Masse

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Cet article concerne le concept scientifique. Pour la substance de laquelle se composent tous les objets physiques, voir Matière. Pour d'autres utilisations, voir Masse (désambiguïsation).

La masse est à la fois une propriété d'un corps physique et une mesure de sa résistance à l'accélération (un changement de son état de mouvement) lorsqu'une force nette est appliquée.[1] Il détermine également la force de son attraction gravitationnelle mutuelle à d'autres corps. L'unité de masse SI est le kilogramme (kg). En physique, la masse n’est pas la même chose que le poids, même si la masse est souvent déterminée en mesurant le poids de l’objet à l’aide d’une balance à ressort, plutôt qu’une balance qui la compare directement aux masses connues. Un objet sur la Lune pèserait moins que sur Terre à cause de la gravité inférieure, mais il aurait quand même la même masse. C'est parce que le poids est une force, tandis que la masse est la propriété (avec la gravité) qui détermine la force de cette force.

En physique newtonienne, la masse peut être généralisée en quantité de matière dans un objet. Cependant, à des vitesses très élevées, la relativité spéciale affirme que l'énergie cinétique de son mouvement devient une source de masse additionnelle significative. Ainsi, tout corps stationnaire ayant une masse a une quantité d'énergie équivalente, et toutes les formes d'énergie résistent à l'accélération par une force et ont une attraction gravitationnelle. Dans la physique moderne, la matière n'est pas un concept fondamental parce que sa définition s'est révélée insaisissable.

Phénomènes

Il existe plusieurs phénomènes distincts qui peuvent être utilisés pour mesurer la masse. Bien que certains théoriciens aient spéculé que certains de ces phénomènes pouvaient être indépendants les uns des autres,[2] les expériences actuelles n'ont trouvé aucune différence dans les résultats, quelle que soit la façon dont elle est mesurée:

  • Masse inertielle mesure la résistance d'un objet à être accéléré par une force (représentée par la relation F = ma).
  • Masse gravitationnelle active mesure la force gravitationnelle exercée par un objet.
  • Masse gravitationnelle passive mesure la force gravitationnelle exercée sur un objet dans un champ gravitationnel connu.

La masse d'un objet détermine son accélération en présence d'une force appliquée. L'inertie et la masse inertielle décrivent les mêmes propriétés des corps physiques respectivement au niveau qualitatif et quantitatif, autrement dit, la masse décrit l'inertie de manière quantitative. Selon la deuxième loi de mouvement de Newton, si un corps de masse fixe m est soumis à une seule force F, son accélération une est donné par F/m. La masse d'un corps détermine également le degré auquel il génère ou est affecté par un champ gravitationnel. Si un premier corps de masse mUNE est placé à distance r (centre de masse au centre de masse) d'un second corps de masse mB, chaque corps est soumis à une force d'attraction Fg = GmUNEmB/r2, où g = 6.67×10−11 N kg−2 m2 est la "constante gravitationnelle universelle". Ceci est parfois appelé masse gravitationnelle.[note 1] Des expériences répétées depuis le 17ème siècle ont démontré que la masse inertielle et gravitationnelle sont identiques; depuis 1915, cette observation a été impliquée a priori dans le principe d'équivalence de la relativité générale.

Unités de masse

Informations supplémentaires: ordres de grandeur (masse)
Le kilogramme est l'une des sept unités de base du SI et l'une des trois qui est définie ad hoc (c'est-à-dire sans référence à une autre unité de base).

L'unité de masse standard du Système international d'unités (SI) est le kilogramme (kg). Le kilogramme est de 1000 grammes (g), d'abord défini en 1795 comme un décimètre cube d'eau au point de fusion de la glace. Puis, en 1889, le kilogramme a été redéfini en tant que masse du prototype international de kilogrammes et, en tant que tel, est indépendant du compteur ou des propriétés de l’eau. Toutefois, la masse du prototype international et ses copies nationales identiques se sont avérées dériver avec le temps. La redéfinition du kilogramme et de plusieurs autres unités devrait changer le 20 mai 2019, après un vote final de la CGPM en novembre 2018.[3] La nouvelle définition n'utilisera que des quantités invariantes de la nature: la vitesse de la lumière, la fréquence hyperfine du césium et la constante de Planck.[4]

D'autres unités sont acceptées pour une utilisation dans SI:

  • la tonne (t) (ou "tonne") est égale à 1000 kg.
  • l'électronvolt (eV) est une unité d'énergie, mais en raison de l'équivalence masse-énergie, il peut facilement être converti en une unité de masse et est souvent utilisé comme une unité. Dans ce contexte, la masse a des unités de eV /c2 (où c est la vitesse de la lumière). L'électronvolt et ses multiples, tels que le MeV (mégaélectronvolt), sont couramment utilisés en physique des particules.
  • l'unité de masse atomique (u) est 1/12 de la masse d'un atome de carbone 12, soit environ 1,66×10−27 kg.[note 2] L'unité de masse atomique est pratique pour exprimer les masses d'atomes et de molécules.

En dehors du système SI, les autres unités de masse comprennent:

  • la limace (sl) est une unité de masse impériale (environ 14,6 kg).
  • la livre (lb) est une unité à la fois de masse et de force, utilisée principalement aux États-Unis (environ 0,45 kg ou 4,5 N). Dans les contextes scientifiques où la livre (force) et la livre (masse) doivent être distinguées, les unités SI sont généralement utilisées à la place.
  • la masse de Planck (mP) est la masse maximale des particules ponctuelles (environ 2,18×10−8 kg). Il est utilisé en physique des particules.
  • la masse solaire (M) est définie comme la masse du soleil. Il est principalement utilisé en astronomie pour comparer de grandes masses telles que les étoiles ou les galaxies (.991.99×1030 kg).
  • la masse d'une très petite particule peut être identifiée par sa longueur d'onde Compton inverse (1 cm−13.52×10−41 kg).
  • la masse d'une très grande étoile ou trou noir peut être identifiée avec son rayon de Schwarzschild (1 cm ≈ 6.73×1024 kg).

Définitions de masse

La relation entre les propriétés de la masse et leurs constantes physiques associées. On pense que chaque objet massif présente les cinq propriétés. Cependant, en raison de constantes extrêmement grandes ou extrêmement petites, il est généralement impossible de vérifier plus de deux ou trois propriétés pour n'importe quel objet.
  • Le rayon de Schwarzschild (rs) représente la capacité de la masse à provoquer une courbure dans l'espace et dans le temps.
  • Le paramètre gravitationnel standard (μ) représente la capacité d'un corps massif à exercer des forces gravitationnelles newtoniennes sur d'autres corps.
  • Masse inertielle (m) représente la réponse newtonienne de la masse aux forces.
  • Repos énergie (E0) représente la capacité de la masse à être convertie en d'autres formes d'énergie.
  • La longueur d'onde Compton (λ) représente la réponse quantique de la masse à la géométrie locale.

En sciences physiques, on peut distinguer conceptuellement entre au moins sept aspects différents Masse, ou sept notions physiques qui impliquent le concept de Masse.[5] Chaque expérience à ce jour a montré que ces sept valeurs étaient proportionnelles et, dans certains cas, égales, et cette proportionnalité donne naissance au concept abstrait de la masse. Il y a un certain nombre de façons dont la masse peut être mesurée ou définie opérationnellement:

  • La masse inertielle est une mesure de la résistance d'un objet à l'accélération lorsqu'une force est appliquée. Il est déterminé en appliquant une force à un objet et en mesurant l'accélération qui résulte de cette force. Un objet avec une petite masse inertielle accélèrera plus qu'un objet avec une grande masse inertielle lorsqu'il est agi par la même force. On dit que le corps de plus grande masse a une plus grande inertie.
  • Masse gravitationnelle active[note 3] est une mesure de la force du flux gravitationnel d'un objet (le flux gravitationnel est égal à l'intégrale de surface du champ gravitationnel sur une surface englobante). Le champ gravitationnel peut être mesuré en permettant à un petit "objet de test" de tomber librement et de mesurer son accélération en chute libre. Par exemple, un objet en chute libre près de la Lune est soumis à un champ gravitationnel plus petit, et donc accélère plus lentement, que le même objet s'il se trouvait en chute libre près de la Terre. Le champ gravitationnel près de la Lune est plus faible parce que la Lune a une masse gravitationnelle moins active.
  • La masse gravitationnelle passive est une mesure de la force de l'interaction d'un objet avec un champ gravitationnel. La masse gravitationnelle passive est déterminée en divisant le poids d'un objet par son accélération en chute libre. Deux objets dans le même champ gravitationnel connaîtront la même accélération; cependant, l'objet avec une masse gravitationnelle passive plus petite subira une force plus petite (moins de poids) que l'objet avec une masse gravitationnelle passive plus grande.
  • L'énergie a aussi une masse selon le principe de l'équivalence masse-énergie. Cette équivalence est illustrée par un grand nombre de processus physiques, y compris
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