immobile. Dès qu’on retire le support, la force gravitationnelle n’est plus compensée et l’objet accélère vers le bas. Cette direction correspond localement à la verticale, c’est-à-dire à la direction du centre de la Terre. Si l’objet possède déjà une vitesse horizontale ou oblique, sa trajectoire peut être une courbe plutôt qu’une simple ligne verticale, mais son accélération gravitationnelle reste orientée vers la Terre. La physique classique explique ainsi la chute par une force d’attraction universelle, proportionnelle à la masse de l’objet et exercée par la Terre.