Classiquement, la force gravitationnelle subie par une masse $ m $ au-dessus de la Terre est donnée par le familier,
$$ F = G \ frac {Mm} {r ^ 2} $$
où $ M $ est la masse de la Terre. En d'autres termes, une masse subira une force qui diminue continuellement à mesure qu'elle s'éloigne de la Terre. Supposons maintenant que la Terre soit un grand plan infiniment plat $ ^ {\ dagger} $ dans $ \ mathbb R ^ 3 $ qui est infinitésimal, avec une densité de masse $ \ sigma $ (par unité de surface, pas par volume). Le potentiel gravitationnel $ \ Phi $ satisfait l'équation de Poisson $ \ nabla ^ 2 \ Phi = 2 \ pi G \ sigma \ delta (z) $, en supposant que le plan est à $ z = 0 $.
La solution est donnée par $ \ Phi (z) = 2 \ pi G \ sigma | z | $. La force gravitationnelle est $ - \ partial_z \ Phi $, qui pointe toujours vers le plan. Une autre caractéristique est que la force gravitationnelle est constante avec une magnitude $ 2 \ pi G \ sigma $. En d'autres termes, quelle que soit sa hauteur au-dessus du plan, la même force est ressentie. Pour être plus réaliste, si l'avion avait une épaisseur non nulle, la force serait toujours constante, mais à l'intérieur, il y aurait un 'saut' comme illustré:
Par conséquent, pour déterminer si la Terre est plate, il faudrait simplement mener une expérience pour voir comment la force gravitationnelle évolue à mesure que l'on augmente l'altitude. On trouvera $ F \ sim r ^ {- 2} $ approximativement, comme prévu, confirmant que la Terre est ronde. Bien sûr, pour des variations suffisamment petites de $ r $, on peut se tromper en pensant que $ F $ est constant puisque le changement est infime, mais il est mesurable.
$ \ dagger $ Par commodité , il est considéré comme infiniment grand; les conclusions restent les mêmes, mais la force sera bien sûr différente, car elle dépendra également de $ x $ et de $ y $.