Analyse énergétique de situations mécaniques

Analyse énergétique de
situations mécaniques
Chapitre 7 du livre
1.travail d’une force constante
• Activité 1 – Tirer un wagon …
Cinq personnes (notées de F1 à F5)
tentent de déplacer un wagon
vers la droite ; le wagon parcourt
effectivement la distance AB.
On entend les phrases suivantes :
− « Je résiste ! »
− « Je contribue comme je peux… »
− « C’est moi le meilleur ! »
− « Je ne sers à rien ! »
a. Attribuer à chacun des
personnages la phrase qu’il prononce.
L’énergie cédée au wagon par chacun des personnages représentés est appelée un travail. Si l’on
note F la force exercée par un personnage sur le wagon et α l’angle entre cette force et le
déplacement du wagon,
quelle(s) expression(s), parmi celle(s) proposée(s) ci-dessous, vous semble(nt) valide(s) ?
Définition travail d’une force
La force F subie par un système en mouvement est
constante si, en chaque point, elle garde mêmes
direction, sens et valeur.
Dans ce cas, son travail sur un déplacement du système
d’un point A vers un point B est donné par le produit
scalaire
Le travail s’exprime en joules (J) si la valeur de la force est en newtons (N) et
la distance AB en mètres (m). Il s’agit d’une grandeur algébrique.
Remarques
2. TRAVAUX DE QUELQUES FORCES
2.1 TRAVAIL DU POIDS
Pour aller de A à B
Pour la montée
L e travail du poids ne dépend pas du chemin
suivi pour aller de A vers C
A
B
Travail du poids ?? Pour aller de A
vers B
h
A
B
Travail du poids ?? Pour aller
de A vers C
h
C
animation
Définitions
FORCE CONSERVATIVE
Si le travail d’une force est indépendante du chemin
suivi c’est-à-dire s’il ne dépend que des positions de
départ et d’arrivée on dit que la force est
conservative
Et inversement …..
2°°) Travail d’une force électrique constante
Une particule de charge q dans un champ E est
soumise à la force F = q.E
Lorsque la particule se déplace d’un point A
vers un point B, la force travaille.
La force électrique est conservative
Travail pour aller de A à B
3 ) Travail des forces de frottements
On peut modéliser les forces de frottements exercées par l’air, la piste, etc.,
comme une force unique notée , de même direction que celle du mouvement,
de sens opposé, et dont la valeur dépend de la vitesse du skieur.
Représenter, sur un schéma sans souci d'échelle, le centre d’inertie du skieur, la
direction de son mouvement et la force de frottement qui s’exerce sur lui lors
d'une montée en ligne droite de B à A (force notée f1) puis lors de la redescente
en ligne droite (force notée ).
montée
f1
B
descente
A
B
f
A
Exprimer, en fonction de la distance ,AB de f1 et de f 2 le travail total des forces de
frottement lors d’un aller-retour effectué en ligne droite et à vitesses constantes.
Que signifie, physiquement, le signe du travail total des forces de frottement ?
wtotale = -f1 BA –f2 AB = - (f1+f2)AB TRAVAIL RESISTANT
Existe-t-il, comme pour le poids, un trajet sur lequel le travail total de la force de frottement soit
nul ?
Pour bien montrer que le travail des forces de frottement dépend du chemin suivi, on envisage
le trajet représenté ci-contre : le skieur effectue sa montée en ligne droite mais descend la piste,
à vitesse constante, en passant par un point C. Sans faire de calcul, comparer, dans ce cas, le
travail total de la force de frottement à celui exprimé en 2.b.
B
non
Travail à la montée < travail à la descente
C
A
Cette activité met en évidence une différence essentielle entre le travail de la force de
frottement et celui du poids du skieur : laquelle ?
Son travail dépend du chemin suivi.
4. Transferts énergétiques
15
Energie potentielle
Rappels 1S
Le travail du poids est l’opposé de la variation d’énergie potentielle de pesanteur
Generalisation
A tout travail d’une force conservative est associée une
variation d’énergie potentielle
Force électrique est conservative donc associée à une énergie potentielle
électrique
= - Δ E PP
U AB = V A - VB
VA et VB potentiel électrique de A
et B
Ou des forces dont le travail est nul
ExempleS application
1. CHUTE LIBRE SANS VITESSE INITIALE
2. CHUTE LIBRE AVEC VITESSE INITIALE
3. PENDULE ( voir système oscillants)
Analyse