Comment déterminer la masse d’un objet en impesanteur ?

, par Fabrice Gély

Dans la station spatiale internationale, les astronautes ne ressentent plus l’effet de la pesanteur, ils « flottent » sans être attirés vers le sol de la station. Dans ces conditions, comment leur serait-il possible de peser un objet, ou de se peser eux-mêmes ? Dans l’espace, les balances traditionnelles semblent dépourvues d’intérêt.

Cette constatation peut constituer une intéressante “situation déclenchante” à l’adresse, par exemple, d’élèves de seconde ou de terminale S. L’utilisation (et/ou la construction) d’une balance inertielle constituée d’une fine lame de scie à métaux, à laquelle est reliée une boite de pellicule photographique, apportera des éléments de réponse.

Le film ci-après montre la fabrication d’une balance inertielle, dont l’idée originale a été empruntée au site internet de la Nasa. Il détaille par ailleurs la manière d’étalonner cette balance, et la façon de l’utiliser pour déterminer la valeur d’une masse inconnue.

(il est conseillé de visualiser cette vidéo en mode “plein écran”)

La particularité de cette balance réside dans le fait que son fonctionnement ne présuppose pas la présence de la force de gravité. Pour s’en convaincre, songer au fait que la direction du poids de l’objet reste perpendiculaire au mouvement de la balance ; on peut ainsi considérer que son influence est nulle.

Utilisation en classe de seconde

Le fonctionnement de la balance inertielle emprunte au concept d’inertie (plus la masse d’un objet est grande, plus il est difficile de le mettre en mouvement, ou de modifier son mouvement). Par ailleurs, son utilisation fait référence au poids et à la gravitation. Enfin, en l’utilisant, nous mesurons des durées d’oscillations et nous pouvons aborder la question de la précision des mesures de temps.

Toutefois, il semble délicat d’évoquer la relation affine entre la masse et le carré de la durée des oscillations en s’appuyant sur le classique système solide ; ressort , comme cela est fait dans la vidéo. Tracer des points (m ; t), à l’inverse, prend tout son sens en classe de seconde. Pour des valeurs de masse réduites, les points (m ; t) sont quasiment alignés ; le modèle t = a m + b est donc largement adapté. C’est d’ailleurs ce modèle-ci qui est préconisé sur le site internet de la Nasa à destination des enseignants. Les durées t sont mesurées à l’aide d’un chronomètre et sans utilisation de la caméra.

Une séance de travaux pratiques (1h30) est téléchargeable ici :

2de - balance inertielle (format doc)

2de - balance inertielle (format pdf)