Plume contre marteau : qui touche le sol en premier ? Le marteau, évidemment. Sauf qu'en 1971, sur la Lune, un astronaute a rejoué le match devant les caméras… et il s'est terminé sur un match nul parfait. Le coupable de tous nos malentendus ? L'air.
Deux mille ans d'erreur, en toute bonne foi
Au IVe siècle avant notre ère, le philosophe grec Aristote affirme, en gros, que les objets lourds tombent plus vite que les légers. Difficile de lui en vouloir : lâche une pierre et une feuille morte, la pierre tombe comme… une pierre, et la feuille prend son temps en dansant la valse. L'idée va régner pendant près de deux mille ans. Petit problème : notre quotidien se déroule dans l'air, et l'air est un arbitre très partial.
Galilée, la tour de Pise… et une église hollandaise
Au début du XVIIe siècle, Galilée conteste Aristote. La légende raconte qu'il aurait lâché des boulets du haut de la tour de Pise ; les historiens y voient surtout une belle histoire racontée après coup. Ses vraies expériences sont plus malignes : il fait rouler des billes sur des plans inclinés, qui ralentissent la chute et la rendent mesurable. Verdict : en 2 secondes, on parcourt 4 fois plus de chemin qu'en 1 seconde ; en 3 secondes, 9 fois plus.
Galilée a aussi un argument de logique imparable. Attache une pierre lourde à une légère. Si Aristote a raison, la légère devrait freiner la lourde, et le duo tomber moins vite que la lourde seule. Mais le duo est plus lourd, donc il devrait tomber plus vite ! Contradiction. Seule issue : sans air, tout tombe de la même façon. Aristote, KO technique.
Apollo 15 : le match nul le plus célèbre de l'histoire
2 août 1971, fin de la dernière sortie sur la Lune de la mission Apollo 15. Le commandant David Scott se plante devant la caméra avec un marteau de géologue de 1,32 kg dans une main et une plume de faucon dans l'autre, clin d'œil au nom de son module lunaire, Falcon (« faucon » en anglais). Il lâche les deux d'environ 1,6 m de haut. Ils touchent le sol au même instant. Scott, ravi, conclut que « monsieur Galilée avait raison ».
Pourquoi ça marche là-haut ? La Lune n'a pratiquement pas d'atmosphère : pas d'air, pas de frottement, juste la gravité. La chute dure environ 1,4 s (contre 0,6 s sur Terre, car la pesanteur lunaire est six fois plus faible), mais exactement autant pour les deux objets. Sans air, d'ailleurs, pas de parachute : pour te poser, il faudra freiner au moteur dans notre jeu d'alunissage.
Pourquoi la masse ne compte pas
Un objet deux fois plus lourd est attiré deux fois plus fort, c'est vrai. Mais il est aussi deux fois plus « flemmard » à mettre en mouvement : c'est son inertie. Les deux effets s'annulent pile. Avec la deuxième loi de Newton, cette histoire tient en une ligne :
m × a = m × g donc a = g
La masse m apparaît des deux côtés… et se simplifie. Il reste g, l'accélération de la pesanteur : 9,81 m/s2 sur Terre, 1,62 m/s2 sur la Lune. Sur Terre et sans air, n'importe quel objet lâché parcourt environ 5 m en 1 seconde, 20 m en 2 secondes et 44 m en 3 secondes : revoilà les carrés de Galilée. Tomber en ne subissant que son poids, c'est la chute libre, au programme de physique-chimie de Terminale. Lancé au lieu d'être lâché, l'objet garde la même accélération, mais sa trajectoire se courbe en parabole : teste-le avec notre jeu de la catapulte.
Pour voir ça bouger : l'animation du tir parabolique.
Sur Terre, l'air triche
Dans l'air, un objet qui tombe subit en plus une force de frottement, dirigée vers le haut, qui grandit avec la vitesse et dépend énormément de la forme. Pour le marteau, sur un mètre ou deux, ce frottement est ridicule devant son poids. Pour la plume, c'est l'inverse : presque pas de poids, mais beaucoup de surface. L'air la freine presque tout de suite. Ce qui compte n'est donc pas la masse en elle-même, mais le rapport entre le frottement et le poids.
Et si on retire carrément l'air ? En 2014, le physicien Brian Cox a lâché une boule de bowling et des plumes dans la plus grande chambre à vide du monde, à la NASA. Une fois l'air pompé, les plumes tombent comme des pierres, pile avec la boule. La vidéo est hypnotisante.
Le parachutiste, champion du freinage
Juste après le saut, l'air freine à peine : le parachutiste accélère presque comme en chute libre. Mais plus il va vite, plus l'air le freine. Au bout d'une dizaine de secondes, le frottement égale le poids : les forces se compensent, et la vitesse ne bouge plus. C'est la vitesse limite, environ 200 km/h à plat ventre. Quand la voile s'ouvre, le frottement explose : il ralentit d'un coup, puis se stabilise vers une vingtaine de km/h. Joli paradoxe : la « chute libre » des parachutistes n'en est pas une pour un physicien, puisque l'air y joue le premier rôle !
Pour voir ça bouger : l'animation de la chute avec frottements.
Si tu ne retiens qu'une chose
Sans air, une plume et un marteau tombent exactement ensemble : la masse ne change rien à la chute. Si la plume traîne sur Terre, ce n'est pas la gravité qui fait du favoritisme : c'est l'air qui la freine.
Pour aller plus loin
- The Apollo 15 Hammer-Feather Drop (NASA, en anglais)
- Chute libre (physique), Wikipédia
- Cours, fiches et exercices corrigés : physique-chimie de Seconde et physique-chimie de Terminale.
Soufiane ISMAILI ALAOUI — ingénieur diplômé de l'INSA Lyon, passé par les classes préparatoires MP, professeur de mathématiques et de physique-chimie. Il donne des cours particuliers à domicile en Île-de-France et en ligne. Découvrir son parcours
