Énergie cinétique : définition, types et rapport avec le travail

Vous avez sûrement étudié à l'institut énergie cinétique dans le domaine de la physique. Sinon, vous en avez probablement entendu parler dans une étude scientifique ou dans les médias. Et c’est une énergie cruciale pour l’étude du mouvement des objets. Cependant, de nombreuses personnes ne savent toujours pas ce qu’implique réellement l’énergie cinétique, comment elle fonctionne et comment elle est mesurée.

Dans cet article, nous allons proposer un guide complet sur l'énergie cinétique, en approfondissant sa définition, ses utilisations, ses types et la manière dont elle est calculée. De plus, nous fournirons des exemples utiles et passerons en revue les concepts liés à d'autres types d'énergie, afin que vous compreniez pleinement l'importance de l'énergie cinétique dans la physique et la vie quotidienne.

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Quelle est la définition de l'énergie cinétique ?

Lorsqu'on parle d'énergie cinétique, certaines personnes pensent qu'il s'agit d'un type d'énergie utilisé pour produire de l'électricité ou une ressource similaire. Cependant, l'énergie cinétique est simplement la énergie qu'un objet possède en raison de son mouvement. D’une manière simple, on pourrait dire que tout objet en mouvement possède de l’énergie cinétique.

Pour qu’un objet au repos commence à bouger, une force doit lui être appliquée. Lorsque cette force est appliquée, l’objet surmonte les forces de résistance (telles que le frottement du sol ou de l’air) et commence à se déplacer. Au cours de ce processus, l’énergie associée à l’objet en mouvement est ce que nous appelons l’énergie cinétique.

Par conséquent, L'énergie cinétique dépend de deux facteurs clés : la masse de l'objet et sa vitesse. Plus la masse et la vitesse sont grandes, plus l'objet aura d'énergie cinétique. Une augmentation de la vitesse entraîne une augmentation significative de l’énergie, puisque l’énergie dépend quadratiquement de la vitesse.

Cette énergie peut être transférée d'un objet à un autre. Par exemple, dans le cas d’une collision, une partie de l’énergie cinétique de l’objet heurté est transférée à l’objet impacté.

Relation entre l'énergie cinétique et le travail

L'énergie cinétique est étroitement liée au concept de travail en physique. Il travail effectuée sur un objet pour modifier sa vitesse, c'est ce qui lui donne son énergie cinétique. Ce travail est défini comme le produit de la force appliquée à l’objet et de la distance qu’il parcourt grâce à cette force.

L’équation du travail est :

W = F · d · cos(θ)

Ici, W le travail est-il fait, F est l'ampleur de la force appliquée, d est la distance parcourue, et θ est l'angle entre la force et le déplacement.

Nous pouvons considérer l’énergie cinétique comme le travail nécessaire pour amener un objet du repos à sa vitesse actuelle.

Types d'énergie cinétique

Il existe deux principaux types d’énergie cinétique, selon le type de mouvement décrit par l’objet :

• Énergie cinétique de translation: Se produit lorsqu'un objet se déplace le long d'une trajectoire rectiligne. Par exemple, lorsqu’une voiture roule sur une route droite, elle possède une énergie cinétique de translation.
• Énergie cinétique de rotation: Apparaît lorsqu'un objet tourne sur son propre axe. L’exemple le plus clair est celui d’une roue qui tourne ou des pales d’un ventilateur en mouvement.

En plus de ces types, l’énergie cinétique peut également se manifester à d’autres niveaux. Par exemple, au niveau microscopique, le mouvement des atomes dans un solide génère un énergie cinétique thermique, qui est responsable de la chaleur. Les électrons se déplaçant dans un circuit génèrent également énergie cinétique électrique.

Comment l'énergie cinétique est-elle calculée?

Calculer l’énergie cinétique d’un objet est relativement simple si l’on connaît sa masse et sa vitesse. La formule générale du énergie cinétique est donné par :

Pour mieux comprendre cette équation, il est utile d’expliquer les termes :

• E_c: Représente l'énergie cinétique, mesurée en joules (J).
• m: C'est la masse de l'objet, mesurée en kilogrammes (kg).
• v: Correspond à la vitesse de l'objet, mesurée en mètres par seconde (m/s).

Comme vous pouvez le constater, l’énergie cinétique est proportionnelle à la masse, mais dépend du carré de la vitesse, ce qui signifie que doubler la vitesse d’un objet quadruple son énergie cinétique.

De plus, l'énergie cinétique d'un objet peut toujours être positive ou au moins égale à zéro si l'objet est au repos.

Accélération et frottement en énergie cinétique

énergie cinétique Il n'agit pas tout seul dans l'univers. Elle est souvent influencée par d'autres forces, principalement la force de friction et l'accélération.

Lorsque nous appliquons une force à un objet, celui-ci commence à accélérer. À mesure que votre vitesse augmente, votre énergie cinétique augmente également. Cependant, si nous arrêtons d’appliquer une force, d’autres facteurs, tels que le frottement de l’air ou le contact avec le sol, commenceront à décélérer l’objet. Ce processus réduit son énergie cinétique jusqu'à ce que l'objet s'arrête.

Pour cette raison, la connaissance des forces de frottement est essentielle pour comprendre le comportement d’un objet en mouvement. Par exemple, lorsque vous conduisez une voiture, l’énergie cinétique des roues interagit constamment avec le sol, ce qui détermine la quantité de puissance nécessaire pour maintenir la voiture en mouvement.

Formule de l'énergie cinétique : application en mécanique classique et relativiste

En mécanique classique, les vitesses impliquées sont bien inférieures à la vitesse de la lumière. Dans ce cas, la formule E_c = ½ mv² C’est parfaitement valable pour calculer l’énergie cinétique d’un objet.

Cependant, dans le mécanique relativiste, il faut prendre en compte les effets du La théorie de la relativité restreinte d'Einstein, lorsque les objets se déplacent à des vitesses proches de la lumière. Dans cette situation, la forme classique de la formule n'est pas exacte et une version plus complexe dérivée de la célèbre équation d'Einstein est utilisée. E=m².

Exemples d'énergie cinétique

• Une balle lancée : Lorsque vous lancez une balle, vous lui donnez de l'énergie cinétique. La quantité d'énergie dépend de la vitesse de la balle et de sa masse.
• Une voiture en mouvement : Une voiture en circulation possède de l’énergie cinétique, qui dépendra de sa masse et de sa vitesse. Lors du freinage, l'énergie cinétique est dissipée, principalement par le frottement des freins et des pneus avec le sol.
• Montagnes russes: Lorsqu’elles montent sur des montagnes russes, les voitures emmagasinent de l’énergie potentielle, qui est convertie en énergie cinétique lorsque la voiture dévale les pentes.
• chutes de pierres : Un objet qui tombe d’une certaine hauteur gagne de l’énergie cinétique à mesure qu’il accélère. Ce type de mouvement cumulatif est utilisé dans plusieurs expériences de physique et exemples concrets.

L’énergie cinétique joue un rôle crucial dans d’innombrables situations quotidiennes et est fondamentale pour comprendre comment les objets en mouvement interagissent dans notre monde. Du plus simple mouvement d’une balle à l’étude des électrons en physique quantique, tout est lié par les lois qui régissent cette forme d’énergie.