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  • Photo du rédacteurJC Duval

Energie mécanique

L'énergie, c'est la capacité d'un système à induire un travail ou une transformation.

 

Un billet une nouvelle fois consacré à l'énergie, mais cette fois-ci, on va se limiter au domaine de la mécanique, en l'occurrence la mécanique classique.


🛠️ L'énergie mécanique est utilisée en physique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et potentielle.


Energie mécanique =

Energie potentielle+ Energie cinétique


☞ L'énergie potentielle d'un objet est directement liée à sa position. A tout instant, son énergie potentielle est égale au produit de son poids par sa distance au sol. Plus sa position est élevée, plus son énergie potentielle est importante.

☞ L'énergie cinétique du même objet est quant à elle, totalement liée à sa vitesse de déplacement. A tout instant, son énergie cinétique est égale au produit de la moitié de sa masse inertielle par le carré de sa vitesse. Plus la vitesse de l'objet est élevée et plus son énergie cinétique est importante. La masse de l'objet étant par ailleurs constante, elle représente le paramètre inertiel qui permet d'établir le rapport entre son énergie cinétique et sa vitesse de déplacement.

La masse inertielle est une grandeur qui revèle la résistance d'un objet à la variation de sa vitesse de translation.

De même si un objet est en rotation, son énergie cinétique équivaut alors au produit de la moitde son moment d'inertie par le carré de sa vitesse angulaire, le moment jouant cette fois-ci le rôle de paramètre inertiel.

Le moment inertiel est une grandeur qui révèle la résistance d'un objet à la variation de sa vitesse de rotation.

Si un objet se déplace et tourne sur lui même, il faut prendre en compte les deux mouvements pour déterminer son énergie cinétique.

 

Energie cinétique et travail


D'après le principe fondamental de la dynamique énoncé par Newton, si on se place dans un référentiel galiléen alors le produit de la masse d'un solide par l’accélération subie par son centre d’inertie est égal à la somme des forces élémentaires appliquées sur ce solide.

La conséquence directe de ce principe amène ainsi à dire que la variation de l'énergie cinétique d'un système, est égale à la somme des travaux des forces agissant sur ce système.


Le théorème de l'énergie cinétique

 

Conservation de l'énergie


✧→ L'énergie mécanique d'un système soumis à des forces conservatives, des forces dérivant d'un potentiel, est systématiquement conservée.


pendule

Le pendule


Tout travail effectué contre une force conservative est restitué en totalité par cette force lors de la transformation inverse. Ainsi, le travail fourni pour soulever un objet, est intégralement restitué par la force de pesanteur quand il retombe.

◦ La variation de l'énergie mécanique d'un système soumis à des forces conservatives, variation qui correspond à la somme des variations de l'énergie potentielle et cinétique, est nulle.


△Em = △Ec + △Ep = 0

Forces conservatives

Mouvement oscillatoire sans frottements. L'énergie mécanique est conservée.


✧→ L'énergie mécanique d'un système peut cependant fluctuer. Elle varie sous l'effet de l'ensemble des travaux issus des forces exercées sur le système, elle peut notamment diminuer sous l'effet du travail issu de forces de frottements, des forces qui sont dissipatives.

Une partie de l'énergie peut ainsi se retrouver sous une forme différente, l'énergie cinétique pouvant par ex se transformer en chaleur. Mais l'énergie n'est pas perdue pour autant, elle se transforme et passe à une autre échelle.

Forces non conservatives

Mouvement oscillatoire avec frottements. L'énergie mécanique n'est pas conservée.


Les forces conservatives

 

Quelques exemples


La chute d'un corps.


✧ Si on néglige les frottements, l'énergie reste mécanique, la variation est nulle.

 

Le toboggan.


✧ Si on prend en compte les frottements, l'énergie mécanique se dissipe et la variation équivaut alors au travail issu de la force des frottements.


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