12 Avril 2023

Tours de chute libre (1987-2001)

L'expérience de la Tour de Pise faite dans de grandes tours où règne le vide

Sur Terre, pour «rechercher ce qui arriverait à des mobiles de poids très différents dans un milieu où la résistance serait nulle», comme le préconisait Galilée, on peut imaginer de longs tubes verticaux où l'on ferait le vide. Dans ces tours de chute libre, l'accélération d'un corps est uniquement due à la pesanteur.

Ainsi, pour une hauteur de tour donnée h, on calcule que le temps de chute libre est (2h/g)(1/2), où g est l'accélération de la pesanteur, environ 9,8 mètres par seconde carré. Une simple application numérique montre que pour une tour de 110 mètres de hauteur, le temps de chute libre est de 4,74 secondes. Cette hauteur est précisément celle de la tour de chute libre installée à l'Université de Brême, en Allemagne (photo de droite).

Dans cette installation soutenue par l'Agence spatiale européenne règne un «bon vide», ce qui permet notamment de tester des satellites dans des conditions de micropesanteur. En pratique, pour faire des tests de l'universalité de la chute libre, on ne procède pas comme l'imaginait Galilée, en lâchant deux masses l'une à côté de l'autre, mais en faisant chuter les deux masses d'épreuves, en forme de cylindres creux, emboîtées l'une dans l'autre. Cette disposition permet de s'assurer qu'au moment où on lâche les masses, leurs centres de gravité coïncident le mieux possible. La position relative des masses est mesurée par des dispositifs très précis. Si l'une des masses arrive en bas avant l'autre, c'est que l'universalité de la chute libre n'est pas vérifiée.

Par de telles expériences, l'universalité de la chute libre a été testée avec une précision relative de 10-10 en 1987. La durée de la chute libre limite cette précision. En mode catapulte (en lançant la capsule du bas de la tour), on peut doubler cette durée et arriver à une dizaine de secondes, ce qui n'est guère mieux. Toutefois, en optimisant toutes les perturbations, dont l'une des principales est le positionnement relatif des centres de masse des corps dont on veut chronométrer la chute libre, en répétant plusieurs fois l'expérience – comme Galilée proposait de répéter des courtes descentes –, les physiciens espèrent cumuler suffisamment de temps de chute libre pour atteindre une mesure toujours plus précise.