ASPECTS ENERGETIQUES (FORCES) SYNTHESE TRAVAIL D’UNE FORCE En physique, le travail désigne un mode de transfert de l'énergie. TRAVAIL D’UNE FORCE CONSTANTE Au voisinage de la Terre, le poids P = m g d'un corps dans le champ de pesanteur g uniforme est une force constante. Dans le repère orthonormé (O ; i , j , k ) d'axe vertical ascendant Oz, on a: WAB( P ) = P . AB = – mg(zB – zA). Une force constante garde même direction, même sens et même valeur au cours du temps. Le travail WAB( P ) du poids d'un corps, lors d'un déplacement de son centre de gravité de A à B, ne dépend que de l'altitude initiale zA et de l'altitude finale zB : WAB( P ) = mg(zA – zB) Le travail d'une force constante F lors d'un déplacement de son point d'application de A à B, noté WAB( F ), a pour valeur : WAB( F ) = F . AB = F × AB × cos WAB( F ) travail en joule (J) F force en newton (N) en mètre (m) AB déplacement angle entre F et AB A F F Ne pas se tromper : altitude initiale - altitude finale. On peut aussi exprimer WAB( P ) en fonction de la dénivellation h = |zA – zB| – Si l'altitude augmente au cours du mouvement : WAB( P ) = – mgh (travail résistant). – Si l'altitude diminue au cours du mouvement : WAB( P ) = mgh (travail moteur). Moyen mnémotechnique : « Moins-Monte » et « Plus-Plonge ». F F B F – Si l'angle est aigu, la force favorise le déplacement : WAB( F ) > 0 (travail moteur). – Si l'angle est droit, la force est sans effet sur le déplacement : WAB( F ) = 0. – Si l'angle est obtus, la force entrave le déplacement : WAB( F ) < 0 (travail résistant). – Dans le cas d'une force constante, WAB( F ) ne dépend pas du trajet suivi de A à B. – Pour un déplacement de B vers A, on a : WBA( F ) = – WAB( F ) TRAVAIL D’UNE FORCE QUELCONQUE F F A F ℓ F Quand la force est quelconque, on découpe le trajet de A à B en petits éléments rectilignes ℓ sur lesquels elle varie peu. En sommant les travaux correspondant à tous les petits éléments rectilignes de A à B, on obtient une valeur approchée du travail total WAB( F ) : A h A 0 P 0 – mg zA B WAB( F ) = F . ℓ Cas particulier : le travail du poids z B F B zB L’approximation est d'autant meilleure que les éléments rectilignes sont petits. Si ℓ 0, le déplacement infinitésimal se note dℓ et le signe remplace le signe . La valeur exacte du travail de la force F sur le trajet de A à B est : P O k y j xB – xA AB yB – yA zB – zA x WAB( F ) = B A F . dℓ i CLASSEUR Terminale S Agence de CHARLEVILLE MEZIERES ASPECTS ENERGETIQUES (FORCES) SYNTHESE Calculer le travail d’une force constante Cas particulier : travail de la tension d'un ressort largeur à vide T x’ i x + x x O Le travail d’une force constante F lors d’un déplacement de son point d’application A à B est : WAB( F ) = F . AB = F AB cos x ℓ En orientant l'axe x'x du ressort vers l'extérieur de celui-ci, on peut écrire simplement la tension T du ressort en fonction de l'abscisse x = ℓ – ℓ0 : T = kx i Lorsqu'on déforme le ressort, la tension T , fonction de l'allongement x, varie peu entre deux positions voisines d'abscisses x et x + x. Une valeur approchée de W0 X ( T ) pour un ressort déformé d'une quantité X depuis sa position à vide s'obtient alors en sommant les travaux sur des petits éléments rectilignes ℓ = x i : T . ℓ = kx i .x i = kxx X soit : W0 X ( T ) = kxx 0 W0 X ( T ) = X X 0 1 1 kxdx= kx2 = kX2 2 0 2 Lors d'une compression ou d'un étirement X depuis sa position à vide, le travail de la tension T d'un ressort de raideur k est : 1 W0 X ( T ) = kX2 2 Si l'extrémité libre du ressort se déplace d'un point A d'abscisse XA à un point B d'abscisse XB, l'expression du travail WAB( T ) est : 1 WAB( T ) = k(XB2 – XA2) 2 Le travail W0 X ( T ) correspond à l'aire du triangle coloré sur le graphe donnant la valeur T de la tension en fonction de la déformation x Cette aire est la somme des aires des rectangles représentant les travaux élémentaires W( T ) = kxdx pour des variations infinitésimales dx. T(N) kX kx A = kxdx cos = 1 WAB= F.AB 0 < < 90° 0 < cos < 1 1 A = kX2 2 x x + dx METHODE CLASSEUR Terminale S A F AB F α A AB = 90° cos = 0 F A B 90° B AB 90° < < 180° – 1 < cos < 0 WAB < 0 Travail résistant Cos α = 1 WAB = – F.AB F α A B AB 180° F A AB B ENERGIE MECANIQUE DU PENDULE ELASTIQUE Dans la suite, on étudie l'énergie du système ressortsolide en mouvement dans le cas d'un pendule élastique horizontal, constitué d'un solide de masse m et d'un ressort de constante de raideur k. ENERGIE MECANIQUE D’UN PENDULE HORIZONTAL Énergie cinétique de translation Dans le référentiel d'étude, le mouvement d'un solide peut toujours être décomposé en un mouvement de translation et un mouvement de rotation. L’énergie cinétique du solide est une énergie qu'il possède du fait de ce double mouvement. Lorsqu'il est en translation, son énergie cinétique se réduit à son énergie cinétique de translation. Dans le référentiel d'étude, l'énergie cinétique de translation E, d'un système de masse m a pour expression : EC énergie cinétique en joule (J) 1 EC = mv2 m masse en kilogramme (kg) 2 –2 v vitesse en m.s Tous les points d'un solide en translation ont le même mouvement, donc la même vitesse. X B WAB = 0 Travail nul = 180° L’expression exacte de W0 X ( T ) s’obtient en considérant des variations de longueur infinitésimales dx : WAB > 0 Travail moteur =0 x(m) Agence de CHARLEVILLE MEZIERES ASPECTS ENERGETIQUES (FORCES) VARIATIONS DE L’ENERGIE MECANIQUE Énergie potentielle élastique En modifiant la longueur à vide d'un ressort (flipper, stylo à bille...), on lui fournit de l'énergie. L'énergie emmagasinée par un ressort du fait de sa déformation est appelée énergie potentielle élastique. Cette énergie est égale au travail mécanique de la force qu'on doit exercer pour le comprimer ou l'étirer, depuis sa position à vide. Le travail de la tension T d'un ressort déformé d'une quantité x depuis sa position à vide est : 1 W0 X ( T ) = kx2 2 En prenant comme état de référence l'état où le ressort n'est ni comprimé ni étiré (énergie potentielle nulle), l'énergie potentielle élastique Epe du ressort a donc pour expression : 1 2 kx 2 Epe énergie potentielle élastique–1 en joule (J) k constante de raideur en N.m x compression ou étirement en mètre (m) SYNTHESE Conservation en l'absence de phénomènes dissipatifs Dans la mesure où on peut négliger les frottements, l'énergie mécanique Em du pendule élastique en régime libre est constante au cours du temps. Il y a en permanence transfert d'énergie du solide au ressort (et vice-versa) tel que : EC = – Epe. Quand une grandeur reste constante au cours du temps, on dit se conserve. E qu'elle (J) E (J) Em Em EC EC Epe = Plus la compression ou l'étirement est grand, plus l'énergie emmagasinée est grande. L'énergie potentielle élastique est une énergie de réserve, qui peut être ultérieurement convertie en énergie cinétique. Énergie mécanique du pendule Le mouvement du pendule élastique horizontal est un mouvement de translation rectiligne. L'énergie mécanique Em d'un pendule élastique horizontal est la somme de l'énergie cinétique de translation EC du solide et de l'énergie potentielle élastique Epe du ressort Em = EC + Epe , avec Em en joule (J). Epe Epe – xm O xm x (m)– xm O En régime libre non amorti, l'élongation x du pendule élastique est une fonction sinusoïdale du temps, de période la période propre T 0 Elle prend donc des valeurs opposées à chaque demi période : T T xt + 0 = – x(t), doù : x2t + 0 = x2(t). 2 2 La fonction EPe(t), qui varie en x2, a donc pour T période 0. 2 Dans la mesure où on peut négliger les frottements, l'énergie cinétique EC et l'énergie potentielle élastique EPe du pendule en régime libre sont périodiques de T période 0. 2 EC, Epe (J) T0 2 Si la masse du ressort est négligeable devant celle du solide, l'énergie mécanique du pendule s'écrit à 1 1 chaque instant : Em = mv2 + kx2 , 2 2 où v est la vitesse du solide et x l'élongation du ressort. Le centre d'inertie du pendule élastique horizontal évolue toujours à la même altitude. Il n'est donc pas nécessaire de comptabiliser l'énergie potentielle de pesanteur, nulle si l'on prend l’état de référence à cette altitude. CLASSEUR Terminale S O T0 T0 t (s) 2 La conservation de l'énergie du pendule élastique en régime libre se traduit par le fait que l'amplitude des oscillations reste constante. Agence de CHARLEVILLE MEZIERES xm x (m) ASPECTS ENERGETIQUES (FORCES) Influence des frottements Dans la pratique, des frottements (au niveau de l'air ou d'un éventuel support) provoquent une diminution de l'énergie mécanique Em du pendule élastique en régime libre. En présence de frottements, l'énergie mécanique E m du pendule élastique en régime libre diminue. La variation d'énergie mécanique est égale au travail résistant des forces de frottements : Em = Wfrottement Si les frottements sont peu importants, la perte d'énergie mécanique se traduit par une diminution de l'amplitude des oscillations (régime pseudo– périodique). Si les frottements sont importants, il n'y a plus d'oscillations (régime apériodique). Dans le cas d'oscillations forcées, l'amplitude des oscillations reste constante, car l'excitateur fournit l'énergie nécessaire pour compenser les pertes dues aux frottements. METHODE Relier amplitude et vitesse maximale Au cours des oscillations du pendule élastique, l'allongement maximal xm du ressort est atteint en bout de course (la vitesse du solide est nulle) et la vitesse maximale vm du solide est atteinte lors du passage par la position d'équilibre (l'élongation du ressort est nulle). On considère l'état 1 du pendule lorsque le ressort est en bout de course : 1 Em = EC1 + Epe1 = 0 + kxm2 2 On considère l'état 2 du pendule lors du passage par la position d'équilibre : 1 Em = EC2 + Epe2 = mvm2 + 0 2 Dans la mesure où on peut négliger les frottements, on écrit que l'énergie mécanique Em du pendule se conserve : 1 1 kx 2 = mvm2, soit kxm2 = mvm2. 2 m 2 On relie ainsi xm et vm sans passer par les équations horaires : m k xm = v m ou vm = xm k m SYNTHESE ENERGIE MECANIQUE DANS LE CHAMP DE PESANTEUR TERRESTRE On étudie l'énergie d'un projectile de masse m en mouvement dans le champ de pesanteur terrestre uniforme LES REFERENTIELS D’ETUDE Énergie cinétique de translation Dans le référentiel terrestre, on considère le projectile en mouvement de translation (tous ses points ont le même mouvement). Son énergie cinétique se réduit donc à son énergie cinétique de translation EC : 1 EC = mv2 2 EC énergie cinétique de translation en joule (J) (kg) m masse en kilogramme v vitesse en m.s–1 Énergie potentielle de pesanteur : L'énergie emmagasinée par un corps du fait de sa position par rapport à la Terre est appelée énergie potentielle de pesanteur. Sa variation est égale au travail mécanique de la force à exercer pour modifier l'altitude de ce corps, sans lui communiquer d'énergie cinétique. Dans le champ de pesanteur terrestre uniforme, la force F à exercer est l'opposée du poids P . Le travail de la force F pour élever le centre d'inertie du corps de l'altitude 0 à l'altitude z est : W( F ) = – W( P ) = – mg(0 – z) = mgz En prenant comme état de référence l'état d'altitude z = 0 pour le centre d'inertie (énergie potentielle nulle), l'énergie potentielle de pesanteur EPP d'un projectile a pour expression : Epp = mgz EPP énergie potentielle de pesanteur en joule (J) m masse en kilogramme (kg) –2 g intensité de la pesanteur m.s z altitude du centre d'inertie en mètre (m) Énergie mécanique du projectile L'énergie mécanique Em d'un projectile dans le champ de pesanteur terrestre est la somme de son énergie cinétique EC et de son énergie potentielle de pesanteur Epp : Em = EC + Epp, avec Em en joule (J). Pour un projectile de masse m, dont le centre d'inertie se déplace à l'altitude z et dont la vitesse de 1 translation est v : Em = mv2 + mgz 2 CLASSEUR Terminale S Agence de CHARLEVILLE MEZIERES ASPECTS ENERGETIQUES (FORCES) VARIATIONS DE L’ENERGIE MECANIQUE Conservation en l'absence de phénomènes dissipatifs Outre son poids exercé par la Terre, un projectile n'est soumis qu'aux forces exercées par l'air (la poussée d'Archimède et les forces de frottement fluide). Dans la mesure où les forces exercées par l'air sont négligeables, l'énergie mécanique Em du projectile est constante au cours du temps. Les variations d'énergie cinétique et potentielle de pesanteur se compensent exactement : EC = – Epp. SYNTHESE Exemple : Dans le cas d'un pendule élastique vertical en régime libre, les variations d'énergie cinétique du pendule s'accompagnent de variations de l'énergie potentielle de pesanteur (variation de l'altitude du centre d'inertie) et de l'énergie potentielle élastique (variation de l'allongement du ressort). En l'absence de frottements, l'énergie mécanique E m du pendule se conserve. Dans la mesure où on peut négliger les frottements, l'énergie mécanique Em d'un système qui évolue librement est constante au cours du temps. En présence de frottements, l'énergie mécanique E m d'un système qui évolue librement diminue au cours du temps. La variation d'énergie mécanique est égale au travail résistant des forces de frottements : Em = Wfrottement Si le projectile descend, son énergie potentielle EPP diminue et son énergie cinétique EC augmente d'autant. Si le projectile s'élève, son énergie cinétique EC diminue et son énergie potentielle de pesanteur EPP augmente d'autant. z (m) E(J) B Em = cte zB v0 A Epp 1 B mv02 2 zA EC A mgzA B A C z O O zA B z (m) C x (m) Trajectoire Energies METHODE Reconnaître les graphes de différentes formes d’énergie E (J) 1 2 3 O t (s) Influence des frottements Dans la pratique, les frottements dus à l'air entraînent une diminution de l'énergie mécanique E m du projectile en interaction avec la Terre. En présence de frottements, l'énergie mécanique Em du projectile diminue. La variation d'énergie mécanique est égale au travail résistant des forces de frottements : Em = Wfrottement GENERALISATION A UN SYSTEME QUELCONQUE Un système quelconque peut posséder différentes formes d'énergie potentielle correspondant aux différentes interactions auxquelles il participe : énergie potentielle de pesanteur Epp, énergie potentielle élastique Epe … L'énergie mécanique Em du système est la somme de son énergie cinétique EC et de toutes les énergies potentielles : Em =EC + Epe + Epp + … CLASSEUR Terminale S Un pendule, écarté de sa position d’équilibre, est lâché sans vitesse initiale à la date t = 0. On a représenté 1es variations au cours du temps de l’énergie cinétique EC, de l’énergie potentielle de pesanteur Epp et de l’énergie mécanique Em. L’énergie mécanique Em est la somme de l’énergie cinétique EC et de l’énergie potentielle de pesanteur Epp : la courbe représentant Em s’obtient par addition des deux autres courbes (courbe 1) On étudie les variations de l’énergie potentielle de pesanteur Epp. Quand on lâche le pendule, il perd de l'altitude : Epp diminue. Après passage par la position d'équilibre, le pendule remonte : Epp augmente. La courbe Epp(t) est décroissante puis croissante : c'est la courbe 2. On étudie les variations de l’énergie cinétique EC. Quand le pendule perd de l’altitude, sa vitesse augmente : EC augmente. Après passage par la position d’équilibre, sa vitesse diminue : EC diminue. La courbe EC(t) est croissante puis décroissante : c'est la courbe 3. Agence de CHARLEVILLE MEZIERES