Dans notre expérience quotidienne, nous comprenons et utilisons le mot énergie comme quelque chose de toujours lié au mouvement. Par exemple, pour qu'une voiture fonctionne, elle a besoin de carburant, pour que les êtres humains travaillent et accomplissent leurs tâches quotidiennes, ils doivent manger. Ici, nous associons le carburant et la nourriture à l'énergie. Nous allons désormais nous diriger vers une définition plus précise de l'énergie.
Le mouvement d'une voiture, d'une personne ou de tout objet possède de l'énergie, cette énergie liée au mouvement est appelée énergie cinétique. Un corps en mouvement, possédant de l'énergie cinétique, peut effectuer un travail en entrant en contact avec un autre corps ou objet et en lui transférant de l'énergie.
Cependant, un objet au repos peut aussi avoir de l'énergie, ce qui rend insuffisant la simple relation entre le concept d'énergie et le mouvement. Par exemple, un objet au repos à une certaine hauteur du sol a de l'énergie. Cet objet, lorsqu'il est abandonné, démarre un mouvement et augmente en vitesse au fil du temps, cela se produit parce que la force de poids fait un travail et la met en mouvement, c'est-à-dire qu'elle acquiert de l'énergie cinétique. On dit qu'un objet au repos a une énergie appelée énergie potentielle gravitationnelle, qui varie en fonction de sa hauteur par rapport au sol.
Une autre forme d'énergie est l'énergie potentielle élastique, présente dans un ressort comprimé ou étiré. Lorsqu'on comprime ou étire un ressort, on effectue un travail pour réaliser la déformation et on peut observer qu'après relâché, le ressort acquiert un mouvement - énergie cinétique - et revient à sa position initiale où il n'était pas étiré ou comprimé.
Ainsi, plus précisément, nous pouvons dire que l'énergie cinétique est l'énergie ou la capacité à effectuer travail dû au mouvement et que l'énergie potentielle est l'énergie ou la capacité de faire un travail en raison de positionner.
En mécanique, il existe deux formes d'énergie potentielle: l'une associée au travail de poids, appelée énergie potentiel gravitationnel, et un autre lié au travail de la force élastique, qui est l'énergie potentielle élastique. Étudions maintenant plus en détail ces deux formes d'énergie potentielle.
1. Énergie potentielle gravitationnelle
C'est l'énergie associée à la position dans laquelle se trouve le corps. Regardez la figure 1 et considérez le corps de masse m initialement au repos au point b. Le corps est à une hauteur h par rapport au sol a. Lorsqu'elle est abandonnée du repos, en raison de sa masse, la force du poids effectue un travail sur le corps et elle acquiert de l'énergie cinétique, c'est-à-dire qu'elle commence à se déplacer.
Le travail que fait le poids de la sphère nous permet de mesurer l'énergie potentielle gravitationnelle, calculons donc le travail.
En considérant le point a comme point de référence, le déplacement de b vers a est donné par h, le module de poids de force étant donné par P = m.g et o angle entre la direction d'application de la force de poids et le déplacement α = 0º, comme les deux sont dans la même direction, il suffit d'appliquer la définition de travail (τ):
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τ=F.d.cosα
Si F est égal au poids de force P=mg, le déplacement d = h et α = 0º (cos 0º = 1), en substituant dans l'équation 1, nous aurons :
τ=F.d.cosα
=m.g.h.cos 00
=m.g.h
Ainsi, l'énergie qui relie la position d'un objet au sol, l'énergie potentielle gravitationnelle, est calculée par :
ETP= m.g.h
Équation 2: Énergie potentielle gravitationnelle
Sur quoi:
Ep: énergie potentielle gravitationnelle ;
g: accélération gravitationnelle ;
m: masse corporelle.
2. Énergie potentielle élastique
Considérons le système ressort-masse de la figure 2, où nous avons un corps de masse m attaché à un ressort de constante élastique k. Pour déformer le ressort, nous devons faire un travail, car nous devons le pousser ou l'étirer. Lorsque nous faisons cela, le ressort acquiert une énergie potentielle élastique et, lorsqu'il est relâché, revient à sa position initiale, où il n'y avait pas de déformation.
Pour obtenir l'expression mathématique de l'énergie potentielle élastique, nous devons procéder de la même manière que nous l'avons fait pour l'énergie potentielle gravitationnelle. Ensuite, on obtiendra l'expression de l'énergie potentielle élastique emmagasinée dans un système masse-ressort par le travail que la force élastique exerce sur le bloc.
Lorsque le système masse-ressort est au point A, il n'y a pas de déformation dans le ressort, c'est-à-dire qu'il n'est ni étiré ni comprimé. Ainsi, lorsqu'on l'étire jusqu'à B, une force apparaît, appelée force élastique, qui la fait revenir en A, sa position initiale, lorsqu'elle est abandonnée. Le module de la force élastique exercée par le ressort sur le bloc est donné par la loi de Hooke :
Fel = k.x
Où Fel indique la force élastique, k est la constante élastique du ressort et x est la valeur de la contraction ou de l'allongement du ressort.
Le travail de la force élastique pour un déplacement d = x est donné par :
Ainsi, l'énergie associée au travail de la force élastique, l'Energie Potentielle Elastique, est également donnée par :
Sur quoi:
Anguille: énergie potentielle élastique ;
k: constante de ressort ;
x: déformation du ressort.
On observe que la sphère de masse m suspendue par rapport au sol et le système masse-ressort, lorsqu'elle est étirée ou comprimés, ont la capacité de travailler, car ils ont stocké de l'énergie en raison de leur positionner. Cette énergie stockée en raison de la position est appelée énergie potentielle.
Par Nathan Augusto
Diplômé en Physique
