Force, poids et masse : ce que porte une nacelle

Force, poids et masse : ce que porte une nacelle

Qu'est-ce qu'une force ?

Une force est une action capable de mettre un objet en mouvement, de l'arrêter, de le dévier ou de le déformer. Pousser une brouette, tirer une corde, le vent sur une voile, l'aimant sur un clou : ce sont des forces. Une force a quatre caractéristiques : un point d'application, une direction, un sens et une intensité. On la représente par une flèche (un vecteur) et on la mesure en newtons (N) avec un dynamomètre, un ressort gradué.

Forces de contact (poussée, traction, frottement, réaction d'un support) et forces à distance (pesanteur, force magnétique, force électrique).

La masse

La masse d'un objet mesure la quantité de matière qu'il contient. Elle se mesure en kilogrammes avec une balance, et elle ne change pas avec le lieu : un sac de 25 kg a la même masse à Kinshasa, au sommet du Ruwenzori ou sur la Lune.

Le poids

Le poids est la force avec laquelle la Terre attire un objet : c'est une force, en newtons, dirigée vers le centre de la Terre (verticale, vers le bas). Il est proportionnel à la masse :

P = m × g

où g est l'intensité de la pesanteur, environ 9,8 N/kg sur Terre (on arrondit souvent à 10). Un élève de 40 kg pèse 40 × 9,8 = 392 N. Un litre d'eau (1 kg) pèse 9,8 N.

Le poids change avec le lieu : sur la Lune, g vaut 1,6 N/kg, et le même élève ne pèserait que 64 N, tout en gardant sa masse de 40 kg. Au sommet d'une haute montagne, g diminue très légèrement.

Dans le langage courant, « je pèse 40 kilos » confond les deux : la balance donne la masse, le poids est 392 N.

La charge d'une nacelle

Chaque nacelle de la Grande Roue est conçue pour une charge maximale de 280 kg (quatre passagers, soit quatre adultes de 70 kg). Son poids maximal de passagers est 280 × 9,8 = 2 744 N. La nacelle elle-même a une masse de 350 kg, soit 3 430 N. Le câble et l'axe qui la tiennent doivent donc supporter plus de 6 000 N par nacelle, et les ingénieurs multiplient par un coefficient de sécurité de 5 : chaque accroche est testée à 30 000 N.

Les 34 nacelles pleines représentent 34 × 630 kg = 21 420 kg, soit environ 210 000 N que la structure de la roue transmet au sol par ses pieds.

L'équilibre des forces

Un objet immobile subit des forces qui se compensent. Un sac posé sur une table : son poids (vers le bas) est équilibré par la réaction de la table (vers le haut), de même intensité. Une nacelle à l'arrêt : son poids est équilibré par la traction du câble. Quand la roue accélère au démarrage, la traction devient un peu plus grande que le poids : c'est la petite secousse qu'on sent.

Mesurer une force

Le dynamomètre s'allonge proportionnellement à la force : c'est la loi du ressort. Suspends un objet, lis le nombre de newtons, divise par 9,8 : tu as la masse. Un pèse-personne mesure en réalité une force (la réaction du plateau) et l'affiche en kilos en divisant par g.

À retenir

• Force : point d'application, direction, sens, intensité en newtons ; dynamomètre.
• Masse en kg (quantité de matière, invariable) ; poids en N (force de la Terre, variable).
• P = m × g, g ≈ 9,8 N/kg sur Terre, 1,6 N/kg sur la Lune.
• Une nacelle de 280 kg de passagers pèse 2 744 N ; coefficient de sécurité 5.