Énergie d'un objet en mouvement

Énergie cinétique

Tout objet qui bouge possède une énergie particulière appelée énergie cinétique. Cette énergie dépend de deux facteurs : la masse de l'objet et sa vitesse. Plus l'objet est lourd ou rapide, plus son énergie cinétique est grande.

L'énergie cinétique augmente avec la vitesse et la masse. Quand la vitesse double, l'énergie est multipliée par quatre car la vitesse est au carré dans la formule. Lors d'un choc, toute cette énergie doit être dissipée, ce qui explique la violence des impacts à grande vitesse.

Idées essentielles

• Plus la masse augmente, plus l'énergie cinétique augmente proportionnellement
• Plus la vitesse augmente, plus l'énergie cinétique augmente fortement (au carré)
• Doubler la vitesse multiplie l'énergie par quatre
• Les chocs à grande vitesse sont plus violents car l'énergie à dissiper est plus grande

Mise en pratique

Exercice : Un vélo de masse 15 kg roule à 5 ms. Quelle est son énergie cinétique ?

Solution : On applique la formule $E_c=\frac{1}{2}m{v}^2$. On a $E_c=\frac{1}{2}\times 15\times 5^2=\frac{1}{2}\times 15\times 25=187,5$ joules.

Exercice : Compare l'énergie cinétique d'un camion de 2000 kg roulant à 10 ms et d'une voiture de 1000 kg roulant à 20 ms.

Solution : Camion : $E_c=\frac{1}{2}\times 2000\times {10}^2=100000$ J. Voiture : $E_c=\frac{1}{2}\times 1000\times {20}^2=200000$ J. La voiture a deux fois plus d'énergie cinétique que le camion malgré sa masse deux fois plus petite, car sa vitesse est deux fois plus grande.

Énergie potentielle de position

Un objet situé en hauteur possède une énergie potentielle de position. Cette énergie dépend de sa masse et de sa hauteur par rapport au sol. Plus l'objet est haut et lourd, plus il possède d'énergie potentielle. Quand il descend ou tombe, cette énergie diminue.

Idées essentielles

• Plus un objet est haut, plus son énergie potentielle est grande
• Plus un objet est lourd, plus son énergie potentielle est grande
• Quand un objet descend, son énergie potentielle diminue
• Au niveau du sol, l'énergie potentielle est considérée comme nulle

Mise en pratique

Exercice : Compare l'énergie potentielle d'un livre de 1 kg posé sur une table à 1 m du sol et le même livre sur une étagère à 2 m du sol.

Solution : Sur l'étagère, le livre est deux fois plus haut, donc il possède deux fois plus d'énergie potentielle que sur la table. L'énergie potentielle augmente proportionnellement avec la hauteur.

Énergie mécanique

L'énergie mécanique d'un objet est la somme de son énergie cinétique (liée au mouvement) et de son énergie potentielle (liée à la position). On écrit : $E_m=E_p+E_c$. Selon la situation, un objet peut avoir seulement de l'énergie potentielle (au repos en hauteur), seulement de l'énergie cinétique (en mouvement au niveau du sol), ou les deux (en mouvement en hauteur).

Idées essentielles

Mise en pratique

Exercice : Une balle au sommet d'une colline a 100 J d'énergie potentielle. Elle roule et à mi-pente elle a 50 J d'énergie potentielle et 45 J d'énergie cinétique. Quelle est son énergie mécanique ?

Solution : $E_m=E_p+E_c=50+45=95$ J. L'énergie mécanique a légèrement diminué à cause des frottements qui ont transformé 5 J en chaleur.

Conversions d'énergie

L'énergie mécanique peut être convertie en d'autres formes d'énergie. Une dynamo de vélo transforme l'énergie mécanique du mouvement en énergie électrique pour alimenter les phares. Les freins d'un vélo transforment l'énergie mécanique en chaleur pour ralentir.

Idées essentielles

• L'énergie mécanique peut devenir de l'électricité (dynamo)
• L'énergie mécanique peut devenir de la chaleur (freins)
• L'énergie mécanique peut devenir de la lumière (via l'électricité)
• Ces conversions sont utiles dans la vie quotidienne

Mise en pratique

Exercice : Identifie les conversions d'énergie quand tu pédales sur un vélo équipé d'une dynamo.

Solution : Ton corps transforme l'énergie chimique des aliments en énergie mécanique pour pédaler. Cette énergie mécanique fait avancer le vélo (énergie cinétique) et actionne la dynamo qui produit de l'électricité pour allumer la lampe (énergie lumineuse).

Frottements et pertes d'énergie

Les frottements sont des forces qui s'opposent au mouvement. Ils transforment l'énergie mécanique en chaleur, ce qui représente une perte d'énergie mécanique. C'est pourquoi un objet qui roule finit toujours par s'arrêter si on ne lui donne pas d'énergie supplémentaire.

Idées essentielles

• Les frottements transforment l'énergie mécanique en chaleur
• Les frottements font perdre de l'énergie au mouvement
• Sans frottements, un objet continuerait à bouger indéfiniment
• On peut réduire les frottements avec des lubrifiants

Mise en pratique

Exercice : Une trottinette lancée avec 200 J d'énergie cinétique s'arrête au bout de 50 mètres. Qu'est devenue son énergie ?

Solution : Les 200 J d'énergie cinétique ont été transformés en chaleur par les frottements : frottement des roues sur le sol, frottement de l'air sur la trottinette. Cette chaleur s'est dissipée dans l'environnement, c'est pourquoi la trottinette s'est arrêtée.

Définitions

Énergie cinétique

Énergie que possède un objet du fait de son mouvement. Elle se calcule avec la formule $E_c=\frac{1}{2}m{v}^2$ où $m$ est la masse en kilogrammes et $v$ la vitesse en mètres par seconde.

Énergie potentielle de position

Énergie que possède un objet du fait de sa position en hauteur par rapport au sol.

Énergie mécanique

Somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle d'un objet : $E_m=E_p+E_c$.

Masse

Quantité de matière contenue dans un objet, exprimée en kilogrammes (kg).

Vitesse

Rapidité du déplacement d'un objet, exprimée en mètres par seconde (ms) ou kilomètres par heure (kmh).

Hauteur

Distance verticale entre l'objet et le sol, exprimée en mètres (m).

Transformation d'énergie

Conversion d'une forme d'énergie en une autre forme d'énergie.

Dynamo

Appareil qui transforme l'énergie mécanique du mouvement en énergie électrique.

Frottement

Force qui s'oppose au mouvement d'un objet et transforme l'énergie mécanique en chaleur.