Dans les articles précédents, nous avons analysé en profondeur énergie cinétique et tout ce qui y est lié. Dans ce cas, nous continuons la formation et étudions énergie mécanique. Ce type d’énergie est produit par le travail d’un corps et peut être transféré entre d’autres corps. L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique (mouvement) et de l'énergie potentielle élastique et/ou gravitationnelle, générée par l'interaction des corps en fonction de leur position.
Dans cet article, nous expliquerons comment fonctionne l'énergie mécanique, comment la calculer ainsi que quelques exemples et applications. Si vous souhaitez comprendre ce concept clairement et simplement, continuez à lire.
Explication de l'énergie mécanique
Prenons un exemple pour expliquer l'énergie mécanique. Imaginez que nous lançons une balle d'une certaine hauteur. Pendant le lancer, le ballon a énergie cinétique en raison de son mouvement, tout en étant dans les airs, il acquiert également énergie potentielle gravitationnelle en raison de sa position par rapport au sol. À mesure qu’elle augmente, l’énergie potentielle augmente et à mesure qu’elle diminue, cette énergie potentielle est convertie en énergie cinétique.
Le bras qui propulse la balle travaille dessus, lui transférant de l'énergie cinétique. Si l’on néglige le frottement avec l’air, la balle conservera son énergie mécanique totale, qui est la somme de l’énergie cinétique et potentielle. En fait, l’énergie mécanique d’un système peut rester constante lorsqu’il n’y a pas de forces résistantes telles que le frottement.
Il est important de se rappeler que le gravité C'est une force constante (9,8 m/s² sur Terre) et elle agit toujours sur les objets. Ainsi, l’énergie mécanique calculée sera le résultat de l’interaction entre la vitesse, la masse et la hauteur d’un corps. L'unité de mesure de l'énergie mécanique est juillet (J), selon le Système international d'unités.
Formule d'énergie mécanique
L'énergie mécanique (Em) est la somme des énergie cinétique (Ec) et la énergie potentielle (Ep). Mathématiquement, cela peut s'exprimer de la façon suivante :
Em = Ec + Ep
Pour calculer le énergie cinétique (Ec), on utilise la formule :
- Ec = 1/2 mv²
où m est la masse du corps et v est la vitesse.
Quant à la énergie potentielle gravitationnelle (Ep), la formule est :
- Ep = mgh
où m est la masse, g est l'accélération causée par la gravité et h l'hauteur.
De cette façon, si l’on connaît la masse de l’objet, sa vitesse et la hauteur à partir de laquelle il est lancé, on peut calculer son énergie mécanique.
Principe de conservation de l'énergie mécanique
Un principe fondamental en physique est celui qui dit que L'énergie n'est ni créée ni détruite, mais transformée. Ceci est connu comme le principe de conservation de l'énergie. Dans le cas de l'énergie mécanique, ce principe est valable si le système est isolé, c'est-à-dire s'il n'y a pas de forces non conservatrices telles que le frottement.
Si nous lançons une balle en l’air, à son point le plus élevé, son énergie cinétique sera nulle, mais son énergie potentielle gravitationnelle sera maximale. En descendant, l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique. Tout au long de ce processus, l’énergie mécanique totale du système reste constante.
L'équation mathématique qui décrit ce principe est la suivante :
Em = Ec + Ep = constante
Dans les systèmes réels, la présence de friction et d’autres forces non conservatrices modifie cette équation, provoquant la dissipation d’une partie de l’énergie sous forme de chaleur ou d’autres types. Ce principe reste néanmoins utile pour l’analyse de nombreux systèmes physiques.
Exemples d'exercices
Examinons quelques exercices pour illustrer comment appliquer les concepts décrits ci-dessus :
- Sélectionnez la mauvaise option :
- a) L'énergie cinétique est l'énergie que possède un corps lorsqu'il est en mouvement.
- b) L'énergie potentielle gravitationnelle est l'énergie dont dispose un corps parce qu'il est situé à une certaine hauteur.
- c) L'énergie mécanique totale d'un corps reste constante même en présence de frottement.
- d) L'énergie de l'univers est constante et ne fait que se transformer.
- e) Lorsqu’un corps possède de l’énergie cinétique, il peut travailler.
La mauvaise option est (c). L'énergie mécanique n'est pas conservée en présence de frottement, puisqu'une partie est dissipée sous forme de chaleur.
- La variation de l'énergie cinétique du bus est nulle.
- L'énergie mécanique du système bus-sol est conservée.
- L'énergie totale du système bus-Terre est conservée, même si une partie est transformée en énergie interne.
Dans ce cas, la bonne réponse est V, F, V. L'énergie cinétique ne varie pas car la vitesse est constante ; Cependant, l’énergie mécanique n’est pas conservée en raison de l’augmentation de l’énergie interne du système provoquée par le frottement.
Ces exemples illustrent l’importance de comprendre comment les forces et l’énergie interagissent dans différents contextes. L'énergie mécanique est essentielle dans de nombreuses applications quotidiennes, du déplacement d'un véhicule au saut d'un trampoline.
Une bonne compréhension de l'énergie mécanique est non seulement utile pour réussir les examens, mais aussi pour comprendre les phénomènes du monde qui nous entoure.