Principe de l'énergie mécanique du travail
Le théorème de l'énergie cinétique stipule que le travail net, ou le travail effectué par la force résultante, est égal à la variation d'énergie cinétique.
W net = TO t – TO o = 1/2 m(v t 2 – v o 2 )
Le travail net (W <sub>net</sub> ) est la somme du travail effectué par une force conservative et du travail effectué par une force non conservative. Il existe deux types de forces : les forces conservatives et les forces non conservatives.
Wc + Wnc = ΔKE
Le travail effectué par une force conservative est égal à la variation négative d'énergie potentielle :
W c = -ΔPE
– ΔPE + W nc = ΔKE
W nc = ΔPE + ΔKE
Wnc = ΔME
L'équation ci-dessus stipule que le travail effectué par une force non conservative sur un objet est égal à la variation d'énergie mécanique de cet objet. L'énergie mécanique est égale à la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique. L'énergie potentielle peut être de type gravitationnel ou élastique.
Exemple de question : Le théorème de l'énergie mécanique
Une boîte de 2 kg se déplace initialement à une vitesse de 10 m/s. Peu après, elle s'arrête. Le coefficient de frottement cinétique entre la boîte et le sol est de 0.2. L'accélération gravitationnelle est de 10 m/s² . Quel est le déplacement de la boîte ?
Discussion:
Identifié : m = 2 kg, v o = 10 m/s, vt = 0, k = 0.2, w = mg = (1 kg)(10 m/s 2 ) = 10 kg m/s 2 = 10 Newtons,
Question posée : la valeur du déplacement de la boîte (s)
Le théorème de l'énergie mécanique :
W nc = ΔME
W nc = ΔPE + ΔKE
La hauteur (h) reste constante ou il n'y a pas de changement de hauteur, donc il n'y a pas de changement dans l'énergie potentielle gravitationnelle.
Wnc = ΔKE
Le travail effectué par la force de frottement cinétique est :
W nc = – f k s = μ k N -s = μ k w -s = μ k mg -s
W nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)
La force de frottement cinétique effectue un travail négatif (la force de frottement cinétique est de direction opposée au déplacement de l'objet).
Variation de l'énergie cinétique :
ΔKE = 1/2 m (v t 2 – v o 2 ) = 1/2 (2)(0 2 – 10 2 ) = (0 – 100) = – 100
Déplacement de l'objet :
W nc = ΔKE
– (4)(s) = – 100
s = – 100 / – 4 = 25 mètres
20 questions et réponses conceptuelles sur le principe de l'énergie mécanique :
1. Question : Qu’est-ce que le principe de conservation de l’énergie mécanique ? Réponse : Le principe de conservation de l’énergie mécanique stipule que le travail effectué sur un objet est égal à la variation de son énergie mécanique.
2. Question : Comment définit-on le travail en physique ? Réponse : Le travail est défini comme le produit de la force appliquée à un objet et de la distance parcourue par cet objet dans la direction de cette force.
3. Question : Qu’est-ce qui constitue l’énergie mécanique ? Réponse : L’énergie mécanique est composée de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle d’un objet.
4. Question : En l’absence de forces non conservatives, que peut-on dire de l’énergie mécanique totale d’un système fermé ? Réponse : L’énergie mécanique totale reste constante.
5. Question : Donnez un exemple de force conservative. Réponse : La force gravitationnelle est un exemple de force conservative.
6. Question : Quelle est la différence entre l’énergie potentielle et l’énergie cinétique ? Réponse : L’énergie potentielle est l’énergie liée à la position, comme la hauteur au-dessus du sol, tandis que l’énergie cinétique est liée au mouvement.
7. Question : Quel est le lien entre le travail effectué par une force conservative et l’énergie potentielle ? Réponse : Le travail effectué par une force conservative est égal à la variation négative d’énergie potentielle.
9. Question : Comment le principe de conservation de l’énergie mécanique explique-t-il la conversion de l’énergie potentielle en énergie cinétique dans un objet en chute libre ? Réponse : Lorsqu’un objet tombe, son énergie potentielle diminue et son énergie cinétique augmente d’une valeur équivalente, ce qui maintient son énergie mécanique totale constante.
10. Question : Que devient l’énergie mécanique d’un système lorsque des forces non conservatives, comme le frottement, agissent sur lui ? Réponse : L’énergie mécanique diminue car les forces non conservatives dissipent de l’énergie, souvent sous forme de chaleur.
11. Question : L’énergie mécanique d’un système peut-elle augmenter ? Réponse : Oui, lorsqu’un travail extérieur est effectué sur le système.
12. Question : Quel est le lien entre le concept de travail et l’énergie ? Réponse : Le travail est le moyen par lequel l’énergie est transférée ou transformée dans un système.
13. Question : Si un objet se déplace à vitesse constante, que peut-on dire du travail net effectué sur lui ? Réponse : Le travail net effectué sur lui est nul car il n’y a pas d’accélération.
15. Question : Pourquoi un ressort comprimé possède-t-il de l’énergie potentielle ? Réponse : Lorsqu’un ressort est comprimé, un travail est effectué sur lui, lequel est stocké sous forme d’énergie potentielle. Cette énergie peut être libérée lorsque le ressort est relâché.
16. Question : Qu’est-ce que le théorème de l’énergie cinétique ? Réponse : Le théorème de l’énergie cinétique stipule que le travail effectué sur un objet est égal à la variation de son énergie cinétique.
17. Question : Quel est le lien entre la puissance et le travail ? Réponse : La puissance est le taux de travail effectué ou d’énergie transférée. Elle se calcule par la formule , où représente le travail et le temps.
18. Question : Le travail peut-il avoir une valeur négative ? Réponse : Oui, le travail est négatif lorsque la force et le sens du mouvement sont opposés.
19. Question : Si l’angle entre la force et la direction du mouvement est de 90 degrés, quel est le travail effectué ? Réponse : Le travail effectué est nul car la force n’a pas de composante dans la direction du mouvement.
20. Question : Comment une machine simple, comme un levier, facilite-t-elle le travail ? Réponse : Un levier ne modifie pas la quantité totale de travail effectué, mais la façon dont la force est appliquée, ce qui rend la tâche plus facile ou plus efficace.
Le concept de travail et le principe de l'énergie mécanique sont fondamentaux en physique et permettent de comprendre de manière essentielle comment l'énergie est transférée et transformée dans différents systèmes.
