10 Energie

10. ENERGIE I. Mécanique
10 Energie
10.1 Définition et unité
Un corps possède de l’énergie s’il est capable de produire un travail. Autrement dit, l’énergie,
c’est du «travail en réserve».
L’unité SI de l’énergie est la même que celle du travail, à savoir le Joule (J).
10.2 Relation entre énergie et travail
Si on effectue un travail sur un corps, le corps reçoit de l’énergie. Son énergie totale va donc
augmenter.
Si le corps effectue lui-même un travail, il perd de l’énergie. Son énergie totale va donc diminuer.
10.3 Différentes formes d’énergie
L’énergie peut se présenter sous diverses formes :
—énergie chimique :Descorpsquipeuventfourniruntravailparuneréactionchimique
contiennent de l’énergie chimique. C’est une forme d’énergie facile à stocker et à trans-
porter. De même, on peut facilement la transformer en d’autres formes d’énergie. Ex. :
piles, accumulateurs, carburant, charbon, bois, le corps humain, ...
—énergie électrique :Sionapprochel’undel’autredeuxbâtonsd’ébonitefrottéspar
une peau de chat, ils se repoussent (et effectuent donc un travail). Ils contiennent de
l’énergie électrique. Un condensateur chargé contient également de l’énergie électrique.
Il est difficile de stocker une grande quantité d’énergie sous forme électrique. Par contre,
l’énergie électrique est facile à transporter (réseau électrique) et on peut la transformer
sans problème en d’autres formes d’énergie.
—énergie thermique :Uncorpsquisetrouveàunetempératuresupérieureà0K(-273◦C)
possède de l’énergie thermique. C’est une forme d’énergie très difficile à stocker et il est
pratiquement impossible de transformer une grande quantitéd’énergiethermiqueenune
autre forme d’énergie.
—énergie nucléaire :C’estuneformed’énergiecontenuedanslesnoyauxatomiques. En
scindant des noyaux lourds en deux noyaux plus légers (fissionatomiquedanslescentrales
nucléaires) resp. en fusionnant deux noyaux légers pour obtenir un noyau plus lourd
(fusion atomique du Soleil), on peut transformer une grande partie de cette énergie en
d’autres formes d’énergie.
—énergie rayonnée :descorpsdontsortentdesrayons(lumineux,ultraviolets,infrarouges,
rayons X, rayons gamma, ...) émettent de l’énergie rayonnée.Cetteformed’énergiepeut
être transportée sans problèmes à grande distance, même à travers le vide (p.ex. le
rayonnement du Soleil qui réchauffe la Terre).
—énergie mécanique :Ondistinguetroisformesdel’énergiemécanique:l’énergie poten-
tielle de pesanteur,l’énergie cinétique et l’énergie potentielle élastique.L’énergieméca-
nique sera étudiée plus profondément dans les parties suivantes.
—...
67

10. ENERGIE I. Mécanique
10.4 Energie mécanique
10.4.1 Energie potentielle de pesanteur
Dans la section 8.4.1, on a vu que pour soulever un corps de masse m d’une hauteur h, il faut
qu’on applique sur le corps une force ⃗ Fdont le travail de levage vaut W(⃗ F)=m·g·h.
Le corps qui effectue le travail de levage (l’opérateur, un moteur électrique, ...) perd donc une
quantité d’énergie égale à W(⃗ F),etlecorpssoulevéreçoitcettequantitéd’énergie.Ondit
qu’un corps qui est soulevé reçoit de l’énergie potentielle de pesanteur.
Afin d’indiquer une valeur de l’énergie potentielle de pesanteur, il faut fixer un niveau de ré-
férence.Silecorpssetrouveàceniveauderéférence,ilpossèdeuneénergie potentielle de
pesanteur nulle.
Si, à partir du niveau de référence, on soulève le corps à une altitude h, il acquiert une énergie
potentielle de pesanteur égale au travail de levage W(⃗ F):
Epot.pes. =m·g·h
h
niveau de référence : Epot.pes. =0
hauteur h : Epot.pes. =m·g·h
Figure I.63 – Energie potentielle de pesanteur
Exemple : Si on fixe le niveau de référence au niveau du sol, une tablette de chocolat de
masse m=102 g,soulevéeàunehauteurh=1m,possèdeuneénergiepotentielledepesanteur
Epot.pes. =m·g·h=0,102 kg ·9,81 N/kg ·1m=1J.
10.4.2 Energie cinétique
Pour mettre un corps en mouvement (et ainsi lui donner une certaine vitesse v), il faut exercer
sur ce corps une force qui effectue un travail accélérateur (cf. 8.4.2). L’énergie acquise par un
corps qui a été accéléré s’appelle énergie cinétique.
68

10. ENERGIE I. Mécanique
Cette énergie est proportionnelle à la masse m du corps et au carré de sa vitesse. On peut
calculer sa valeur par la formule suivante 7:
Ecin. =1
2·m·v2
ATTENTION !LavitessedoitêtreindiquéeenunitéSI,c’estàdireenm/s(mètres par
seconde), sinon l’unité résultante de l’énergie cinétique ne sera pas le Joule.
1m /s=60m /min = 3600 m /h=3,6km /h
et donc :
1km /h=1
3,6m
/s
Exemple : Une voiture de masse m=1,2tqui se déplace à une vitesse de 60 km/hpossède une
énergie cinétique Ecin. =1
2mv2=1 2·1200 kg ·!60 3,6
m
s"2=166.667 J=166,7kJ8.
Ecin. =1
2mv2
⃗v
Figure I.64 – Energie cinétique
10.4.3 Energie potentielle élastique
Cette énergie est celle que possède un corps lorsqu’il est déformé de manière élastique 9.Elle
est égale au travail qu’il a fallu pour déformer le corps (ex. :travailtenseur).
Exemples : un arc tendu, un ressort comprimé/étiré, une balle qui rebondit, ...
7. cette formule ne sera établie qu’en classe de 2`eme
8. l’unité résultante est le kg ·m2
s2.Enclassede2`eme,onpourramontrerquec’estl’équivalentduJoule
9. si une force déforme un corps de manière élastique, le corpsvareprendresaformeinitiale,unefoisquela
force a disparu (contrairement aux déformations inélastiques qui resteront même si la force a disparu
69

10. ENERGIE I. Mécanique
⃗
F
Epot.´elast.=0 Epot.´elast. ̸=0
Figure I.65 – Energie potentielle élastique
10.5 Transfert et transformation d’énergie mécanique
L’énergie mécanique peut être transférée d’un corps vers un autre. Le corps qui effectue le
travail transfert une partie de son énergie sur le corps sur lequel le travail est effectué. Ainsi :
Le travail est un mode de transfert d’énergie mécanique.
Exemple :
Un wagon de masse m1qui se déplace à une certaine vitesse v1heurte un autre wagon de
masse m2et qui se trouve initialement au repos. Après collision, le premier wagon a ralenti, il
aperdudel’énergiecinétique.Cependant,ilaréaliséuntravail d’accélération sur le deuxième
wagon, qui a ainsi reçu de l’énergie cinétique il se déplace à la vitesse v2′.Del’énergiecinétique
aététransféréedupremierwagonversledeuxième.
wagon 1
⃗v 1
wagon 2
repos
avant collision
wagon 1
⃗v 1′<⃗v
1
wagon 2
⃗v 2′
après collision
Figure I.66 – Choc entre 2 wagons - Transfert d’énergie cinétique
70

10. ENERGIE I. Mécanique
L’énergie peut être transformée d’une forme en une autre.
Exemple :
Un wagon en mouvement s’immobilise en comprimant un ressort :l’énergiecinétiqueduwagon
est convertie en énergie potentielle élastique du ressort.
⃗v
Ecin.
repos
Epot.´elast.
Figure I.67 – Transformation d’énergie cinétique en énergie potentielle élastique
Important :
Lors de tout transfert et de toute transformation d’énergie,aumoinsunepartiedel’éner-
gie initiale est toujours transformée par les travaux des forces de frottement en énergie
thermique.
10.6 Principe de conservation de l’énergie
On vient de voir que l’énergie peut être transférée d’un corpssurunautre,qu’ellepeutêtre
transformée d’une forme à l’autre. Durant tous ces processus, la valeur totale de l’énergie reste
toujours la même. En d’autres mots : aucune énergie n’est créée, aucune énergie n’est perdue.
C’est le principe de conservation de l’énergie :
On ne peut pas créer de l’énergie, on ne peut pas perdre de l’énergie. L’énergie totale de
l’univers a toujours été et va rester constante.
Lors de la transformation / du transfert de l’énergie, une partie de l’énergie initiale est convertie
en énergie thermique. Comme l’énergie thermique est difficileàreconvertirenuneformed’éner-
gie utile, on dit souvent que le partie de l’énergie qui a été transformée en énergie thermique
«est perdue».
En effet, dans la plupart des cas, l’homme ne sait plus réutiliser l’énergie thermique qui ac-
compagne les transformations/transferts d’énergie. Cependant, d’un point de vue physique, elle
n’est pas perdue : elle existe toujours dans les corps qui ont été réchauffés.
71