Physique-chimie et mathématiques (STI2D · STL) · Première · Physique-chimie — Énergie
Énergie mécanique : mouvements et forces
Bilan des forces, bilan des énergies.
En bref
Pour étudier un véhicule, un ascenseur ou une balle, on décrit d’abord son mouvement, puis on fait le bilan des forces et des énergies.
Décrire un mouvement
- Le référentiel : l’objet par rapport auquel on observe (la route, le train…). Le mouvement dépend du référentiel.
- La trajectoire : l’ensemble des positions (rectiligne, circulaire, curviligne).
- La vitesse : v = d / Δt en m/s (1 m/s = 3,6 km/h). La vitesse instantanée est la limite de la vitesse moyenne sur une durée très courte — c’est la dérivée de la position.
- L’accélération : variation de la vitesse par unité de temps (m/s²).
| Le mouvement | Vitesse |
|---|---|
| Rectiligne uniforme | Constante, en ligne droite |
| Rectiligne accéléré | Augmente |
| Rectiligne ralenti | Diminue |
Les forces usuelles
| La force | Expression ou caractéristique |
|---|---|
| Poids | P = m × g, vertical vers le bas, g ≈ 9,81 N/kg |
| Réaction d’un support | Perpendiculaire au support s’il n’y a pas de frottement |
| Force élastique (ressort) | F = k × Δl |
| Frottement fluide | Opposée au mouvement, augmente avec la vitesse |
Une force a un point d’application, une direction, un sens et une valeur en newtons.
Le travail d’une force
W = F × AB × cos α (produit scalaire de la force et du déplacement)
α : angle entre la force et le déplacement. Le travail est moteur (W > 0) si la force aide le mouvement, résistant (W < 0) si elle s’y oppose, nul si elle est perpendiculaire au déplacement.
Les énergies mécaniques
Énergie cinétique : Ec = ½ × m × v²
Énergie potentielle de pesanteur : Epp = m × g × z
Énergie potentielle élastique : Epe = ½ × k × Δl²
Énergie mécanique : Em = Ec + Ep
Sans frottement, Em se conserve. Avec frottements, Em diminue : l’énergie perdue devient thermique. La variation d’Ec est égale au travail des forces (théorème de l’énergie cinétique).
Exemple travaillé
Une luge de 50 kg (avec l’enfant) part sans vitesse du haut d’une pente de 8 m de dénivelé.
- Epp en haut : 50 × 9,81 × 8 ≈ 3 924 J.
- Sans frottement, en bas : Ec = 3 924 J, donc v = √(2 × 3 924 / 50) ≈ 12,5 m/s (45 km/h).
- On mesure en réalité 9 m/s : Ec = ½ × 50 × 81 = 2 025 J. Énergie dissipée par les frottements : 3 924 − 2 025 ≈ 1 900 J.
Puissance moyenne
P = W / Δt
Un moteur qui monte 200 kg de 10 m en 20 s fournit au moins 200 × 9,81 × 10 / 20 ≈ 981 W.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
Touche une réponse : la correction s’affiche tout de suite.
1.Convertir 72 km/h en m/s donne…
2.Quel est le poids d’une masse de 50 kg (g = 9,81 N/kg) ?
3.Le travail d’une force perpendiculaire au déplacement est…
4.Quelle est l’énergie cinétique d’une masse de 2 kg à 3 m/s ?
5.Si la vitesse double, l’énergie cinétique est…
6.Epp de 50 kg à 8 m de hauteur (g = 9,81) ?
0 / 6 questions
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