L'énergie cinétique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir l'énergie et reconnaître une source d'énergie ;
• définir l'énergie cinétique d'un corps en mouvement ;
• reconnaître les facteurs dont elle dépend : la masse et la vitesse (ou la vitesse angulaire pour une rotation) ;
• décrire le transfert d'énergie cinétique au cours d'un choc et sa diminution sous l'effet des forces résistantes.
Prérequis : sources d'énergie renouvelables et non renouvelables, vitesse d'un mobile, chute libre.
Situation de départ
Lors des essais de sécurité, une voiture lancée à seulement 50 km/h contre un mur a son capot froissé comme du papier. Un camion à la même vitesse fait des dégâts bien plus graves, et la même voiture à 100 km/h est complètement détruite.
D'où viennent les forces énormes qui déforment les tôles ? Et pourquoi dépendent-elles autant de la masse et de la vitesse du véhicule ?
I. L'énergie et ses sources
1. Forces motrices et moteurs
Pour déplacer un objet, un outil ou un véhicule, il faut exercer des forces motrices. Un système capable d'exercer une force motrice est un moteur : les muscles, un moteur à essence, un moteur électrique, une turbine à vapeur...
Tout moteur consomme quelque chose pour fonctionner : des aliments et de l'oxygène pour le muscle, du carburant pour le moteur à essence, le courant du réseau pour le moteur électrique. Le moteur est un convertisseur : il transforme ce qu'il reçoit en forces motrices.
2. Définition de l'énergie
Un système qui peut, avec un convertisseur approprié, produire des forces motrices possède de l'énergie : c'est une source d'énergie. Dans le Système International, l'énergie s'exprime en joule (J).
Multiples et sous-multiples : 1 kJ = 103 J ; 1 MJ = 106 J ; 1 mJ = 10-3 J. Pour les particules (électrons, atomes), on utilise l'électronvolt : 1 eV = 1,6.10-19 J.
Origine des sources d'énergie
| Origine | Exemples de sources |
|---|---|
| mécanique | vent, rivière, chute d'eau |
| chimique | pile, carburant, aliments, bois |
| thermique | vapeur chaude sous pression d'une chaudière |
| électrique | réseau de distribution de la STEG |
| nucléaire | réacteur d'une centrale, le Soleil |
L'énergie ne peut pas être créée à partir de rien : si elle apparaît sous une forme, c'est qu'elle a disparu sous une autre forme. Le vent, la pluie qui remplit les barrages, le bois et même le pétrole doivent leur énergie, directement ou non, au Soleil.
II. L'énergie cinétique
1. L'énergie d'un corps en mouvement
Posons doucement un marteau sur la tête d'un clou : rien ne se passe. Lançons-le avec une vitesse V : le clou s'enfonce de quelques millimètres dans le bois. Pendant le choc, le marteau s'arrête : il a perdu quelque chose qui était lié à son mouvement, et qui a été transféré au système {clou, planche} pour le déformer.
Cette énergie, le marteau l'avait reçue de la force musculaire de l'utilisateur, qui l'avait mis en mouvement.
Tout corps en mouvement possède une énergie appelée énergie cinétique, notée Ec. C'est une forme d'énergie mécanique ; elle s'exprime en joules. Un corps immobile (dans le repère choisi) a une énergie cinétique nulle.
2. Translation et rotation
• Un solide libre au repos, soumis à une force motrice, se met en mouvement de translation : il acquiert de l'énergie cinétique de translation (un ballon qu'on lance, un chariot qu'on pousse).
• Un solide mobile autour d'un axe fixe, soumis à un couple moteur, se met à tourner : il acquiert de l'énergie cinétique de rotation (une meule, une roue de vélo).
• L'énergie cinétique d'un système est la somme des énergies cinétiques de toutes ses parties : pour une voiture qui roule, celle de la carrosserie, des passagers, des roues qui avancent et tournent, des pièces du moteur.
Le vent qui fait tourner une éolienne, l'eau d'une rivière qui actionne un moulin : ce sont des sources d'énergie cinétique. L'éolienne convertit l'énergie cinétique de l'air en énergie cinétique de rotation des pales, puis l'alternateur la transforme en énergie électrique.
III. Les facteurs de l'énergie cinétique
1. La masse et la vitesse
Un chariot est lâché du même point d'un plan incliné : il arrive toujours à la même vitesse sur une canette vide placée contre un mur, et l'écrase en s'arrêtant. Avec une surcharge (masse doublée), il arrive à la même vitesse mais la canette est plus écrasée : l'énergie cinétique mise en jeu est plus grande.
Lâché de plus haut, le chariot seul arrive plus vite : la canette est encore plus écrasée.
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