méca4 travail et énergie

MECANIQUE Partie D :
TRAVAIL d’une FORCE : un MODE de TRANSFERT de l'ENERGIE
Les savoir-faire
 Travail et énergie cinétique.
Etude de la chute libre d’un corps au voisinage de la Terre.
Interprétation énergétique. Définition de l’énergie cinétique.
Généralisation pour un solide en translation soumis à diverses forces : théorème de l’énergie cinétique.
 Travail et énergie potentielle de pesanteur
Définition de l’énergie potentielle Epp
Transformation d’énergie potentielle en énergie cinétique dans le cas de la chute libre.
« Un choc à 50 km.h-1 est équivalent à une chute du 4ème étage »
Que pensez-vous de cette indication donnée lors d’une campagne de la prévention routière ?
1- TRAVAIL du POIDS d’un CORPS en CHUTE LIBRE - TRANSFERT d'ENERGIE CINETIQUE
(voir TP)
1- 1
Expérience : Chute libre, sans vitesse initiale, d'une petite bille en
acier dans le référentiel terrestre
La courbe 1 montre que Vi n’est pas une fonction linéaire de la hauteur de chute H :
La courbe 2 montre que Vi ² est fonction linéaire de la hauteur de chute H
On peut donc écrire :
Le coefficient directeur est :
K=
En classe terminale on verra que 1 m.s-² = 1 N.kg-1. Comparer cette valeur à la valeur du
champ de pesanteur g = 9,80 N.kg-1 :
K=
Ce résultat expérimental n'est pas une simple coïncidence, la démonstration théorique sera
donnée en classe terminale.
La relation devient :
Cette expérience montre que le travail du poids
de la bille a permis de mettre en
mouvement la bille en lui transmettant de l’énergie sous forme énergie cinétique.
Le travail W( ) et l’énergie cinétique s'expriment en joule (J).
1- 2
Définition de l'énergie cinétique d'un solide en translation
Unités : Ec est en joule (J), m est en kilogramme (kg), v est en mètre par seconde (m.s-1).
L’énergie cinétique de la bille a varié puisque elle était nulle au départ.
On peut généraliser ce résultat en énonçant le théorème de la variation de l'énergie cinétique.
C. Guibal
1ère S phys- 3. Mécanique : W(F) : mode de transfert d’énergie (Ec, Epp, Em)
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2- Transfert d'énergie par travail d’une force : THEOREME de l'ENERGIE CINETIQUE
3- TRAVAIL d’une FORCE et ENERGIE POTENTIELLE d’un SOLIDE
3- 1
Expérience
Nous venons de voir que lorsque une bille tombe, le travail du poids
permet de transmettre à la bille une
énergie cinétique Error!m v ² . Que se passe-t-il maintenant quand un opérateur relève une bille depuis le
sol A où elle est au repos jusqu'à un point B où il la maintient immobile ?
Référentiel Galiléen : le solide Terre auquel on associe le repère orthonormé.
Système étudié : la bille de masse m.
Forces appliquées :
Application du théorème de l’énergie cinétique :
Ainsi, le travail de la force
exercée par l'opérateur sur la bille a pour expression : W(
) = m g ( zB - z A )
Ce travail a permis de transmettre à la bille de l’énergie sous forme d’énergie potentielle.
La bille a gagné de l’énergie car elle a gagné de l’altitude.
La bille a subi une variation d’énergie potentielle
Δ Epp = m g ( zB - zA ).
3- 2
Définition de l'énergie potentielle d'un solide en interaction avec la Terre
.
C. Guibal
1ère S phys- 3. Mécanique : W(F) : mode de transfert d’énergie (Ec, Epp, Em)
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4- CONSERVATION éventuelle de l’ENERGIE MECANIQUE :
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Em = Ec + Ep
Expérience
Reprenons le cas d'un solide de masse M en chute libre
Considérons deux points quelconques 1 et 2 de la trajectoire du centre d'inertie G du solide.
Le théorème de l'énergie cinétique s'écrit :
Avec un axe (oz) orienté vers le haut, on a :
Le théorème de l'énergie cinétique s'écrit :
Est-ce que l’énergie mécanique est conservée ?
4- 2
Conclusion : dans quels cas l’énergie mécanique se conserve-t-elle ?
Si des forces autres que le poids s'exercent, cette somme ne se conserve généralement pas,
sauf si ces forces ne fournissent aucun travail.
Remarque : Si les frottements avec l'air ne sont pas négligeables, l’énergie mécanique diminue.
Une nouvelle forme d'énergie apparaît : l'énergie calorifique.
C. Guibal
1ère S phys- 3. Mécanique : W(F) : mode de transfert d’énergie (Ec, Epp, Em)
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