CHAPITRE 13 : Énergie mécanique

Objectifs :


- Connaître et utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation et de l’énergie potentielle de pesanteur d’un solide au voisinage de la Terre.
- Réaliser et exploiter un enregistrement pour étudier l’évolution de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle et de l’énergie mécanique d’un système au cours d’un mouvement.
- Connaître diverses formes d’énergie.
- Exploiter le principe de conservation de l’énergie dans des situations mettant en jeu différentes formes d’énergie.

I. Énergies d'un objet ponctuel

1. Énergie cinétique

L'énergie cinétique Ec d'un objet ponctuel de masse m est associée à la valeur v de sa vitesse. Elle est donnée par la relation : Ec = 1/2mv2

Cette expression s'applique à un solide en mouvement de translation. La valeur de la masse m correspond à celle du solide et la valeur v de la vitesse à celle de l'un de ces points.

2. Énergie potentielle de pesanteur

L'énergie potentielle de pesanteur Epp d'un objet ponctuel de masse m en interaction avec la Terre est une grandeur associée à sa position par rapport à la Terre.
Dans un champ de pesanteur uniforme, en choisissant Epp = 0 J à z = 0 m, Epp est donnée par la relation : Epp = mgz

II. Conservation ou non de l'énergie mécanique

1. Énergie mécanique d'un système

L'énergie mécanique Em d'un système est la somme des énergies cinétique et potentielle des objets constituant le système.

2. Exemple de la chute libre

En physique, un projectile est en chute libre lorsqu'il n'est soumis qu'à l'action de son poids.
Dans le cas de la chute libre d'un solide, l'énergie cinétique et l'énergie potentielle de pesanteur s'échangent l'une et l'autre de sorte que l'énergie mécanique soit conservée : Em = Ec + Epp = constante.

3. Mouvements avec frottements

Sans apports d'énergie, l'énergie mécanique d'un système en mouvement ne se conserve pas s'il y a des frottements mais décroît sans cesse.
Dans un mouvement avec frottement, le transfert thermique est responsable de la dissipation de l'énergie mécanique.

III. Conservation de l'énergie

1. Diverse formes d'énergie d'un système

A tout système, on peut associer une grandeur appelée énergie qui peut revêtir différentes formes : mécanique (cinétique et potentielle), chimique, nucléaire, électrique, etc. L'énergie totale E d'un système est la somme de toutes ces formes d'énergie.

2. Mode de transfert d'énergie

Les échanges d'énergie d'un système avec l'extérieur peuvent se faire selon trois modes : transfert par des forces extérieures, par rayonnement ou par transfert thermique.

3. Principe de conservation de l'énergie

L'énergie est une grandeur qui ne peut être ni créée ni détruite.
Si le système n'échange pas d'énergie avec le milieu extérieur, son énergie E reste constante.
Si le système échange de l'énergie avec le milieu extérieur, la variation de l'énergie totale E du système est égale à l'énergie transférée entre le milieu extérieur et le système.
En 1930, le principe de conservation de l’énergie, appliqué à la désintégration β, a conduit l’Autrichien Wolfang PAULI (1900-1958) à postuler l’existence d’une nouvelle particule : le neutrino. Cette particule fut découverte expérimentalement en 1956.