Seconde Première S Terminale S Tout Niveau
Partager

Qu’est ce que l’énergie mécanique

Par Yann le 18/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Mécanique > L’Énergie Mécanique

Quelques définitions

Qu’est ce que l’énergie ?

Un solide, dans un état déterminé, possède de l’énergie si au cours de son évolution, il est capable de fournir un travail.

L’énergie peut prendre différentes formes : énergie chimique, énergie cinétique…

L’énergie cinétique

L’énergie cinétique : c’est l’énergie que possède un solide du fait de sa vitesse. On appelle énergie cinétique de translation d’un solide :

Ec = 1/2mv^{2}

L’énergie cinétique est une grandeur physique qui est toujours positive. Ainsi, quand la vitesse augmente, l’énergie cinétique augmente également. L’énergie cinétique est proportionnelle à la masse et varie en fonction du carré de la vitesse.

Pour aller plus loin : on peut utiliser une formule différente pour calculer l’énergie cinétique d’un solide en rotation. Dans ce cas, l’énergie cinétique est proportionnelle au moment d’inertie du solide et varie en fonction du carré de la vitesse angulaire de rotation.

Application de l’énergie cinétique : la distance de freinage

Supposons une voiture d’une tonne qui avance en ligne droite. Calculons l’énergie cinétique pour une vitesse de 90 km/h puis pour une vitesse de 120 km/h.

Nous savons que l’énergie cinétique est donnée par cette formule :

Ec = 1/2mv^{2}

Convertissons les unités :

  • 1 tonne = 1000 kg
  • 90 km/h = 25 m/s
  • Ec = 0.5 x 1000 x 25 x 25
  • Ec = 312 500 J soit 312,5 kJ

Calculons maintenant pour 120 km/h :

  • 1 tonne = 1000 kg
  • 120 km/h = 33.33 m/s
  • Ec = 0.5 x 1000 x 33.3 x 33.3
  • Ec = 554 445 J soit 554,4 kJ

On s’aperçoit que pour une augmentation de 30 km/h, l’énergie cinétique a quasiment doublée. La vitesse est donc très importante, c’est pour cela qu’il faut absolument respecter les distances de sécurité en voiture qui permettent d’avoir le temps de freiner en cas de problème.

L’énergie potentielle de pesanteur

L’énergie potentielle (appelée aussi énergie de position) est la réserve d’énergie que possède tout corps capable d’effectuer un travail moteur par exemple. Cette énergie est largement utilisée par l’homme dans le cas du travail du poids des objets.

Cette énergie est fonction de la hauteur ou dénivellation. Ainsi, cette énergie diminue quand l’objet tombe et augmente quand on soulève l’objet.

L’énergie potentielle de pesanteur : c’est l’énergie que possède un solide du fait de sa position par rapport à la Terre. Quand un solide tombe en chute libre, sa vitesse augmente en fonction de sa durée de chute. Ainsi plus un corps tombe de haut et plus l’énergie va être importante. C’est ce type d’énergie qui est d’ailleurs utilisée dans les barrages hydroélectriques pour faire fonctionner des turbines.

Application ludique de l’utilisation de l’énergie potentielle

Qui n’a jamais rêvé d’aligner de nombreux dominos les uns après les autres et d’un coup les faire tomber ?

Les chaînes de dominos sont toujours très impressionnantes et parfois on peut même remarquer (dans les compétitions ou les spectacles) que de petits dominos sont capables de faire tomber des dominos beaucoup plus gros.

Mais comment est ce possible ?

Grâce à l’énergie potentielle !

Comment les dominos tombent ? Application de l’énergie de pesanteur

Explication : les dominos sont généralement placés à des intervalles réguliers pour former un chemin bien précis. Quand on place un domino sur la tranche, on agit contre la force de gravitation terrestre. Ainsi le domino possède une énergie potentielle de gravitation. Le premier domino peut être aisément poussé. Quand il tombe, son énergie potentielle est libérée et permet de faire tomber un domino un peu plus grand que lui. Ce deuxième domino, plus grand, libère lui aussi une énergie potentielle gravitationnelle mais beaucoup plus grande que le premier, ce qui lui permet de faire tomber un plus gros domino et ainsi de suite. C’est donc grâce à l’énergie potentielle de gravitation qu’un petit domino de quelques grammes peut faire tomber un domino beaucoup plus gros de plusieurs dizaines de kilos !

Note : il existe plusieurs énergies potentielles, toutes ne sont pas liées à la gravitation ou à la pesanteur. Parmi les plus connues, on peut citer l’énergie potentielle de pesanteur mais aussi l’énergie potentielle électrostatique ou l’énergie potentielle électromagnétique ou encore l’énergie potentielle de pression. Pour la suite du cours (et le plus souvent en physique), nous ne prendrons en compte que l’énergie potentielle de pesanteur.

Energie potentielle de pesanteurEnergie liée à la force de pesanteur
Energie potentielle gravitationnelleEnergie associée au champ gravitationnel
Energie potentielle élastiqueEnergie liée à la compression ou l'étirement
Energie potentielle magnétiqueEnergie liée au champ magnétique
Energie potentielle de pressionEnergie liée à la compression d'un gaz

Qu’est ce qu’un champ d’énergie mécanique ?

L’énergie mécanique (notée Em) est définie comme étant la somme de l’énergie cinétique d’un corps et de son énergie potentielle de pesanteur :  Em = Ec + Epp

L’énergie potentielle de pesanteur est calculée ainsi :

Ep = m.g.z

  • Avec m la masse en kg,
  • g en newton/kg
  • et z hauteur en m.

L’énergie potentielle est exprimée en joules (J).

Expression de l’énergie mécanique

Si un corps à une masse m, une vitesse v dans le référentiel choisi et une altitude z par rapport à un repère fixé alors

Em = Ec + Epp

Ec =1/2mv^{2} + mgz    où    Ec est en joule ( J )

  • m en kilogramme ( kg )
  • v  en mètre par seconde (m.s-1)
  • g en newton par kilogramme (N.kg-1)
  • z en mètre (m)

Définition de l’énergie mécanique

L’énergie mécanique d’un corps est représentée par la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle.

Conservation de l’énergie mécanique

Prenons le cas d’un solide en chute libre. Le corps n’est soumis qu’a la seule action de son poids. Les frottements de l’air sont négligeables. Au cours de la chute, son énergie se conserve.

Ainsi, lorsqu’un objet n’est soumis à aucune action qui dissipe de l’énergie vers le milieu extérieur (comme les forces de frottement sur un solide ou dans un fluide) alors son énergie mécanique se conserve :

Em = constante.

Cette conservation implique que toutes variations d’énergie cinétique est compensée par une variation d’énergie potentielle de pesanteur et réciproquement.

Cela signifie aussi que si à un instant t1 un objet possède une vitesse v1 et une altitude z1 et qu’à un instant t2 sa vitesse est v2 et son altitude z2 alors il existe la relation suivante :

1/2mv_{1}^{2} + mgz_{1} = 1/2mv_{2}^{2} + mgz_{2}

Note : quand un système est soumis à des forces de frottements non nulles et non négligeables, l’énergie mécanique diminue.

L’exemple du parc d’attraction

Prenons un exemple simple pour illustrer la conservation de l’énergie mécanique : le parc d’attraction !

Tout parc d’attraction qui se respecte doit automatiquement proposer à ses clients des manèges a sensations de type montagnes russes. Dans ce type de manège, les chariots montent et descendent rapidement des pentes.

Comment l'énergie mécanique est appliquée aux manèges ? Les montagnes russes et l’énergie mécanique

Les chariots commencent toujours leur tour quand ils sont au sommet d’une « montagne » et ensuite descendent rapidement différentes petites courbes sans jamais revenir à la hauteur initiale (à cause des frottements). Ces manèges enchaînent généralement des montées et des descentes impressionnantes.

Quand un des chariots monte, son énergie potentielle est à son maximum et l’énergie cinétique est à son minimum, au contraire quand il descend c’est au tour de l’énergie cinétique d’être à son maximum et l’énergie potentielle d’être a son minimum au nom du principe de conservation de l’énergie.

Ainsi au sommet d’une courbe la vitesse du chariot sera quasi nulle alors que quand il se trouve sur la partie la plus basse de la courbe, alors la vitesse sera maximale : effet garantit !

Le saviez vous ? C’est Albert Einstein qui a utilisé en premier l’exemple des montagnes russes pour illustrer la conservation de l’énergie mécanique !

Application de l’énergie mécanique

Le principe de l’énergie mécanique peut être parfaitement mis en évidence avec l’étude du fonctionnement d’une centrale hydroélectrique.

L’énergie hydroélectrique fait partie des énergies renouvelables tout comme l’énergie solaire ou l’énergie éolienne car la source d’énergie n’est pas épuisable (et elle ne fournit pas beaucoup de déchets). L’énergie fournie par l’hydroélectricité est la première source d’énergie renouvelable dans le monde.

L’hydroélectricité utilise la force de l’eau pour produire de l’énergie. Si les premières centrales hydroélectriques datent de la fin du XIXème siècle, la force de l’eau est exploitée depuis longtemps grâce aux moulins. L’eau est souvent en mouvement et ce mouvement peut être exploité pour fournir de l’énergie.

Cette énergie hydroélectrique est obtenue en convertissant l’énergie mécanique de l’eau à l’aide d’une turbine grâce à un alternateur.

L’eau transite d’abord par une prise d’eau puis s’écoule dans une conduite forcée : l’eau s’écoule plus rapidement car cette conduite a un dénivellement plus ou moins important. Arrivée au niveau de la turbine, l’eau la fait fonctionner ce qui fait entraîner l’alternateur pour produire de l’électricité. L’eau s’écoule ensuite par un canal de fuite.

Comment utiliser l'énergie mécanique de l'eau ? Un barrage pour créer de l’électricité

Pour aller plus loin : en réalité il n’existe pas un type de centrale hydraulique mais plutôt trois types : les aménagements de lac ou de haute chute, les aménagements d’éclusée ou de moyenne chute et enfin les centrales au fil de l’eau ou de basse chute. Le site d’EDF permet d’en savoir plus sur ces différentes installations grâce à différentes vidéos visibles à cette adresse !

Pour accéder à la suite du cours et améliorations inscrivez-vous

Partager

Nos lecteurs apprécient cet article
Cet article vous a-t-il apporté les informations que vous cherchiez ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (moyenne de 4,13 sur 5 pour 15 votes)
Loading...

Poster un Commentaire

avatar