Microgravité dans l'ISS : vraiment ?

L'objet du débat

Nous avons tous vu Thomas Pesquet et ses confrères astronautes flotter dans la station spatiale internationale (l'ISS), ainsi que les objets non arrimés autour d'eux. Ils semblaient ne plus rien "peser". D'ailleurs, la presse spécialisée ou non, relate cette situation en écrivant des choses curieuses. Par exemple, lu sur les sites :

Si l'on en croit ces articles, et de nombreux autres, le champ gravitationnel terrestre n'existerait plus ou alors serait très réduit dans l'ISS. Thomas Pesquet dit même que dans l'ISS on élimine la gravité... La vulgarisation est nécessaire mais elle a des limites !

Voyons ce qu'il faut en penser !

Le champ gravitationnel terrestre dans l'ISS

Il est très facile de calculer le module du champ gravitationnel terrestre à partir de la célèbre formule de Newton. Nous avons déjà traité ce sujet sur cette page de TangenteX.com. Rappelons que l'expression du module de ce champ est \( g(d) = \dfrac{GM}{d^2} \) avec G la constante de gravitation universelle (6,673 10^-11 USI), M la masse de la Terre (5,98 10^24 kg) et d la distance entre un point quelconque (hors centre de gravité de la Terre) du champ et le centre de gravité de la Terre.

A la surface de la Terre, avec donc d = R et R = 6,378 10^6 m, le calcul nous donne un module de g égal à 9,81 N/kg. Ce n'est pas une surprise, vous connaissez tous cette valeur par coeur !

Essayons maintenant de calculer la valeur du champ de gravitation terrestre dans l'ISS. Les données techniques du vol de l'ISS nous indiquent que son altitude minimum par rapport à la surface de la Terre est de 330 km (3,30.10^5 m) et son altitude maximum est de 420 km (4,20.10^5 m).

Calculons donc g(d) pour d = R + 3,30 10^5 m. Ma HP 35 préférée me donne g = 8,87 N/kg . La même pour d = R + 4,20 10^5 m me donne g = 8,63 N/m.

Ainsi donc le champ gravitationnel terrestre dans l'ISS varie entre 8,63 et 8,87 N/kg, soit environ 90% de la valeur du champ gravitationnel mesurée à la surface de la Terre. Microgravité dites vous ???

Je ne sais pas comment l'auteur de Science et Avenir fait son calcul, mais il y a comme un bug... Refaites donc le calcul 10 fois ou cherchez la faille de raisonnement : bon courage !

D'ailleurs, il est heureux que le champ gravitationnel terrestre soit aussi puissant à 400 km d'altitude ! Sinon, comment l'ISS pourrait-elle bien rester en orbite autour de la Terre ? Il est grand temps de revenir aux fondamentaux de la mécanique newtonienne !

Pourquoi les objets flottent dans l'ISS

Bon d'accord, le champs gravitationnel terrestre dans l'ISS n'est guère différent de celui qui règne sur le plancher des vaches, mais que je sache, nous ne flottons pas dans l'air ici ! Or, nous voyons tous les astronautes flotter dans l'ISS ! Pourquoi ?

Il faut en revenir à la mécanique newtonienne de base, celle qu'essaye ou a essayé de vous enseigner votre professeur de physique de Première. Et plus spécialement sur le mouvement dans un champ de gravitation.

Imaginons l'ISS qui vole autour de la Terre à un instant quelconque. La première loi de Newton, le principe d'inertie, voudrait que l'ISS suive une trajectoire droite à vitesse constante, c'est à dire une trajectoire tangente à son orbite. Oui, mais la loi de gravitation du même Newton intervient : elle dit que l'ISS est attirée vers la Terre selon une droite qui relie la position de l'ISS et le centre de la Terre.

En somme l'ISS tombe sur la Terre comme bêtement n'importe quel objet lâché dans le champ gravitationnel terrestre tombe vers le centre de la Terre. La forme circulaire (quasi-circulaire en fait) de son orbite résulte de la composition de ces deux mouvements, le mouvement tangentiel et la chute vers la Terre.

L'ISS est en chute libre vers la Terre, continuement tant qu'elle orbite autour de cette dernière. Et avec elle, tout les objets qui sont sur la même orbite, la brosse à dents de Thomas Pesquet par exemple.

Et là, je vais faire appel à une loi fondamentale de la physique, encore plus vieille que les lois de Newton : la loi sur la chutes des corps de Galilée. Dans le vide, plusieurs corps qui tombent dans un champ gravitationnel tombent à la même vitesse. Imaginez une cabine d'ascenceur (l'expérience de pensée super classique) et son contenu : passagers, cartables, iphones, etc. Si vous coupez le câble et que la cabine chute, pendant la chute tous les objets vont "tomber" à la même vitesse, en oubliant la resistance de l'air et autres frottements. Ils sembleront flotter dans la cabine pendant la chute. Les vols paraboliques qu'évoque le site de la Cité des Sciences réalisent précisément cette chute libre dans la branche descendante de la parabole du vol.

En résumé, l'ISS et son contenu sont en chute libre dans le champ gravitationnel terrestre. Tous les objets, astronautes et brosse à dent, tombent à la même vitesse. Dans le référentiel local de l'ISS, tous ces objets semblent immobiles : ils flottent ! Evidemment, si vous vous placez dans un autre référentiel, par exemple un référentiel géocentrique, le mouvement sera tout autre...

Le flottement ne s'explique pas par une microgravité très très relative (90% du champ à la surface du sol) mais par la physique de la chute libre dans un champ gravitationnel.

Dernier point : au lieu de parler de microgravité, qui n'est pas approprié sauf lorsqu'on est très éloigné de toute masse, il faut parler d'impesanteur. Cet état caractérise le fait que dans un référentiel en chute libre, les lois de physique s'appliquent comme si le référentiel était au repos, sans accélération par la gravité ou autre. Einstein a montré qu'il n'existe pas d'expérience de physique pour distinguer un référentiel en chute libre d'un référentiel non soumis à la gravité.

En conclusion

L'impesanteur qui règne dans l'ISS n'a rien à voir avec une éventuelle microgravité, qui n'existe pas à 400 km d'altitude. Plus prosaïquement, l'ISS tombe dans le champ de gravité terrestre, comme tous les satellites de la Terre, y compris la Lune. Il est parfois utile de revenir aux lois de base de la physique...

Lorsque vous lisez des journaux ou des sites internet, même spécialisés, faites fonctionner votre sens critique. Ne vous fiez pas aux arguments d'autorité.


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