Travail, Energie, Puissance

LE TRANSFERT D'ÉNERGIE

En termes très généraux, l'énergie décrit l'état d'un système sous l'action des quatre forces fondamentales. Elle est une propriété de toute matière et elle est observée indirectement par des variations de vitesse, de masse, de position et ainsi de suite. Il n'y a aucun compteur d'énergie universel, capable de mesurer l'énergie directement. La variation de l'énergie d'un système, qui est tout ce que nous pouvons déterminer expérimentalement, est une mesure du changement physique dans ce système. La force est l’agent du changement et l'énergie est une mesure du changement. Parce qu'un système peut changer de manières différentes sous l'action de forces différentes, il y a plusieurs manifestations distinctes de l'énergie.

• énergie électrique produite et distribuée par les sociétés d'électricité. • énergie chimique de la nourriture pour vivre et des carburants pour nos besoins

domestiques et de transport. • énergie élastique des ressorts. • énergie gravitationnelle des grelons qui tombent. • Nous nous chauffons et nous faisons la cuisine avec de l'énergie thermique. • Le Soleil inonde la Terre de son énergie de rayonnement.

La propriété la plus importante de l'énergie est qu'elle est transférée d'un domaine d'interaction à un autre, de façon que l'énergie totale reste inchangée.

Ainsi l'énergie thermique peut être transformée en énergie électrique, une partie de celle-ci peut être transformée en lumière, puis de nouveau en énergie thermique; mais la quantité d'énergie totale reste constante.

Nous dirons que l’énergie est conservée

L’énergie est un scalaire, elle a seulement une valeur

Le travail est la variation de l’énergie d’un système,due à l’application d’une force, agissant sur une distance.

Un travail peut être effectué pour vaincre une force de pesanteur, de frottement ou encore d’inertie

'Travail le long d'une droite

Commençons par le cas le plus simple d'une masse ponctuelle ou, ce qui est équivalent, d'un objet fini et parfaitement rigide, qui se déplace comme une masse ponctuelle concentrée en son centre de masse. De la sorte, on évite les complications que présentent les corps déformables. La Figure 9.1 montre une force externe constante (F) exercée sur un objet rigide, le déplaçant sur une distance horizontale (l). La force appliquée est parallèle à la trajectoire rectiligne du mouvement. Dans ce cas, une définition préliminaire du travail (W) est:

W = F x I (9.1)

Dans cette situation très particulière, la distance sur laquelle la force agit (l) est égale au module du déplacement (s); ceci ne sera pas le cas, en général.

Tant que le corps se déplace le long de la ligne d'action de la force et que celle-ci agit sur lui, un travail est effectué. Ici F est parallèle à la direction du mouvement; elle accélère le mouvement et elle effectue un travail positif sur l'objet. Dans le cas où F est antiparallèle à la direction du mouvement, elle s'oppose au mouvement et elle effectue un travail négatif sur l'objet.

L'unité SI de travail est le newton-mètre. Pour simplifier et en honneur à J. P. Joule,le travail effectué par une force de 1 newton en déplaçant un corps de 1 mètre est appelé un joule (1J), ou:

1 J = 1 N.m

Donc, si 1a force de la Fig. 9.1 est de 20 N et le déplacement est de 2,0 m, le travail effectué sur le corps est de 40 N.m, ou 40 J

Un travail positif est effectué sur un objet quand le point d’application se déplace dans le même sens que la force.

Si l’objet soumis à la force ne se déplace pas, la force ne fournit aucun travail!

Si le déplacement n’est pas rectiligne:

Puissance

travail effectuéPuissance = --------------------------------

intervalle de temps

Plus généralement, la puissance est la cadence à laquelle l’énergie est transforméed’une forme à une autre, ou transférée d’un système à un autre. Un moteur, qui exécute la même quantité de travail qu'un autre mais en moitié moins de temps est deux foisplus puissant. Si l'intervalle de temps est fini, nous parlons du puissance moyenne, ou :

Pm = DW / Dt

(9.8)

Pour exprimer la variation de la puissance avec le temps, on définit la puissance instantanée, comme la limite de ce rapport lorsque l'intervalle de temps tend vers zéro :

P = LimDt->0 [DW / Dt ] = dW / dt

(9.9)

Dans le système métrique, le cheval-vapeur (ch), défini à partir d'autres unités démodées, vaut 736 W.

Dans le système SI, l’unité de puissance est le watt (W), égal à un travail de 1 J effectué en 1 seconde:

1 W = 1 J/s.

Cette unité est familière, parce que la puissance de presque topus nos appareil est exprimée en Watts

Energie cinétique

Énergie cinétique = énergie associée au mouvement

W = F x lF = m x aW = m x a x lOr v2 = v0

2 + 2a x l donc a x l = (v02 - v2 )/2

Et m x a x l = ½ m x v02 – ½m x v2

W = ½ mDv2

Lorsque la vitesse double, l’énergie cinétique est quadruplée!

Energie potentielle

Energie potentielle = énergie liée à la position d’un objet dans un champ de force (gravitationnelle dans notre cas)

Energie potentielle gravitationnelle à la surface de la Terre

Ep = m x g x Dh = m x g x (hf – hi)

Conservation de l’énergie mécanique

L’énergie mécanique est la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps ou d’un système de corps liés

W = DEc + DEp

Exercices