La loi de l’inertie à l’épreuve du vide : objets en apesanteur dans la Station spatiale internationale

Ouvrons ensemble la porte d’un univers où le moindre geste a des conséquences déroutantes : la Station spatiale internationale, à 400 kilomètres au-dessus de nos têtes. Ici, tout flotte. Une simple tasse de café, un stylo ou même un astronautes expérimenté semblent échapper à l’emprise de la gravité. Pourtant, ce ballet silencieux répond à une règle vieille de plus de trois siècles, énoncée par Isaac Newton : la première loi du mouvement, ou loi de l’inertie. Mais que dit-elle ? Et pourquoi s’incarne-t-elle si spectaculairement dans l’ISS ?

Pour comprendre ce qui se passe à bord de l’ISS, arrêtons-nous un instant sur cette fameuse loi de Newton. La première loi du mouvement, dite loi de l’inertie, affirme :

• Un objet au repos reste au repos ; un objet en mouvement continue à se déplacer en ligne droite à vitesse constante, sauf si une force extérieure vient modifier son état.

En d’autres termes, il est impossible qu’un objet change de vitesse, de direction, ou qu’il s’arrête tout seul. Il a besoin qu’une force agisse sur lui : collision, frottement, gravité… Cette loi, à première vue banale, change tout à bord de l’ISS. Mais pourquoi ?

Sur Terre, nous vivons baignés dans la pesanteur et confrontés à toute une galerie de forces invisibles :

• La gravité : c’est elle qui plaque chaque objet au sol, l’empêchant de flotter, imposant une direction à tous les mouvements (vers le bas).
• Le frottement de l’air : il freine nos déplacements, ralentit une balle lancée ou un papier en plein vol.
• Les résistances de surface : sur une table, un livre s’arrête vite dès que vous cessez de le pousser.

Dans ces conditions, la première loi de Newton n’est jamais “pure” à l’œil nu, car toutes ces forces extérieures agissent en permanence. Un ballon freine et chute, un skate ralentit, etc. Sur Terre, l’inertie est discrète, masquée par l’environnement.

Dans la Station spatiale internationale, les règles du jeu changent soudain. L’ISS et tout son contenu — astronautes, objets, outils — sont en chute libre permanente autour de la Terre. Ce phénomène est appelé à tort “apesanteur”. En réalité, la gravité existe toujours (environ 90 % de sa force terrestre à cette altitude), mais elle entraîne tout l’ensemble, station et résidents, dans une révolution constante.

Pour visualiser, imaginez que vous sautez dans un ascenseur dont le câble aurait lâché : vous flotteriez, car vous et l’ascenseur tomberiez exactement à la même vitesse. Dans l’ISS, cette sensation est permanente. Résultat : un objet que vous lâchez ne tombe jamais, il continue exactement le mouvement que vous lui avez donné, tant qu’aucune force extérieure n’intervient.

• Un tournevis lancé en ligne droite file sans jamais freiner.
• Une gorgée d’eau forme une boule flottante, indifférente à “haut” ou “bas”.
• Un astronaute poussant doucement un mur continue de glisser jusqu’à être stoppé par une paroi.

Voilà l’inertie à son maximum d’expression ! On ne la voit jamais aussi bien que dans ce grand laboratoire orbital.

Les astronautes ne se privent pas d’illustrer la première loi de Newton lors de petits “spectacles scientifiques” à bord de l’ISS. Parmi les exemples les plus frappants :

• Le stylo “éternellement” lancé : Les astronautes aiment lancer doucement un petit objet (stylo, gomme, etc.) pour le voir filer le long du module, sans ralentir, parfois sur plusieurs dizaines de mètres. Si personne n’intervient, le stylo continue ainsi jusqu’à heurter une paroi (source : NASA Educational Resources).
• Les billes de liquide qui ne veulent pas tomber : Chris Hadfield, célèbre astronaute canadien, a montré dans ses vidéos comment une goutte ou une bulle d’eau flotte et dérive dans tous les sens, ne subissant qu’une très faible influence des forces d’air (source : CSA, Canadian Space Agency).
• La “guitare flottante” : En jouant de la guitare dans l’espace, le musicien laisse parfois l’instrument flotter devant lui. L’instrument reste paisible, bougeant uniquement s’il le touche ou si de l’air en mouvement pousse discrètement dessus. La scène montre que rien ne vient freiner ou perturber l’objet tant qu’aucune force extérieure n’apparaît.

Dans tous ces cas, une règle domine : tant qu’on n’exerce pas de force sur un objet, son mouvement reste immuable.

Le terme “apesanteur” porte à confusion. La gravité est bien présente à bord de l’ISS, comme en témoignent les orbites des astronautes : sans gravité, la station filerait tout droit vers l’infini.

• À 400 km d’altitude, la gravité reste environ à 90 % de sa valeur terrestre (source : ESA – European Space Agency).

Mais tout (objets, liquides, humains) tombe à la même “vitesse”, exactement comme dans un ascenseur en chute libre. Ainsi, il n’existe pas de force pour faire “revenir au sol” ce que l’on lâche. D'où l'impression d’apesanteur, et l’expression parfaite de l’inertie.

Nous avons parlé d’un monde “sans forces extérieures”, mais la réalité de l’ISS est un peu plus nuancée. Quelques effets persistent pour troubler le mouvement parfait :

• Micro-gravité : La station n’est pas un système totalement isolé. Petites variations dans la chute, mouvements des astronautes et des systèmes embarqués engendrent de minuscules forces, appelées micro-accélérations, qui peuvent influencer très légèrement les objets.
• Résistance de l’air résiduelle : La station contient une mince atmosphère, reproduisant la pression terrestre pour la sécurité des humains. Même presque imperceptible, cette atmosphère suffit à freiner un peu les objets sur de très longues distances.
• Mouvements de la station : Utilisation de propulseurs, changements d’orientation ou déplacement des équipements internes : ces activités génèrent des perturbations et peuvent changer la trajectoire initiale des objets.

Néanmoins, ces forces sont des milliers de fois plus faibles que sur Terre. Un stylo lancé dans l’ISS mettra beaucoup, beaucoup plus de temps à s’arrêter contre un mur, à cause de la quasi-absence de résistance.

Décortiquer la loi de l’inertie à bord de l’ISS, c’est un peu comme observer un grand théâtre où les objets jouent leur rôle sans les décors habituels. À la surface terrestre, la “valse” des forces cache l’inertie, mais là-haut, elle s’affiche au grand jour. La Station spatiale devient un laboratoire vivant et pédagogique, où l’on vérifie chaque jour que les lois formulées au XVIIᵉ siècle par Newton valent toujours, même à des vitesses vertigineuses et dans des conditions extrêmes.

Pour la première fois dans l’histoire, nous avons pu observer “en vrai” une loi physique qui, pourtant, gouverne la moindre bille roulant sous le canapé ou le bus qui freine brusquement. C’est tout l’intérêt des missions spatiales : elles rendent tangible et spectaculaire ce qui, chez nous, reste discret.

• La première loi de Newton explique que sans force extérieure, il ne se passe rien : ni arrêt, ni changement de direction, ni accélération.
• Dans l’ISS, cet état pur d’inertie se dévoile sous nos yeux, grâce à l’absence d’un sol pour freiner et d’une atmosphère dense pour ralentir.
• La “magie” que l’on observe — des objets flottant indéfiniment — est une rigoureuse démonstration d’une loi universelle.
• Comprendre l’inertie dans l’espace, c’est aussi mieux comprendre la physique qui régit notre quotidien, ici-bas.

Avant Newton, on cherchait encore mille causes au moindre ralentissement ou arrêt d’un objet. Aujourd’hui, regarder une goutte d’eau filer dans l’ISS, c’est goûter à la simplicité et à la puissance de la science. Et qui sait ? Peut-être qu’un jour, nous inventerons de nouveaux jeux pour explorer, sur Terre aussi, le plaisir de l’inertie pure. En attendant, restons curieux ensemble : chaque tournée autour de la Terre nous rappelle que le mouvement, au fond, c’est simple… tant qu’on n’y touche pas !

Pour aller plus loin :

• ESA, « Living and working in space » – European Space Agency
• NASA Kids Club – NASA.gov
• CSA – Canadian Space Agency, vidéos de Chris Hadfield Expériences physiques à bord de l’ISS (CSA)