Travail, énergie et puissance

Unité VI
Travail, énergie et puissance

Introduction
Tu as, sans aucun doute, déjà utilisé les trois termes du titre ci-dessus.
Tu verras lors de ton étude de cette unité que tu auras à modifier
n'importe quelle préconception que tu avais par rapport à ce que sont le
travail, l'énergie en ces différentes formes et la puissance. En plus, tu
définiras chacun de ces concepts de façon quantitative à l'aide d'une
équation. Finalement, tu verras la relation qui existe entre chacune de ces
notions.

1. La thermodynamique : Étude de la chaleur et des autres formes d'énergie.
Notions reliées à la thermodynamique : a) le travail (W)
b) l'énergie (E)
c) la puissance (P)

2. Le travail - c'est ce qui est accompli à chaque fois qu'une force est
utilisée pour faire bouger quelque chose.
Exemple : La force exercée sur le traîneau se divise en deux
composantes. La composante verticale
ne fait pas de travail tant qu'il y
ait suffisamment de poids dans le
traîneau empêchant le devant de
soulever. Quant à la composante
horizontale, Fd, elle fait du travail
puisque c'est celle-ci qui sert à
faire avancer le traîneau.

Le travail produit sur le traîneau peut être calculé mathématiquement
utilisant la formule W = Fd x (d. Noter que (i) la force doit être
exercée dans la même direction (pas nécessairement le même sens) que le
déplacement de l'objet; (ii) W est une grandeur scalaire avec seulement
une grandeur et pas d'orientation.

Unité pour W est le joule (J) = 1 N(m.
Graphiquement, lorsque la force exercée est constante, on obtient :










Si la force n'est pas constante, voici les possibilités :






Exercices :
1. Un garçon pousse une boîte sur une distance de 5,00 m avec une force
de 25,0 N. Calcule le travail effectué sur la boîte.
2. Si une fille exerce une force de 150 N sur un gros érable, quelle
quantité de travail a été effectuée sur l'arbre?
3. Un livre de 0,100 kg est déplacé verticalement du plancher à un rayon
placé 2,00 m plus haut. Calcule :
a) la force moyenne nécessaire pour soulever le livre et explique
comment cette force varie;
b) le travail effectué sur le livre.
4. Un cycliste exerce une force moyenne de 40,0 N et se déplace en un
mouvement uniforme sur une distance de 2,00 km.
a) À quoi sert la force de 40,0 N?
b) Quelle quantité de travail le cycliste fournit-il?
5. Exprime l'unité « joule » en termes des unités de base du SI, le
mètre, le kilogramme et la seconde.
6. Calcule, à partir du schéma suivant, le travail fait par la force de
100 N sur une distance 3,00 m si l'objet dont la masse est 10,0 kg, se
déplace selon l'horizontale.





7. Prouve qu'on effectue aucun travail sur un objet tournant au bout
d'une corde selon un mouvement circulaire uniforme.
8. On exerce une force de 3000 N pendant 10,00 minutes pour tirer un
objet lourd sur le flanc d'une montagne avec un treuil mécanique, à
une vitesse constante de 2,00 m/s. Quel travail le treuil mécanique a-
t-il effectué?
9. Soit le schéma suivant :





Quel travail total effectue-t-on sur une distance horizontale de 10,00
m?
10. Lors d'une expérience, on effectue un travail total de 1500 J sur un
objet initialement au repos. La grandeur de la force est 100 N et le
temps requis est 5,00 s. À quelle vitesse l'objet se déplace-t-il à la
fin?
11. Le schéma ci-dessous, à gauche, représente la force exercée sur un
objet sur une distance de 3,00 m. Trouve le travail effectué.
12. Calcule à partir du schéma ci-dessous, à droite, le travail total
effectué par la force variable.








3. Types d'énergie
. ont tous une chose en commun : impliquent un système capable de faire
du travail.


A. Énergie potentielle (Ep)
. énergie emmagasinée dans un système qui pourrait à l'avenir faire
du travail.


Exemples :
a) Eau derrière un barrage a de l'énergie potentielle
gravitationnelle.
b) Une élastique étirée ou un ressort comprimé a de l'énergie
potentielle élastique.
c) L'essence, le charbon et tout autre carburant ont de l'énergie
potentielle chimique qui est libérée lorsqu'ils sont brûlés.


B. Énergie cinétique (Ec)
. énergie que possède n'importe quoi qui bouge; objet possédant Ec
fait du travail lorsqu'il frappe quelque chose.


Exemples :
a) au niveau macroscopique (visible) : Un automobile fait du travail
lorsqu'elle frappe une autre auto.
b) au niveau microscopique (invisible) :
i) Chaleur que contient une matière est due à l'énergie cinétique
de toutes les particules de cette matière. Dans un gaz, elles
sont continuellement en mouvement et même dans un solide elles
vibrent. Plus ces particules bougent, plus la matière a de la
chaleur.
ii) Le courant électrique dans un fil est tout simplement des
électrons en mouvement. Ce type d'énergie cinétique des
électrons s'appelle énergie électrique.
iii) Le son est dû au mouvement de particules d'air.
iv) La lumière, les ondes de radio, les rayons-X sont des ondes
électromagnétiques en mouvement.





4. La première loi de la thermodynamique (loi de conservation de
l'énergie).
. L'énergie est conservée; elle est ni créée ni détruite; elle change
seulement de forme.


Exemples :
a) Lorsque tu soulèves un objet l'énergie potentielle chimique dans les
molécules de glucose te permet de faire du travail sur l'objet afin de
lui donner de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle. À son
plus haut point, tout ce travail sera devenu de l'énergie potentielle
gravitationnelle dans l'objet. Voir section 5 pour le calcul de cette
Epg.
b) Lorsque tu tires un objet sur un plan horizontal sans friction, encore
une fois, l'énergie potentielle chimique dans les molécules de glucose
te permet de faire du travail sur l'objet afin d'augmenter son énergie
cinétique (sa vitesse augmente). Voir section 6 pour le calcul de
cette Ec.

5. Calcul de l'énergie potentielle gravitationnelle (Epg) d'un objet.
Pour soulever un objet de masse, m, une hauteur, h, il faut faire un
travail W = Fd((d ou W = F(h où F est la force moyenne pour soulever
l'objet, soit son poids, Fg. Ce travail devient de l'énergie potentielle
gravitationnelle (Epg).
Donc, Epg = Fg(h
Epg = mgh où g = 9,81 N/kg.
Noter : a) h est la hauteur que l'objet pourrait tomber;
b) Epg est en joules (J).


Exercices :
1. Un livre de 0,500 kg repose sur une table de 0,660 m de hauteur.
Calcule l'énergie potentielle du livre :
a) par rapport à la table;
b) par rapport au plancher.


2. Quelle est l'énergie potentielle d'un skieur (masse totale de 70,0 kg
incluant l'équipement) quand il est au sommet d'une colline 556 m de
longueur et faisant un angle de 24,0° avec l'horizontale?


3. Pour qu'un mobile de 0,638 kg ait une énergie potentielle de 8,43 J
sur un plan incliné ayant une longueur de 7,76 m, à quel angle le plan
incliné doit-il être incliné?

6. Calcul de l'énergie cinétique (Ec) d'un objet.
En physique 30-S, un réarrangement de la deuxième loi de Newton à F(t =
m(v nous a permis d'inventer deux nouvelles variables, soit

F(t que nous avons appelé l'impulsion et m(v que nous avons appelé le
changement dans la quantité de mouvement. Puisque l'objet avance (d
pendant le temps (t, remplaçons (t ci-dessus par (d ainsi que F par Fd et
trouvons son équivalent en termes de masse et vitesse.

On cherche donc à quoi équivaut Fd(d (le travail fait sur un objet)
en
termes de masse et vitesse. Noter que l'on doit assumer que le travail
se
fait sur un objet se trouvant sur un plan horizontal (donc pas de
changement dans l'énergie potentielle gravitationnelle) et sans
frottement
(donc pas de chaleur produite). Donc, tout le travail est transformé
en
énergie cinétique.

Voir tes notes pour le développement d'une équation pour le travail en
fonction de la masse et de la vitesse de l'objet sur lequel le travail
est fait.


Exercices :
1. Calcule l'énergie cinétique des objets suivants :
a) Un poids de 4,00 kg est lancé par un athlète à une vitesse de
10,0 m/s, au cours d'une démonstration du lancer du poids.
b) Une automobile de 2 000 kg roule à une vitesse de 72,0 km/h.
c) Une rondelle de hockey de 5,28 oz est lancée à une vitesse de
76,0 mi/h.
2. Qu'advient-il de l'énergie cinétique d'un objet lorsque :
a) la vitesse de l'objet est réduite à 65,0 % de sa valeur
initiale?
b) Sa masse est réduite à 0,438 de sa valeur initiale et sa vitesse
augmente à 3,84 de sa valeur initiale?
3. Quelle est la vitesse d'un objet de 2,00 kg possédant une énergie
cinétique de 100 J?
4. On a attaché un objet de 50,0 g au bout d'une corde de 1,00 m et on le
fait