En 1798, le scientifique Henry Cavendish a mené des expériences avec des sphères dans une pièce sombre et scellée et a calculé une densité approximative de la Terre.
Terre et Lune. Photo : NASA
À la fin du XVIIe siècle, le scientifique Isaac Newton a proposé la loi de la gravitation universelle : chaque particule attire toutes les autres particules de l’univers avec une force (F) déterminée par sa masse (M) et le carré de la distance entre les centres des objets (R). G étant la constante gravitationnelle, l’équation de cette loi est : F = G(M1xM2/ R2 ).
Ainsi, si l'on connaît la masse de l'un des objets et l'autre information de l'équation, on peut calculer la masse du second. En supposant qu'une personne connaisse sa masse, elle peut calculer la masse de la Terre si elle connaît sa distance par rapport au centre de la Terre. Le problème est qu'à l'époque de Newton, les scientifiques n'avaient pas encore déterminé la force G ; peser la Terre était donc impossible.
Connaître la masse et la densité de la Terre serait extrêmement utile aux astronomes, car cela leur permettrait de calculer celles des autres objets du Système solaire. En 1772, la Royal Society de Londres créa le « Comité de gravitation » pour étudier cette question.
En 1774, un groupe d'experts tenta de mesurer la densité moyenne de la Terre à travers le mont Schiehallion, en Écosse. Ils découvrirent que la masse massive du mont Schiehallion attirait les pendules vers lui. Ils calculèrent donc la densité de la Terre en mesurant le mouvement du pendule et en observant la montagne. Cependant, cette mesure manquait de précision.
Illustration du scientifique Henry Cavendish et de son dispositif expérimental « pesant » la Terre. Photo : Wikimedia
Le géologue révérend John Michell a également étudié la masse de la Terre, mais n'a pu la terminer avant sa mort. Le scientifique anglais Henry Cavendish a utilisé l'équipement de Michell pour réaliser l'expérience.
Il construisit un grand poids, composé de deux sphères de plomb de 5 cm de large, fixées aux extrémités d'une tige de bois de 183 cm de long. La tige était suspendue à une ficelle en son centre et pouvait tourner librement. Un second poids, composé de deux sphères de plomb de 30 cm de large, pesant 159 kg chacune, était ensuite rapproché du premier, de sorte que les plus grandes sphères attiraient les plus petites, exerçant ainsi une légère force sur la tige suspendue. Cavendish observa la tige osciller pendant des heures.
L'attraction gravitationnelle entre les sphères était si faible que le moindre courant d'air aurait pu ruiner cette expérience délicate. Cavendish plaça l'appareil dans une chambre hermétique pour éviter les courants d'air extérieurs. Il utilisa un télescope pour observer l'expérience à travers une fenêtre et installa un système de poulies pour déplacer les poids depuis l'extérieur. La chambre fut maintenue dans l'obscurité afin d'éviter les différences de température entre les différentes parties, susceptibles d'affecter l'expérience.
En juin 1798, Cavendish publia ses résultats dans la revue Transactions of the Royal Society , dans une étude intitulée « Expériences sur la détermination de la densité de la Terre ». Il affirma que la densité de la Terre était 5,48 fois celle de l'eau, soit 5,48 g/cm³, très proche de la valeur actuelle de 5,51 g/cm³.
L'expérience de Cavendish a été importante non seulement pour mesurer la densité et la masse de la Terre (estimées à 5,974 quadrillions de kilogrammes), mais aussi pour démontrer que la loi de la gravitation universelle de Newton est également valable à des échelles bien plus petites que celle du Système solaire. Depuis la fin du XIXe siècle, des versions améliorées de l'expérience de Cavendish sont utilisées pour déterminer la force G.
Thu Thao (selon IFL Science , APS )
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