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Physique : Sci-Fi grave

Posté par polka (invité) 26-04-07 à 14:15

Science fiction gravitationnelle :

Supposons quelque part dans l'espace en dehors de toute influence gravitationnelle une planète assez semblable à la Terre (diamètre 13000km, masse 6*10**24kg constituée de roches de densité idéalement uniforme). La seule différence par rapport à la Terre, c'est que cette planète est creuse : son manteau rocheux est délimité par deux sphères concentriques : la surface externe est une sphère de diamètre 13000km et la surface interne est une sphère de diamètre 10000km.

S'il y a des habitants à la surface externe, du point de vue de la gravitation, que ressentent-ils ?

S'il y a des habitants à l'intérieur, quel est leur sort ?

Si autour de cette planète gravite un satellite semblable à notre Lune (diamètre 7000km, masse 7*10**22kg), comment se comporte-t-il ?

Si au contraire, cette petite planète est dans le vide à l'intérieur de la grosse, que lui arrive-t-il ?

Dans ce cas, comment le sort des habitants de l'extérieur de la grosse planète et le sort des habitants de l'intérieur est il changé ?

Complication : les deux sphères qui définissent les limites externes et internes du manteau rocheux ne sont plus concentriques ; pour fixer les idées, la sphère limite interne a son centre dévié de 1000km. On en déduit que d'un côté le manteau a une épaisseur minimum de 500km et à l'opposé, il a une épaisseur maximum de 2500km.
On ne considère plus qu'il y a une "Lune" à l'intérieur.

Un habitant de l'intérieur se fait construire 3 maisons : la première là ou le manteau est le plus épais (disons au pôle Sud), la seconde là où il est le plus mince (disons au pôle Nord) et la troisième quelque part entre les deux (disons sur l'équateur).

Comment doit il se comporter dans ses trois maisons : pour fixer les idées, elles comportent une pièce parallélépipédique au rez-de-chaussée et un étage mansardé par l'inclinaison du toit ; où peut-il poser le fauteuil dans lequel il s'installe pour regarder la télé ?

Pour recevoir Canal-Sat, les habitants de l'intérieur doivent lancer des satellites (supposés ponctuels). Où peuvent-ils les placer et y a-t-il des possibilités de placement "géostationnaire" ?

Réponses qualitatives et si possible quantitatives !

A+

Posté par
plumemeteore
re : Physique : Sci-Fi grave 27-04-07 à 17:06

Bonjour
les habitants à l'extérieur se sentent deux fois plus légers que nous
les habitants à l'intérieur sont attirés par le centre de la sphère vide; ils doivent porter des ventouses pour se maintenir à la terre
le satellite extérieur (la lune est beaucoup plus petite) tourne plus lentement autour de la terre et acquiert une rotation propre (à l'instar des planètes plus éloignées du soleil; il peut atténuer la pesanteur des habitants extérieurs et maintenir mieux les habitants intérieurs sur la paroi de la planète
le satellite intérieur est scotché au centre et sa rotation suit celle de la planète; elle peut aussi avoir un mouvement oscillatoire, au risque de cogner sur l'intérieur de la planète; il augmente la pesanteur tant chez les habitants extérieur que chez les habitants de l'intérieur, avec des fluctuations en cas d'oscillation. Les habitants de l'intérieur évolueront sur la surface du satellite.

épaisseur inégale : les corps seront attirés par le côté épais et comme ils ne peuvent pas tourner en orbite autour, ils s'y agglutineront

les habitants intérieurs ne reçoivent pas la télévision car la paroi arrête les signaux

d'ailleurs une telle planète est amenée à se contracter en un temps court et à devenir pleine

Posté par polka (invité)Précisions, correction et excuses 29-04-07 à 16:18

Excusez-moi !

J'ai voulu que mon système Terre creuse / Lune ressemble extérieurement le plus possible à "notre" Terre / Lune, et j'ai adopté pour leurs diamètre extérieur et masse des valeurs proches de celles que j'ai trouvées dans l'Astronomie de Flammarion :

Terre : rayon 6371km masse 5,974*10**24kg
Lune : diamètre 3476km masse 7,35*10**22kg

Ces données se trouvaient dans deux tableaux différents. Celui des planètes donnait leur rayon, et celui des satellites leur diamètre (que j'ai pris par erreur pour un rayon, parce que j'ai mal regardé).

Donc je vous prie de m'excuser, et de corriger dans l'énoncé le diamètre de la Lune en le fixant à 3500km (au lieu de 7000km).

Dans l'esprit de mon énoncé, il faut supposer que la Terre creuse a la même masse totale que notre Terre pleine, mais que comme elle est creuse, la densité (supposée uniforme) des roches qui la constituent est beaucoup plus élevée que la densité moyenne de notre Terre.

Tout ça pour qu'on puisse en déduire que pour les habitants de l'extérieur, et pour les satellites à l'extérieur, tout ce passe assez exactement comme "chez nous".

Ce qui est intéressant (et inattendu), c'est ce qui se passe pour les habitants de l'intérieur.

Je vous laisse chercher encore... pas beaucoup d'amateurs de physique sur ce forum ?

A+

Autres précisions par rapport à l'unique réponse :
Si les habitants de l'intérieur lancent un satellite télé géostationnaire, ils le placent bien entendu à l'intérieur, mais où ?
Ce n'est pas la peine de considérer une rotation (sur elle-même) de la Terre creuse, ni de sa Lune, on ne s'intéresse qu'à la gravitation.
Effectivement, une planète creuse a toutes les chances (peut-être) de s'effondrer sur elle-même, mais considérons que les roches qui la constituent sont suffisamment dures pour que ça n'arrive pas.

Posté par polka (invité)un indice ? 04-05-07 à 01:49

La force d'attraction gravitationnelle entre deux masses ponctuelles M et m distantes de r est :
F = G M m / r² (G est la "constante universelle de la gravitation")
En posant F = m g on trouve le champ de pesanteur (ou accélération de la pesanteur ou simplement attraction) g de M en fonction de r :
g = F / m = G M / r²

On enseigne que quand la masse M n'est pas ponctuelle, mais si c'est la masse d'un objet à symétrie sphérique, son attraction est équivalente à celle d'une masse ponctuelle égale placée au centre de gravité de l'objet. Mais on oublie souvent que ce n'est vrai qu'à la surface R de l'objet ou à l'extérieur (r > R).

En fait, on démontre que quel que soit r (>, = ou < à R), en considérant S la superficie de la sphère de rayon r ( S = 4 pi r² ), le produit g S est égal à 4 pi G µ, µ étant la masse à l'intérieur de la sphère de rayon r : c'est M quand r >= R mais seulement une fraction de M si r < R, d'autant plus petite que r est petit, et donc nulle au centre d'une sphère pleine.

Concrètement, à partir de la surface de la Terre, en s'élevant ( r > R ) l'attraction diminue (en 1/r²) ; mais quand on s'enfonce sous la surface ( r < R ), l'attraction diminue aussi, et au centre de la Terre, elle s'annule. A toute profondeur elle a la même valeur que l'attraction d'une planète dont la masse se réduit à celle de la sphère qui reste sous vos pieds. Donc a 1m du centre de la Terre vous pesez le même poids que si vous étiez sur une planète réduite à 1m de rayon. Et au centre de la Terre, vous ne pesez plus rien. La variation de l'attraction sous la surface de la Terre n'est plus en 1/r², mais en r (si on considère une Terre de densité uniforme, dans la réalité c'est un peu plus compliqué).

Et dans le cas d'une planète creuse, alors ?



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