La loi de la chute libre par Galileo Galilei établit que la distance parcourue par un corps libéré librement d'une certaine hauteur est proportionnelle au carré du temps mis pour le parcourir.
Et comme le temps ne dépend que de la hauteur, tous les corps heurtent le sol en même temps, quelle que soit leur masse, lorsqu'ils tombent de la même hauteur..
Galileo, l'un des scientifiques les plus brillants de tous les temps, est né dans la ville italienne de Pise en 1564.
À cette époque, les croyances aristotéliciennes sur la nature du mouvement étaient partagées par la plupart de la communauté scientifique. Aristote (384-322 av.J.-C.) était un penseur grec ancien remarquable, qui avait incarné ses croyances sur la science dans les 200 œuvres qu'il aurait écrites au cours de sa vie entière..
Seuls 31 de ces ouvrages ont survécu à ce jour, et le philosophe grec y a expliqué sa vision de la nature, connue sous le nom de Physique aristotélicienne. L'un de ses postulats est le suivant: lorsque deux corps tombent d'une hauteur égale, le plus lourd atteint toujours le sol en premier..
Galilée a mis cette croyance de longue date à l'épreuve et a ainsi commencé le développement de la science basée sur l'expérimentation, une révolution qui a conduit l'humanité à faire ses premiers pas en dehors de la Terre et a étendu l'univers connu à une taille insoupçonnée..
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Aujourd'hui, on nous apprend que tous les objets, quelle que soit leur masse, atteignent le sol en même temps lorsqu'ils sont lâchés d'une certaine hauteur. En effet, tous sans exception, se déplacent avec la même accélération: celle de la gravité. Bien sûr, tant que la résistance de l'air est négligée.
On peut le vérifier en faisant tomber simultanément et de la même hauteur un objet lourd et un objet léger, par exemple une pierre et une feuille de papier froissée, et on verra comment ils atteignent le sol en même temps..
Galilée était déterminé à tester les croyances aristotéliciennes par une expérimentation minutieuse et un développement mathématique. La légende prétend qu'il a laissé tomber des objets du haut de la célèbre tour penchée de Pise, mesurant le temps qu'il a fallu à chacun pour tomber..
Il est douteux que Galilée ait expressément grimpé au sommet de la tour à cet effet, car de toute façon la mesure précise d'un temps aussi court - environ 3,4 s - avec les horloges de l'époque n'était pas possible..
Mais on dit qu'à une occasion, Galilée a rassemblé de nombreuses personnes au pied de la tour pour vérifier par eux-mêmes qu'en fait, deux corps de masses différentes atteignaient le sol en même temps..
Cependant, le physicien italien a enregistré dans ses livres d'autres expériences pour étudier le mouvement et ainsi découvrir comment les choses bougent..
Parmi ceux-ci sont ceux du pendule simple, qui consiste à suspendre une masse à une corde légère et à la laisser osciller et même certains dans lesquels il a essayé de mesurer la vitesse de la lumière (sans succès).
Parmi les nombreuses expériences de Galilée, il en fut une dans laquelle il utilisa un pendule, auquel il plaça un clou à un point intermédiaire entre le début du mouvement et la position la plus basse..
Avec cela, il avait l'intention de tronquer le pendule, c'est-à-dire de le raccourcir. Une fois que le pendule atteint le clou, il est ramené au point de départ, ce qui signifie que la vitesse du pendule ne dépend que de la hauteur à partir de laquelle il a été libéré, et non de la masse qui pendait au pendule.
Cette expérience l'a inspiré à la suivante, l'une des plus remarquables réalisée par le grand physicien et par laquelle il a établi les principes de la cinématique..
L'expérience qui a conduit Galilée à formuler la loi de la chute libre était celle du plan incliné, sur lequel il a laissé rouler des sphères de plomb de différentes hauteurs et avec des inclinaisons différentes. Il a également essayé de pousser les sphères vers le haut et de mesurer la hauteur qu'elles atteignaient..
Ainsi, il a montré que tous les corps tombent avec la même accélération tant que le frottement n'intervient pas. C'est une situation idéale, car la friction ne disparaît jamais complètement. Cependant, un plan incliné de bois poli est une bonne approximation..
Pourquoi Galilée a-t-il décidé d'utiliser un plan incliné s'il voulait voir comment les corps tombaient?
Très simple: car il n'y avait pas d'horloges appropriées pour mesurer avec précision le temps de chute. Puis il a eu une idée géniale: ralentir cette chute, "lisser" la gravité à travers un appareil.
Galilée a exécuté la séquence suivante et l'a répétée «une centaine de fois» pour être sûr, comme il l'a déclaré dans son livre Dialogues sur deux nouvelles sciences:
-Il a pris un avion en bois poli d'environ 7 m de long, qu'il avait commandé à un charpentier, et l'a placé avec un certain angle d'inclinaison pas très grand..
-Il a laissé une sphère rouler en descente à une certaine distance.
-Temps de trajet mesuré.
-Il a répété ce qui précède avec des inclinations croissantes.
Galileo a observé que quel que soit l'angle d'inclinaison:
-La vitesse de la sphère a augmenté à un taux constant - l'accélération-.
-La distance parcourue était proportionnelle au carré du temps passé.
Et il a conclu que ce serait également vrai si la rampe était verticale, ce qui équivaut certainement à une chute libre..
Si d est la distance et t est le temps, l'observation de Galilée, sous forme mathématique, peut être résumée comme suit:
d ∝ tdeux
On sait aujourd'hui que la constante de proportionnalité nécessaire pour établir l'égalité est ½ g, où g est la valeur de l'accélération de la pesanteur, pour obtenir:
d = ½ gtdeux
La valeur acceptée de g aujourd'hui est de 9,81 m / sdeux.
Galileo a non seulement laissé les sphères rouler dans l'avion, mais il a également fait face à deux plans inclinés pour voir jusqu'où une sphère était autorisée à glisser..
Et il a constaté que la sphère avait réussi à s'élever à la même hauteur d'où elle était partie. Ensuite, l'angle d'inclinaison du deuxième plan diminuait, comme le montre la figure ci-dessous, jusqu'à ce qu'il soit complètement horizontal.
Dans tous les cas, la sphère a atteint une hauteur similaire au point de départ. Et lorsque le deuxième plan tournait à l'horizontale, la sphère pouvait se déplacer indéfiniment, à moins que le frottement ne la ralentisse peu à peu..
Galileo est considéré, avec Isaac Newton, le père de la physique. Voici quelques-unes des contributions à la science de ses expériences:
-Le concept d'accélération, fondamental dans l'étude de la cinématique des corps, de cette manière Galilée posa les bases du mouvement accéléré, et avec elle celles de la mécanique, qu'Isaac Newton renforcera plus tard avec ses trois lois.
-Il a également souligné l'importance de la force de friction, une force qu'Aristote n'avait jamais envisagée..
-Galilée a montré que l'action continue d'une force n'est pas nécessaire pour maintenir le mouvement d'un corps, car en l'absence de frottement, la sphère continue à se déplacer indéfiniment le long de la surface du plan..
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