Le théorème de l'énergie cinétique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• énoncer le théorème de l'énergie cinétique ;
• l'appliquer pour déterminer une grandeur difficile à mesurer (force de frottement, force motrice, distance de freinage) ;
• distinguer un choc élastique d'un choc inélastique.
Situation
Quand l'archer lâche la corde, la flèche part à grande vitesse. D'où vient son énergie cinétique, et comment la calculer sans connaître le détail du mouvement ?
I. Le théorème de l'énergie cinétique
1. Deux cas simples
Chute libre
- Une bille tombe entre z1 et z2 (axe vers le bas). Son mouvement est uniformément accéléré, donc v22 - v12 = 2g(z2 - z1), d'où : ΔEc = m g(z2 - z1) = W(P→). Le poids est moteur à la descente (l'énergie cinétique augmente), résistant à la montée.
Rotation
- En rotation uniformément variée autour d'un axe fixe : ΔEc = (1/2)J(θ'22 - θ'12) = J.θ''.(θ2 - θ1) = ΣM.(θ2 - θ1). Or le travail d'un couple de moment M constant pour une rotation θ2 - θ1 vaut W = M.(θ2 - θ1).
Dans les deux cas, la variation de l'énergie cinétique est égale à la somme des travaux des forces.
2. Le théorème de l'énergie cinétique
Dans un référentiel galiléen, la variation de l'énergie cinétique d'un système, entre deux instants, est égale à la somme algébrique des travaux de toutes les forces, extérieures et intérieures, qui s'exercent sur lui entre ces deux instants.
- Solide indéformable : les forces intérieures s'annulent deux à deux et leurs travaux aussi : seules les forces extérieures comptent.
- Système déformable : le travail des forces intérieures n'est pas forcément nul. Deux chariots qui compriment un ressort retenu par un fil s'écartent quand on brûle le fil : seules les forces intérieures du ressort ont travaillé.
- Validité : pour un solide en translation, dEc/dt = m.v→.a→ = F→.v→ (puissance des forces), en utilisant le théorème du centre d'inertie, qui n'est valable que dans un référentiel galiléen.
Méthode
- choisir le système et le référentiel
- préciser l'état initial et l'état final
- faire le bilan des forces et calculer leurs travaux
- appliquer le théorème.
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