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Première S

Partie 4 : Énergie et principe de conservation.

Chapitre 18 : Énergie mécanique. 1 Introduction. 1.1 Mécanique. Définition La mécanique est l’étude des mouvements et de leurs caractéristiques (forces, vitesse, positions...).

En mécanique, il est souvent très intéressant d’étudier le mouvement d’un objet sous l’aspect énergétique. Sous quelle forme l’énergie d’un solide en mouvement peut-elle bien se trouver ?

1.2 Formes d’énergie. Propriété Il n’existe que deux formes d’énergie : l’énergie cinétique et l’énergie potentielle, soit à l’échelle macroscopique, soit à l’échelle microscopique. • L’énergie cinétique découle de la vitesse de l’objet. • L’énergie potentielle provient toujours d’une force qui travaille. Échelle macroscopique Énergie cinétique Énergie potentielle Énergie cinétique Ec E pp E pe Agitation thermique Vitesse Position Température

Échelle microscopique Énergie potentielle Chimique Changements d’état Liaisons

Nucléaire

2 L’énergie mécanique. En général, lors du mouvement d’un solide, (comme un ballon de basket), sa température ne varie pas, il ne subit pas de transformations chimiques, ni de changement d’état (il ne fond pas, par exemple) et encore moins de transformations nucléaires (heureusement). Par contre, sa vitesse (donc son énergie cinétique) varie. S’il est soumis à des forces extérieures (poids, tension d’un ressort...), ses énergies potentielles peuvent varier. Propriété Les énergies à l’échelle microscopique ne varient pas lors du mouvement d’un solide. Seules les énergies à l’échelle macroscopiques varient.

Définition On appelle énergie mécanique d’un système, la somme de ses énergies cinétique et potentielles à l’échelle macroscopique. P Em = Ec + E p

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Partie 4 : Énergie et principe de conservation.

3 L’énergie cinétique.

Définition L’énergie cinétique d’un objet est l’énergie liée à la vitesse de cet objet. Elle est proportionnelle à la masse et au carré de la vitesse : masse (kg) Vitesse (m.s −1 )

1 E = m × v2 2 Énergie cinétique (J)

Remarque Étant donné que la vitesse dépend du référentiel d’étude, l’énergie cinétique est donc relative.

4 L’énergie potentielle de pesanteur.

Définition Tout corps massique plongé dans un champ de pesanteur g et situé à une altitude z possède une énergie potentielle de pesanteur : masse (kg)

Altitude (m)

E = mg z Énergie potentielle de pesanteur (J)

intensité de la pesanteur (N.kg −1 )

Propriété Comme l’énergie cinétique, l’énergie potentielle de pesanteur est relative : elle dépend de l’altitude de référence.

5 L’énergie potentielle élastique.

Définition Un ressort exerce une force proportionnelle à son allongement. −→ → − F = k∆l −→ où k est appelée constante de raideur du ressort (en N.m −1 ) et∆l est le vecteur allongement exprimé en m.

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Partie 4 : Énergie et principe de conservation. F FB

xA

−→ FB

x

xB

FA xA

xB

x

Définition L’énergie contenue dans un ressort de constante de raideur k et d’allongement x est : Constante de raideur (N.m −1 ) Allongement (m)

1 E = k × x2 2 Énergie potentielle élastique (J)

Propriété L’énergie potentielle élastique est absolue.

6 Loi de conservation. Univers

Milieu extérieur E ⇒

Système

Définition Un système mécanique est dit conservatif s’il n’échange aucune énergie avec le milieu extérieur, c’est à dire si son énergie mécanique reste constante. Em = cs t e ou ∆Em = 0 Mais il peut y avoir transfert entre l’énergie cinétique et les énergies potentielles. Définition Un système qui perd de l’énergie au profit du milieu extérieur est un système dissipatif. Propriété Jusqu’à preuve du contraire, l’énergie totale de l’Univers se conserve !

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