Énergie mécanique - Mechanical energy

Un exemple de système mécanique : un satellite est en orbite autour de la Terre influencé uniquement par la force gravitationnelle conservatrice ; son énergie mécanique est donc conservée. L'accélération du satellite est représentée par le vecteur vert et sa vitesse est représentée par le vecteur rouge. Si l'orbite du satellite est une ellipse, l'énergie potentielle du satellite et son énergie cinétique varient toutes deux avec le temps mais leur somme reste constante.

En sciences physiques , l'énergie mécanique est la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique . Le principe de conservation de l'énergie mécanique stipule que si un système isolé n'est soumis qu'à des forces conservatrices , alors l'énergie mécanique est constante. Si un objet se déplace dans la direction opposée d'une force nette conservatrice, l'énergie potentielle augmentera ; et si la vitesse (pas la vitesse ) de l'objet change, l'énergie cinétique de l'objet change également. Dans tous les systèmes réels, cependant, des forces non conservatrices , telles que des forces de frottement , seront présentes, mais si elles sont de grandeur négligeable, l'énergie mécanique change peu et sa conservation est une approximation utile. Dans les collisions élastiques , l'énergie cinétique est conservée, mais dans les collisions inélastiques, une partie de l'énergie mécanique peut être convertie en énergie thermique . L'équivalence entre l'énergie mécanique perdue ( dissipation ) et une augmentation de la température a été découverte par James Prescott Joule .

De nombreux dispositifs sont utilisés pour convertir l'énergie mécanique vers ou à partir d'autres formes d'énergie, par exemple un moteur électrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique, un générateur électrique convertit l'énergie mécanique en énergie électrique et un moteur thermique convertit la chaleur en énergie mécanique.

Général

L'énergie est une quantité scalaire et l'énergie mécanique d'un système est la somme de l'énergie potentielle (qui est mesurée par la position des parties du système) et de l'énergie cinétique (qui est aussi appelée l'énergie du mouvement) :

${\displaystyle E_{\mathrm {mécanique} }=U+K\,}$

L'énergie potentielle, U , dépend de la position d'un objet soumis à la gravité ou à une autre force conservatrice . L'énergie potentielle gravitationnelle d'un objet est égale au poids W de l'objet multiplié par la hauteur h du centre de gravité de l'objet par rapport à une donnée arbitraire :

${\displaystyle U=Wh}$

L'énergie potentielle d'un objet peut être définie comme la capacité de l'objet à effectuer un travail et augmente lorsque l'objet est déplacé dans la direction opposée à la direction de la force. Si F représente la force conservatrice et x la position, l'énergie potentielle de la force entre les deux positions x ₁ et x ₂ est définie comme l'intégrale négative de F de x ₁ à x ₂ :

${\displaystyle U=-\int _{x_{1}}^{x_{2}}{\vec {F}}\cdot d{\vec {x}}}$

L'énergie cinétique, K , dépend de la vitesse d'un objet et correspond à la capacité d'un objet en mouvement à travailler sur d'autres objets lorsqu'il entre en collision avec eux. Il est défini comme la moitié du produit de la masse de l'objet par le carré de sa vitesse, et l'énergie cinétique totale d'un système d'objets est la somme des énergies cinétiques des objets respectifs :

${\displaystyle K={1 \over 2}mv^{2}}$

Le principe de conservation de l'énergie mécanique stipule que si un corps ou un système n'est soumis qu'à des forces conservatrices , l'énergie mécanique de ce corps ou système reste constante. La différence entre une force conservatrice et une force non conservatrice est que lorsqu'une force conservatrice déplace un objet d'un point à un autre, le travail effectué par la force conservatrice est indépendant du chemin. Au contraire, lorsqu'une force non conservatrice agit sur un objet, le travail effectué par la force non conservatrice dépend du chemin.

Conservation de l'énergie mécanique

Lire les médias

Le professeur du MIT Walter Lewin démontrant la conservation de l'énergie mécanique

Selon le principe de conservation de l'énergie mécanique, l'énergie mécanique d'un système isolé reste constante dans le temps, tant que le système est exempt de frottement et d'autres forces non conservatrices. Dans toute situation réelle, des forces de frottement et d'autres forces non conservatrices sont présentes, mais dans de nombreux cas, leurs effets sur le système sont si faibles que le principe de conservation de l'énergie mécanique peut être utilisé comme une bonne approximation . Bien que l'énergie ne puisse pas être créée ou détruite dans un système isolé, elle peut être convertie en une autre forme d'énergie.

Pendule oscillante

Un pendule oscillant avec le vecteur vitesse (vert) et le vecteur accélération (bleu). L'amplitude du vecteur vitesse, la vitesse, du pendule est la plus grande dans la position verticale et le pendule est le plus éloigné de la Terre dans ses positions extrêmes.

Dans un système mécanique comme un pendule oscillant soumis à la force gravitationnelle conservatrice où les forces de friction comme la traînée de l'air et la friction au pivot sont négligeables, l'énergie va et vient entre l'énergie cinétique et potentielle mais ne quitte jamais le système. Le pendule atteint la plus grande énergie cinétique et la moins d'énergie potentielle lorsqu'il est en position verticale, car il aura la plus grande vitesse et sera le plus proche de la Terre à ce point. D'autre part, il aura sa moins d'énergie cinétique et sa plus grande énergie potentielle aux positions extrêmes de son oscillation, car il a une vitesse nulle et est le plus éloigné de la Terre à ces points. Cependant, en tenant compte des forces de frottement, le système perd de l'énergie mécanique à chaque oscillation en raison du travail négatif effectué sur le pendule par ces forces non conservatrices.

Irréversibilités

Que la perte d'énergie mécanique dans un système entraîne toujours une augmentation de la température du système est connu depuis longtemps, mais c'est le physicien amateur James Prescott Joule qui a le premier démontré expérimentalement comment une certaine quantité de travail effectué contre le frottement a abouti à une quantité définie de chaleur qui doit être conçue comme les mouvements aléatoires des particules qui composent la matière. Cette équivalence entre l'énergie mécanique et la chaleur est particulièrement importante lorsqu'on considère des objets en collision. Dans une collision élastique , l'énergie mécanique est conservée - la somme des énergies mécaniques des objets en collision est la même avant et après la collision. Après une collision inélastique , cependant, l'énergie mécanique du système aura changé. Habituellement, l'énergie mécanique avant la collision est supérieure à l'énergie mécanique après la collision. Dans les collisions inélastiques, une partie de l'énergie mécanique des objets en collision est transformée en énergie cinétique des particules constitutives. Cette augmentation de l'énergie cinétique des particules constitutives est perçue comme une augmentation de la température. La collision peut être décrite en disant qu'une partie de l'énergie mécanique des objets en collision a été convertie en une quantité égale de chaleur. Ainsi, l'énergie totale du système reste inchangée bien que l'énergie mécanique du système ait diminué.

Satellite

graphique de l'énergie cinétique , de l'énergie potentielle gravitationnelle et de l'énergie mécanique en fonction de la distance au centre de la Terre, r à R= Re, R= 2*Re, R=3*Re et enfin R = rayon géostationnaire${\style d'affichage K}$${\style d'affichage U}$${\displaystyle E_{\mathrm {mécanique} }}$

Un satellite de masse à une distance du centre de la Terre possède à la fois de l'énergie cinétique, , (en raison de son mouvement) et de l'énergie potentielle gravitationnelle, , (en raison de sa position dans le champ gravitationnel de la Terre ; la masse de la Terre est ). Par conséquent, l'énergie mécanique du système satellite-Terre est donnée par ${\style d'affichage m}$${\style d'affichage r}$${\style d'affichage K}$${\style d'affichage U}$${\style d'affichage M}$${\displaystyle E_{\mathrm {mécanique} }}$

${\displaystyle E_{\mathrm {mécanique} }=U+K}$

${\displaystyle E_{\mathrm {mécanique} }=-G{\frac {Mm}{r}}\ +{\frac {1}{2}}\ mv^{2}}$

Si le satellite est en orbite circulaire, l'équation de conservation de l'énergie peut être encore simplifiée en

${\displaystyle E_{\mathrm {mécanique} }=-G{\frac {Mm}{2r}}\ }$

puisque dans le mouvement circulaire, la 2e loi du mouvement de Newton peut être considérée comme

${\displaystyle G{\frac {Mm}{r^{2}}}\ ={\frac {mv^{2}}{r}}\ }$

Conversion

Aujourd'hui, de nombreux dispositifs technologiques convertissent l'énergie mécanique en d'autres formes d'énergie ou vice versa. Ces appareils peuvent être classés dans ces catégories :

• Un moteur électrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique.
• Un générateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
• Une centrale hydroélectrique convertit l'énergie mécanique de l'eau dans un barrage de stockage en énergie électrique.
• Un moteur à combustion interne est un moteur thermique qui obtient de l'énergie mécanique à partir d'énergie chimique en brûlant du carburant . À partir de cette énergie mécanique, le moteur à combustion interne génère souvent de l'électricité.
• Une machine à vapeur convertit l' énergie thermique de la vapeur en énergie mécanique.
• Une turbine convertit l'énergie cinétique d'un flux de gaz ou de liquide en énergie mécanique.

Distinction des autres types

La classification de l'énergie en différents types suit souvent les limites des domaines d'études des sciences naturelles.

• L'énergie chimique est le type d' énergie potentielle "stockée" dans les liaisons chimiques et est étudiée en chimie .
• L'énergie nucléaire est l'énergie stockée dans les interactions entre les particules du noyau atomique et est étudiée en physique nucléaire .
• L'énergie électromagnétique se présente sous la forme de charges électriques, de champs magnétiques et de photons . Il est étudié en électromagnétisme .
• Différentes formes d'énergie en mécanique quantique ; par exemple, les niveaux d'énergie des électrons dans un atome.

Les références

Remarques

Citations

Bibliographie

• Brodie, David; Marron, Wendy ; Heslop, Nigel ; Ireson, Gren; Williams, Pierre (1998). Terry Parkin (éd.). Physique . Addison Wesley Longman Limitée. ISBN 978-0-582-28736-5.
• Jain, Mahesh C. (2009). Manuel d'ingénierie physique, partie I . New Delhi : PHI Learning Pvt. Ltd ISBN 978-81-203-3862-3. Récupéré le 2011-08-25 .
• Newton, Isaac (1999). I. Bernard Cohen ; Anne Miller Whitman (éd.). Les Principia : principes mathématiques de la philosophie naturelle . États-Unis d'Amérique : University of California Press. ISBN 978-0-520-08816-0.