GRAVIMÉTRIE

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La mesure de la pesanteur

La théorie newtonienne de la gravitation prévoyant des variations de l'intensité de la pesanteur selon les lieux, l'observation du pendule apparaissait comme la manière la plus simple de les mettre en évidence.

L'intensité de la pesanteur figure en effet dans la formule qui donne la période du pendule simple de longueur l :

et dans la formule analogue pour le pendule composé. Au cours de sa célèbre expédition en Équateur, pour la mesure d'un arc de méridien, Pierre Bouguer a fait de nombreuses études sur la variation de g avec l'altitude et la latitude, en utilisant un pendule fait d'un corps suspendu à un fil dont il mesurait la longueur avec une règle. Mais la précision de ces mesures était faible. Elles ont été reprises par Charles de Borda, qui s'est efforcé de réaliser un pendule de forme connue (sphère suspendue à un fil). L'invention du pendule réversible a permis des résultats plus précis : si un pendule composé a la même période lorsqu'il oscille autour de deux axes parallèles convenablement disposés, on démontre que cette période est celle du pendule simple ayant pour longueur la distance des axes. On a pu obtenir ainsi une précision avoisinant le 1/100 000, mais non la dépasser (M. de Kaster, 1818 ; Friedrich Kühnen et Philipp Furtwängler, Potsdam, 1906).

La comparaison de la période d'un pendule invariable avec l'heure transmise par radio a permis d'obtenir, moyennant des précautions sur lesquelles on n'insistera pas, une précision relative de l'ordre du 1/1 000 000. Il était alors possible de mesurer les différences de gravité entre deux points, avec une précision très supérieure à celle des mesures absolues. Pour assurer l'homogénéité du réseau des mesures, il a été décidé d'adopter conventionnellement la valeur mesurée à Potsdam et de mesurer, à partir de là, des différences de gravité.

L'apparition des gravimètres, entre 1930 et 1940, a encore accentué les difficultés de cette situation. Un gravimètre est un système de ressorts et de masses mobiles, disposé de manière à se trouver à la limite de la stabilité, ce qui se traduit par une période d'oscillation très longue (par exemple, 6 secondes pour un dispositif de quelques centimètres). Il en résulte qu'une variation de g correspond à une déformation relativement importante, qu'un mode d'observation sensible peut mettre en évidence ; le plus souvent, on annule cette déformation par un dispositif de compensation qui permet la mesure. Pour qu'une erreur de nivellement équivalente à l'action de forces horizontales soit sans effet, il faut que le déplacement de la masse se fasse suivant la verticale et que les points de suspension soient dans le plan horizontal du centre de masse de l'équipage mobile. Les effets thermiques sont corrigés par l'emploi de ressorts convenables (en quartz, en invar, ou bimétalliques) et, de plus, la plupart des gravimètres sont maintenus à température constante par un chauffage approprié, avec deux enceintes concentriques à des températures légèrement différentes. L'emploi de plusieurs masses de densités distinctes permet de corriger l'effet des variations de la densité de l'air sur la poussée d'Archimède. De nombreux gravimètres, assez rustiques pour être transportés avec un minimum de précautions, ont été réalisés suivant ces principes. Ils peuvent être mis en station et fournir une mesure en un temps de l'ordre de la minute. Cependant, ils ne donnent pas de mesures absolues, et les différences de gravité que décèlent leurs lectures doivent faire l'objet d'un étalonnage, entre des stations où la gravité est connue. Il faut aussi tenir compte d'une dérive, en gros proportionnelle au temps, en réoccupant périodiquement les mêmes stations. La sensibilité atteint 10-9, c'est-à-dire le microgal (g est de l'ordre de 981 Gal), la fidélité 0,1 mGal (1 Gal = 0,01 m . s-2).

Gravimètre Worden

Dessin : Gravimètre Worden

Mécanisme du gravimètre Worden. Presque tout le dispositif représenté est en quartz fondu, l'échelle est approximativement doublée. Ce mécanisme est enfermé dans une enceinte sous vide, et protégé par un vase de Dewar contre les variations de température. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La facilité d'emploi des gravimètres a conduit à l'occupation de millions de stations qui constituent des réseaux localement très cohérents (à une fraction de mGal près), mais dont les calages relatifs paraissaient beaucoup moins assurés. On a repris, parallèlement, les liaisons à grande distance soit à l'aide de pendules invariables, soit par transport de gravimètres (entre stations où les valeurs de g sont très proches). On peut ainsi constituer un réseau mondial de bases, dont la cohérence est de l'ordre du mGal, et auquel tous les réseaux locaux devraient (t [...]

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Gravimètre Worden

Gravimètre Worden
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George Stokes

George Stokes
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  • : ingénieur général des Mines, ancien directeur du service de la carte géologique de France

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Pour citer l’article

Jean GOGUEL, « GRAVIMÉTRIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 juillet 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/gravimetrie/