Un instrument utilisé pour mesurer la gravité est appelé gravimètre. Pour un petit corps, la relativité générale prévoit des effets gravitationnels indiscernables des effets de l’accélération par le principe d’équivalence. Ainsi, les gravimètres peuvent être considérés comme des accéléromètres à usage spécial. De nombreuses balances peuvent être considérées comme de simples gravimètres. Dans une forme courante, un ressort est utilisé pour contrer la force de gravité qui s’exerce sur un objet. La variation de longueur du ressort peut être étalonnée en fonction de la force requise pour équilibrer la force gravitationnelle. La mesure résultante peut être effectuée en unités de force (comme le newton), mais elle est plus souvent effectuée en unités de gals.
Les chercheurs utilisent des gravimètres plus sophistiqués lorsque des mesures précises sont nécessaires. Lors de la mesure du champ gravitationnel de la Terre, les mesures sont effectuées avec une précision de l’ordre du microgals pour trouver les variations de densité des roches qui composent la Terre. Il existe plusieurs types de gravimètres pour effectuer ces mesures, dont certains sont essentiellement des versions raffinées de l’échelle à ressort décrite ci-dessus. Ces mesures sont utilisées pour définir les anomalies de gravité.
En plus de la précision, la stabilité est également une propriété importante d’un gravimètre, car elle permet de suivre les changements de gravité. Ces changements peuvent être le résultat de déplacements de masse à l’intérieur de la Terre, ou de mouvements verticaux de la croûte terrestre sur laquelle les mesures sont effectuées : rappelons que la gravité diminue de 0,3 mGal pour chaque mètre de hauteur. L’étude des changements de gravité appartient à la géodynamique.
La majorité des gravimètres modernes utilisent des ressorts de longueur zéro en métal ou en quartz spécialement conçus pour soutenir la masse à tester. Les ressorts de longueur zéro ne suivent pas la loi de Hooke, au contraire, ils ont une force proportionnelle à leur longueur. La propriété particulière de ces ressorts est que la période de résonance naturelle de l’oscillation du système ressort-masse peut être très longue – près de mille secondes. Cela désaccorde la masse d’essai de la plupart des vibrations locales et des bruits mécaniques, augmentant ainsi la sensibilité et l’utilité du gravimètre. Les ressorts en quartz et en métal sont choisis pour différentes raisons ; les ressorts en quartz sont moins affectés par les champs magnétiques et électriques tandis que les ressorts en métal ont une dérive (élongation) beaucoup plus faible avec le temps. La masse d’essai est scellée dans un récipient étanche à l’air afin que les infimes changements de pression barométrique dus au vent soufflant et à d’autres conditions météorologiques ne modifient pas la flottabilité de la masse d’essai dans l’air.
Les gravimètres à ressort sont, en pratique, des instruments relatifs qui mesurent la différence de gravité entre différents endroits. Un instrument relatif nécessite également un étalonnage en comparant les lectures de l’instrument prises à des endroits présentant des valeurs complètes ou absolues connues de la gravité. Les gravimètres absolus fournissent de telles mesures en déterminant l’accélération gravitationnelle d’une masse de test dans le vide. Une masse de test peut tomber librement dans une chambre à vide et sa position est mesurée par un interféromètre laser et chronométrée par une horloge atomique. La longueur d’onde du laser est connue à ±0,025 ppb et l’horloge est stable à ±0,03 ppb également. Il faut prendre grand soin de minimiser les effets des forces perturbatrices telles que la résistance de l’air (même dans le vide), les vibrations et les forces magnétiques. Ces instruments sont capables d’une précision d’environ deux parties par milliard ou 0,002 mGal et réfèrent leurs mesures à des étalons atomiques de longueur et de temps. Ils sont principalement utilisés pour l’étalonnage des instruments relatifs, la surveillance de la déformation de la croûte terrestre et les études géophysiques nécessitant une précision et une stabilité élevées. Cependant, les instruments absolus sont un peu plus grands et nettement plus coûteux que les gravimètres à ressort relatifs, et sont donc relativement rares.
Les gravimètres ont été conçus pour être montés dans des véhicules, notamment des avions (notez le domaine de l’aérogravité), des navires et des sous-marins. Ces gravimètres spéciaux isolent l’accélération du mouvement du véhicule et la soustraient des mesures. L’accélération des véhicules est souvent des centaines ou des milliers de fois plus forte que les changements mesurés.
Un gravimètre (le Lunar Surface Gravimeter) déployé à la surface de la lune lors de la mission Apollo 17 n’a pas fonctionné en raison d’une erreur de conception. Un second dispositif (le Traverse Gravimeter Experiment) a fonctionné comme prévu.
La mission Apollo 17 est une mission d’exploration de la Lune.