Chapitre 21 : Travail et énergie 1. Travail d’une force 1.1. Définition Définition Le travail(1) WAB( F ) d’une force F , lors d’un déplacement rectiligne de son point d’application du point A vers le point B, est égal au produit scalaire de la force F par le vecteur déplacement AB : WAB( F ) = F AB = F AB cos = F AB cos = angle entre les vecteurs F et AB WAB ( F ) = travail (en J) F = intensité de la force F (en N) AB = déplacement (en m) Remarque : le travail d’une force est nul si - son point d’application ne change pas au cours du temps ( A = B) ; sa direction est perpendiculaire à celle (direction) du déplacement (voir plus loin). 1.2. Forces conservatives ou non conservatives (2) F Mi M1 Mi+1 (1) F A Mn F est une force constante sur toute la durée du parcours B - Soit une force F dont le point d’application se déplace entre les points A et B suivant la trajectoire (1) rectiligne. Le travail de cette force sera donné par : (1) WAB (F) = F AB - Si maintenant le point d’application de cette force se déplace suivant une trajectoire (2) quelconque. Quel sera le travail de F ? n (2) WAB (F) = dW (F) = F AM1 + … + F Mi Mi1 + … + F MnB i 1 = F ( AM1 + … + Mi Mi1 + … + Mn B ) = F AB Rappel u v w u v u w On constate donc que WAB (F) WAB (F) (1) (2) A RETENIR : Lorsqu’une force est constante, son travail entre deux points A et B ne dépend pas du chemin suivi. On dit que la force est conservative. 1 La lettre W, utilisée pour désigner le travail, vient du mot anglais « work ». Cas d’un solide en translation rectiligne : Si toutes les forces sont constantes, alors : n W Ai Bi (Fi ) = WA1B1 (F1 ) + WA2B2 (F2 ) + … + WAn Bn (Fn ) 1 = F1 A1B1 + F2 A2 B2 + … + Fn An Bn = ( F1 + F2 + …+ Fn ) AB n = F iext AB = F AB (avec F = résultante des forces extérieures appliquées au solide) 1 A RETENIR : - Pour un solide en translation rectiligne, la somme des travaux des forces appliquées au solide est égale au travail de leur résultante ; - Si le solide est en translation rectiligne uniforme alors la résultante des forces est nulle (1ère loi de newton) donc la somme des travaux des forces est nulle. 1.3. Travail moteur - Travail résistant Le travail est une grandeur algébrique ( qui a un signe) : WAB( F ) = F AB cos F = intensité de la force > 0 AB = distance parcourue > 0 cos est tel que : 1 < cos < 1 Si < 90° (angle aigu) alors la force F favorise le déplacement : WAB( F ) > 0, le travail est dit moteur Si = 90° (angle droit) alors la force F s’oppose au déplacement : F AB WAB( F ) = 0, le travail est dit nul Si 90° < 180° (angle obtus) alors la force F s’oppose au déplacement : WAB( F ) < 0, le travail est dit résistif ou résistant 1.4. Cas du poids zB g Soit une balle qui roule le long d’une pente. Calculons le travail du poids de la balle lorsque son centre d’inertie G passe d’un point A, d’altitude zA, à un point B d’altitude zB en suivant une trajectoire quelconque. La trajectoire n’étant pas rectiligne, calculons le travail du poids pour un déplacement élémentaire, ainsi la portion de trajectoire correspondante sera assimilable à un segment de droite. zA Pour le déplacement élémentaire AM1 , la travail du poids s’écrit : dW1( P ) = P AM1 Pour le déplacement Mi Mi1 , la travail du poids s’écrit : dWi ( P ) = P Mi Mi1 Pour le déplacement Mn B , la travail du poids s’écrit : dWn( P ) = P Mn B Finalement, le travail du poids, lorsque le centre de gravité G va du point A au point B s’écrira : n WAB( P ) = dW (P) = P AM1 i + … + P Mi Mi1 + … + P Mn B 1 = P ( AM1 + … + Mi Mi1 + … + Mn B ) = P AB Exprimons le produit scalaire P AB en fonction des coordonnées des deux vecteurs dans le repère orthonormé (O, x, y) : Rappel xB xA 0 et AB yB yA WAB( P ) = mg (zA – zB) P 0 mg z z B A x x' Produit scalaire de u y par v y ' : z z' u v xx ' yy ' zz ' (dans un repère orthonormé) Autre méthode : z A g zA WAB( P ) = P AB P AB cos(P, AB) AB y = P AB cos P Or cos = zB B WAB( P ) = P ( zB zA ) = mg (zB – zA) = mg (zA – zB) x O zB zA AB Si zA > zB, le mobile descend et WAB( P ) > 0 : le poids effectue un travail moteur. Si zA < zB, le mobile s'élève et WAB( P ) < 0 : le poids effectue un travail résistant. Exercice : calculer le travail du poids du ballon de basket (m = 650 g) entre le point de lancer (altitude : 2,20 m) et le panier (altitude : 3,05 m). Commenter le signe de ce résultat. Réponse : W = – 5,42 J (travail résistant). 1.5. Cas d’une force électrique Une particule de charge électrique q se déplace dans un champ électrostatique uniforme E (ci-contre). Elle est soumise à une force électrique Fe q E constante (donc conservative) d’intensité Fe = |q| E. Lors de son déplacement la force électrique exerce un travail donné par : WAB( Fe ) = Fe AB Fe AB cos q E AB cos q en C E en V.m–1 C WAB( Fe ) = Fe AB Fe AC Fe CB Or Fe CB Fe CB 0 WAB( Fe ) = Fe AC q E AC =|q| E AC Rappel (1ère S) : le condensateur plan Caractéristiques du champ électrostatique E à l’intérieur d’un condensateur : - Le champ est uniforme ; Direction : orthogonale (perpendiculaire) aux plaques ; Sens : de la plaque chargée positivement vers la plaque chargée négativement ( du « vers le ») ; Sa valeur : U tension entre les deux plaques (en V) d distance entre les deux plaques (en m) U E d E U AC AC U AB AC E intensité du champ (en V.m1 ) WAB( Fe ) = |q| UAB A RETENIR : Le travail d’une force électrique F exercée sur une particule électrique de charge électrique q lors de son déplacement de A à B dans un champ électrique uniforme est : WAB( F ) = q UAB Exercice : L’électron-volt, de symbole eV, est une unité d’énergie égale à la valeur absolue du travail de la force électrique exercée sur un électron lors d’un déplacement correspondant à une tension de 1 V. Calculer la valeur d’un électron-volt en joules. Réponse : 1 eV = e J = 1,60218 10−19 J 1.6. Cas d’une force de frottements Lorsqu’un solide est en mouvement sur un support ou dans un fluide, il est soumis à une force de frottements exercée par le support (frottements solides) ou par le fluide (frottements fluides). Cette force de frottements n’est pas conservative : le système perd de l’énergie par transfert thermique vers l’extérieur, réalisée par le travail de la force de frottements. Le travail de cette force sur un déplacement allant de A vers B dépend du chemin emprunté. Frottements fluides Frottements solides f s’oppose au déplacement du solide. f s’oppose au déplacement du solide. Seule la réaction tangentielle exerce un travail résistant. Le travail de la force de frottements, d’intensité constante f, sur une trajectoire rectiligne est donné par : WAB( f ) = f AB = f AB cos = – f AB A RETENIR : Une force de frottements est une force non conservative. (car = 180°) 2. Puissance d’une force Définition Soit une force F qui effectue un travail WAB( F ) pendant une durée t. La puissance Pmoyenne de cette force est le quotient du travail par la durée mise pour l’effectuer : Pmoyenne W (F) AB t Pmoyenne = puissance moyenne de la force F (en W) WAB( F ) = travail de la force F sur le trajet AB (en J) t = durée du parcourt de la force F sur le trajet AB (en s) Remarques : - multiples du watt : Le kilowatt : 1 kW = 103 W Le mégawatt : 1 MW = 106 W Le gigawatt: 1 GW = 109 W - dans l’industrie automobile, on utilise le cheval-vapeur : 1 ch = 736 W Cas d’un solide en translation rectiligne uniforme : Si pendant un intervalle de temps dt = tB - tA très court une force F effectue, au cours d’un déplacement très court dl , un travail dW = F dl très petit alors la puissance avec laquelle le travail de cette force est effectué s’appelle la puissance instantanée : Pinstantanée dWdl (F) dt Or dl v dt avec v = vitesse instantanée du point d’application de la force. Pinstantanée dWdl (F) F dl dl F Fv dt dt dt A RETENIR : On appelle puissance instantanée (à l’instant t) d’une force F quelconque dont le point d’application à pour vecteur vitesse instantanée v à l’instant t, le produit F v . 3. Énergie cinétique (Rappel 1ère S) 3.1. Définition Définition On appelle énergie cinétique d’un mobile, l'énergie qu'il possède du fait de son mouvement. Pour un solide en translation (tous les points ont le même vecteur vitesse). Elle se note Ec et s’exprime en Joule (symbol : J) : 1 E c mVG2 2 Ec = énergie cinétique (en J) m = masse du solide (en kg) VG = vitesse du centre d’inertie du solide (en m.s-1) Remarque : l’énergie cinétique d’un solide en mouvement quelconque, formé de particules de masses m1, m2 , m3, … dont les centres d’inertie ont pour vitesses V1, V2, V3, …s’écrira : Ec = 1 1 1 m1V12 + m2 V22 + m3 V32 + … 2 2 2 On pourrait comparer l’énergie cinétique d’un objet à un réservoir qu’il vide ou remplit, au fil de sa trajectoire, en fonction des forces qui lui sont appliquées : - le réservoir est vide lorsque l’objet est immobile (vitesse nulle) ; le réservoir se remplit lorsque l’objet accélère, d’autant plus vite que l’objet est lourd. Exercice : Calculer l’énergie cinétique d’un poids lourd de masse M = 22 tonnes se déplaçant sur une route rectiligne avec une vitesse v = 72 km/h 1 E c Mvg2 2 Réponse : il faut appliquer la relation et ne pas oublier de convertir les données dans le Système International. M = 22 tonnes = 22 103 kg = 2,2 103 kg vG = 72 km/h = 20 m/s Ec 1 (2, 2 104 ) 20² 4, 4 106 J = 4,4 MJ 2 3.2. Théorème de l’énergie cinétique Définition Dans un référentiel galiléen, la variation de l’énergie cinétique d’un solide, entre les instants tinitial et tfinal, est égale à la somme des travaux des forces extérieures appliquées au solide entre ces deux instants : 1 1 2 2 mV final mVinitial = 2 2 W(F ext ) Remarque : cet énoncé est un cas particulier du théorème de la variation de l’énergie cinétique, valable pour tout système, même déformable. Théorème de la variation de l’énergie cinétique : Dans un référentiel galiléen, la variation de l’énergie cinétique d’un système quelconque, entre les instants tinitial et tfinal, est égale à la somme des travaux des forces intérieures et extérieures appliquées au système entre ces deux instants : Ecfinal – Ecinitial = W(F ext )+ W(F int ) - les vitesses de chaque particule constituant le système peuvent être différentes, les expressions des énergies cinétiques doivent en tenir compte ; - Il faut tenir compte des travaux des forces extérieures au système mais aussi des travaux des forces intérieures au système. 4. Énergie potentielle de pesanteur (Rappel 1ère S) Définition L’énergie potentielle de pesanteur est l’énergie que possède un solide lorsqu’il est en mouvement. Elle se note EPP (ou EP) et s’exprime, dans le système internationale d’unité, en joule (symbole : J). Pour un solide en mouvement de translation, son expression est donnée par : m masse du solide en mouvement (en kg) EPP m g z Cte g intensité de pesanteur (9,81 N.kg 1 pour la Terre) z altitude du solide (en m) EPP énergie potentielle de pesanteur du solide (en J) « Cte » est une constante (Cte ℝ) prise par convention égale à 0 lorsque z = 0 m EP = 0 pour z = 0 m. Remarque : La variation de l’énergie potentielle de pesanteur Epp est toujours donnée par la relation : Epp = EppB EppA = mg (zB – zA) = – WAB( P ) ( §1.4) 5. Énergie potentielle élastique Après avoir été étiré (b) ou comprimé (c), un ressort (a) revient, une fois lâché, vers sa forme d’équilibre (a). Sa déformation lui confère ainsi une certaine forme d’énergie, appelée énergie potentielle élastique : Définition L’énergie potentielle élastique est l’énergie que possède un ressort du fait de sa déformation. Elle se note EPE et s’exprime, dans le système internationale d’unité, en joule (symbole : J) : 1 EPE k x 2 2 k constante de raideur du ressort (en N.m1 ) x élongation (en m) EPE énergie potentielle élastique du ressort (en J) 6. Énergie mécanique (Rappel 1ère S) Définition On appelle énergie mécanique d’un solide en interaction avec la Terre, la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle, elle se note Em et s’exprime en Joule (symbole : J) : EM = EC + E P = 1 mv² + mg z 2 Cette énergie reste constante (ou se conserve) au cours d’un mouvement de translation dans un référentiel galiléen (voir chapitre suivant). Définition Dans le cas où un solide, de masse m, est soumis à un champ de pesanteur variable (cas où sa distance au centre de la Terre n’est plus négligeable devant le rayon de la Terre), on utilise alors l’énergie potentielle de gravitation, définie par : m MT EPG = G RT z MT = masse de la Terre (kg) m = masse du solide (kg) RT = rayon de la Terre (m) z = altitude du centre d’inertie du solide (m) G = constante de gravitation = 6,67.10-11 N.m².kg-2 En prenant EPP = 0 pour une altitude infinie (z ) La variation de l’énergie potentielle de pesanteur Epp est toujours donnée par la relation : Epp = EppB EppA = mg (zB – zA) = – WAB( P ) ( §1.3)