La masse d’un corps ? Tout le monde sait ce que c’est : il s’agit de son poids !
En fait non : le poids est la force qui nous maintient sur la Terre, grâce à la gravité. Si l’on était sur la Lune, l’accélération de la pesanteur étant moins grande, notre poids serait moins important. En revanche, notre corps n’ayant en rien changé, notre masse reste identique.
La masse est lié au poids (de façon linéaire et constante par l’accélération de la pesanteur) mais ce sont bien des choses différentes.
Certains diront qu’il s’agit de la quantité de matière d’un objet, son nombre d’atomes.
Ainsi, on remarque qu’un petit caillou a une masse plus faible qu’une grosse pierre. Si la remarque est juste, l’analogie ne l’est pas tout à fait si l’on regarde à l’échelle atomique : un atome de carbone 12 : (6 neutrons + 6 protons + 6 électrons pesant 12,000 u) pèse moins lourd que 3 atomes d’hélium 4 (ayant au total 6 neutrons + 6 protons + 6 électrons pesant 12,007 u), la différence venant du regroupement des particules : une partie de la masse est devenue de l’énergie qui colle les particules entre elles dans le carbone.
Dans la suite, je vais vous donner la définition actuelle de la masse d’un corps. Les définitions en fait, car il y en a deux.
La masse inerte associée à un objet, est une grandeur qui pousse cet objet à résister à sa mise en mouvement.
Voyons cela par un exemple.
Prenez un ballon de football et donnez un coup de pied dedans : il est facile d’envoyer le ballon à l’autre bout du terrain, non ? Maintenant, prenez un rocher de la même taille ; si vous donniez un coup de pied dedans, je rocher ne bougera pas ou — au mieux — un tout petit peu.
À présent, faisons l’expérience inverse : faites rouler le ballon et le rocher par terre à la même vitesse et essayez de les stopper. Le ballon sera immobilisé sans difficultés, alors que la pierre sera beaucoup plus dur à arrêter.
La masse, c’est donc la grandeur qui va déterminer la force nécessaire pour mettre un corps en mouvement, ou opposer au mouvement du corps (les deux choses étant en fait identiques : modifier la vitesse du corps) : un objet léger sera plus facilement mis en mouvement ou arrêté qu’un objet lourd.
C’est ça, la masse : le coefficient qui quantifie la difficulté pour une force extérieure à modifier la vitesse d’un corps.
Cette définition de la masse vient du principe d’inertie : un corps en mouvement continuera son mouvement en ligne droite, tant qu’une force ne vient pas s’y opposer.
Cette masse, venant de la définition du principe d’inertie se nomme donc « masse inerte ».
Il existe une seconde définition de la masse, que vous connaissez également. Mais si ! Quel est le plus lourd entre un kilogramme de plomb et un kilogramme de plumes ? Aucun, bien-sûr !
Mais pourquoi ?
La réponse réside avec la gravité : tous les deux sont aussi lourds, et donc aussi simples à soulever. Autrement dit, les deux subissent la même attraction de la part de la Terre.
Dans le même temps, la Terre subit la même attraction de la part du kilogramme de plomb que depuis le kilogramme de plumes.
Pour un exemple plus parlant : la Terre toute entière génère une accélération de pesanteur de 9,81 m⋅s-2. Si on prenait une étoile à neutrons de seulement 40 mètres de rayon (alors que la Terre a un rayon de 6 400 000 mètres), alors l’accélération de pesanteur à la surface de cette étoile serait identique.
Autrement dit, une étoile à neutron de 40 mètres de rayon génère un champ gravitationnel identique que la Terre de rayon 6 400 000 mètres.
Et c’est bien ça, la masse : la contribution à une force de gravitation.
Cette notion de masse là est nommée « masse grave », car elle vient du principe de gravitation.
Ces deux définitions de la masse (masse inerte et masse grave) sont bien différentes, car pouvant être définies et expliquées indépendamment, mais la nature a parfaitement joué son coup : expérimentalement on a constaté que les deux masses sont égales (les mesures les plus précises donne des égalités au milliardième du milliardième près !
Il s’agit du principe d’équivalence dit faible (oui, il y en a d’autres, des principes d’équivalences en physique).
C’est grâce à lui qu’on peut confondre la masse inertielle et la masse grave et l’appeler tout simple « masse » d’un corps.
La masse est donc une seule grandeur qui a deux définitions (et deux conséquences) : une liée la soumission au champ de gravitation, et une liée à la résistance à la mise en mouvement.