1. L’énergie mécanique définition
Un train qui roule sur ses rails, un cycliste qui monte une côte ; soit autant d’exemples où l’énergie mécanique est mise en jeu. Cette dernière doit être divisée en deux sous-formes d’énergie : l’énergie cinétique, et l’énergie potentielle de pesanteur. Ce sont les deux composantes de l’énergie mécanique.
2. L’énergie cinétique
L’énergie cinétique est l’énergie qui résulte de la vitesse et de la masse d’un corps. En effet, tout objet qui se déplace et dont la masse n’est pas nulle possède de l’énergie cinétique. Cette énergie n’étant pas stockable sur le long terme, on la qualifiera d’énergie de flux. Même s’il est possible de la stocker quelques instants (via l’inertie mécanique). Elle se calcule via la relation suivante :
Ec = ½ x m x v²
Où m est la masse du corps (en kg) et v sa vitesse (en mètre par seconde, m.s-1)
Prenons l’exemple d’un véhicule de course (1000 kg) circulant à 180 km.h-1. L’énergie cinétique de ce dernier se calcule facilement. Il faut commencer par convertir la vitesse en mètre par seconde, ce qui donne 50 m.s-1 (il suffit de diviser par 3.6).
Ec = ½ x 1000 x 50²
Ec = 1250000 J
Le véhicule dispose donc de 1250000 J (ou 1.25 MJ, méga Joules).
3. L’énergie potentielle de pesanteur
De son côté, l’énergie potentielle de pesanteur résulte de l’attraction terrestre. Il est assez intuitif de penser que pour élever un corps (par exemple monter un sac à dos d’un étage), il est nécessaire de lui apporter de l’énergie. Pendant l’élévation, cette énergie est stockée sous forme d’énergie potentielle de pesanteur. Elle dépend de la masse du corps, de l’intensité de la pesanteur et de l’élévation. Elle s’exprime ainsi :
Epp = m x g x z
Où m est la masse du corps (en kg), g est l’intensité de la pesanteur (en m.s-2 ; sur Terre, on prendra g = 9.81 m.s-2) et z l’altitude.
Une masse de 1 kilogramme, à une altitude de 300 m, possède une énergie potentielle de pesanteur de 1 x 9.81 x 300 = 2943 J. Pour élever cette même masse de 10 m (environ 3 étages), il faudrait lui apporter 1 x 9.81 x 10 = 98.1 J.
Relation entre énergie mécanique, énergie cinétique et énergie potentielle de pesanteur.
De manière générale, l’énergie mécanique est directement la somme des énergies cinétique et potentielle de pesanteur.
Em= Ec + Epp
Un cas un peu particulier est la chute libre d’un objet. Durant cette dernière, la somme entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de pesanteur est toujours constante. Cela s’explique par le fait qu’à mesure que l’objet perd de l’altitude (et donc de l’énergie potentielle de pesanteur) il voit sa vitesse augmenter (tout comme son énergie cinétique).
Prenons l’exemple d’un objet d’une masse de 1 kg, qui est lâché à 300 m d’altitude. Le graphe suivant présente l’évolution des énergies mécanique, cinétique et potentielle de pesanteur. On constante qu’à mesure que le corps perd son énergie potentielle (courbe verte), il gagne de l’énergie cinétique (en rouge). La somme des deux est bel et bien constante (courbe bleue). On notera que l’objet touchera le sol en moins de 8 s.
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