Physique-Chimie — Seconde
Énergie mécanique — Seconde Physique
Énergie cinétique, énergie potentielle de pesanteur, énergie mécanique et sa conservation.
Par ProfBot
Énergie mécanique — Seconde Physique
🎯 Objectif : Calculer les différentes formes d'énergie mécanique et appliquer la conservation.
1. L'énergie : notion générale
L'énergie est la capacité à effectuer un travail ou à produire un effet.
Unité : le Joule (J)
Formes d'énergie : cinétique, potentielle, thermique, chimique, électrique...
2. Énergie cinétique (Ec)
L'énergie cinétique est l'énergie due au mouvement :
Ec = ½ × m × v²
Ec : énergie cinétique (J)
m : masse (kg)
v : vitesse (m/s)
Propriétés :
- Toujours positive ou nulle
- Nulle si l'objet est au repos
- Augmente avec la vitesse au carré
Exemple : une voiture de 1000 kg à 90 km/h (= 25 m/s) :
Ec = ½ × 1000 × 25² = ½ × 1000 × 625 = 312 500 J = 312,5 kJ
3. Énergie potentielle de pesanteur (Ep)
L'énergie potentielle de pesanteur dépend de la hauteur de l'objet :
Ep = m × g × h
Ep : énergie potentielle (J)
m : masse (kg)
g : intensité de la pesanteur (≈ 10 N/kg)
h : hauteur par rapport à la référence choisie (m)
Référence (h = 0) : on choisit librement le niveau de référence (sol, table...).
Propriétés :
- Augmente quand l'objet monte
- Diminue quand l'objet descend
- Dépend du choix de la référence (différence d'Ep indépendante du choix)
4. Énergie mécanique (Em)
L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle :
Em = Ec + Ep = ½mv² + mgh
5. Conservation de l'énergie mécanique
En l'absence de frottements :
Em = constante
Ec + Ep = constante
½mv²₁ + mgh₁ = ½mv²₂ + mgh₂
Ce qu'on perd en Ep, on le gagne en Ec, et vice-versa.
En présence de frottements :
Em₂ = Em₁ - W_frottements
L'énergie mécanique diminue (convertie en chaleur).
6. Exemple : chute libre
Une balle de 200 g est lâchée sans vitesse initiale d'une hauteur h = 5 m.
Référence : h = 0 au sol.
Au départ (point A) :
Ec_A = ½ × 0,2 × 0² = 0 J
Ep_A = 0,2 × 10 × 5 = 10 J
Em_A = 10 J
Au sol (point B, h = 0) :
Em_B = Em_A = 10 J (pas de frottements)
Ep_B = 0 J
Ec_B = 10 J
½ × 0,2 × v² = 10
v² = 100
v = 10 m/s
7. Travail d'une force
Le travail W d'une force constante F sur un déplacement d est :
W = F × d × cos(α)
α : angle entre la force et le déplacement
- Si F dans le sens du déplacement (α = 0°) : W = F×d > 0 (travail moteur)
- Si F opposée au déplacement (α = 180°) : W = -F×d < 0 (travail résistant)
- Si F perpendiculaire (α = 90°) : W = 0
📝 Exercices
- Calculer l'énergie cinétique d'un vélo (+ cycliste) de 80 kg roulant à 18 km/h.
- Une bille de 50 g est à 2 m de hauteur, au repos. Calculer Em (g = 10 N/kg).
- Un objet glisse sans frottement du haut d'un toboggan de 3,2 m. Quelle est sa vitesse en bas ?
- Un skieur de 70 kg descend une pente de 100 m de dénivelé. Sa vitesse passe de 0 à 40 m/s. Calculer l'énergie dissipée par frottements.
✅ À retenir
Ec = ½mv² [J]
Ep = mgh [J]
Em = Ec + Ep
Sans frottements : Em = constante
Avec frottements : Em diminue → chaleur
W = F×d×cos(α)