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Energie mécanique
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Exercices

1/ Un objet possède une énergie de position proportionnelle à sa hauteur,on la nommera Energie potentielle de pesanteur.

Comprendre

Epotentielles
Energie potentielle de pesanteur

Plus on place un objet haut, plus sa chute lui fera acquérir de vitesse. Donc quand on place un objet en hauteur, on lui donne une énergie qui ne sera perceptible qu'en cas de chute. C'est pour cela qu'on parle de potentiel parce que cette énergie ne sera récupérée que dans le cas où l'objet va tomber.
L'énergie potentielle dépend de l'altitude et du poids de l'objet.

Appliquer

Calcul de l'énergie potentielle

Une énergie est le produit d'une force par une distance. L'énergie potentielle se calcule donc en multipliant le poids par la hauteur (par rapport à une référence). L'énergie potentielle de pesanteur s'exprime ainsi: Epp = P . h = m . g .h
avec Poids(P) = masse(m) x intensité de la pesanteur(g)
la hauteur par rapport à la référence(h)

2/ L'énergie cinétique est l'énergie de la vitesse, elle n'existe que si l'objet a une vitesse.

Comprendre

Energie cinétique vitesse
Energie cinétique

On peut ressentir l'énergie cinétique d'un objet quand il nous heurte. On sait que plus il va vite, plus le choc sera douloureux. L'énergie cinétique est plus grande si la vitesse est plus grande.On sait aussi que si l'objet est plus lourd, le choc sera également plus violent: arrêter une mouche est plus facile qu'arrêter un camion. L'énergie cinétique dépend donc de la masse.

Quand on étudie les impacts entre les voitures qui se percutent, on peut constater que quand la vitesse double, les dégâts sont 4 fois plus importants. L'énergie cinétique dépend donc du carré de la vitesse.

Appliquer

Animations l'EcCalcul Ec

L'énergie cinétique est égale à la moitié du produit de la masse par la vitesse au carré. Ec=0,5.m.v²

2/ Exercices

Comprendre

2/ Croissance de vitesses 
(13 mn)
3402 2
Convertir les vitesses données en m/s
Valeur trouvée Valeur en m.s-1
Ecoulement d’un glacier1 à 10 cm/jour
Record du monde de marathon42,195km en 2h3mn38s
Record du monde de 100m100m en 9,58s
Limitation de vitesse en ville50 km/h
Limitation de vitesse sur nationale90km/h
Vitesse de croisière du T.G.V350 km/h
Propagation du son dans lÂ’air1224km/h (Mach1)
Vitesse maximale avion de chasse Rafale 2125km/h
Déplacement Terre par rapport au Soleil 108000km/h ou 30km/s
Propagation de la lumière dans le vide300 000km/s
Valeur trouvée Valeur en m.s-1
Ecoulement d’un glacier1 à 10 cm/jour10-7 à 10-6
Record du monde de marathon42,195km en 2h3mn38s5,69
Record du monde de 100m100m en 9,58s10,44
Limitation de vitesse en ville50 km/h13,9
Limitation de vitesse sur nationale90km/h25
Vitesse de croisière du T.G.V350 km/h97,2
Propagation du son dans lÂ’air1224km/h (Mach1)340
Vitesse maximale avion de chasse Rafale 2125km/h590
Déplacement Terre par rapport au Soleil 108000km/h ou 30km/s 30000
Propagation de la lumière dans le vide300 000km/s 3.108

Appliquer

2/ On lève le poignet! 
(10 mn)

Une motocyclette roulant à 70 km/h possède une énergie cinétique de 22,5 kJ. Quelle serait son énergie cinétique si elle circulait dans une zone scolaire à 30 km/h?

70 km/h = 19,4 m/s
m = Ec/(0,5 x v²) = 22,5kJ/ (0,5 x 19,4²) = 119,6 kg
Ec = 0,5mv² = 4149,3 J

Aide

70km/h correspondent à quelle vitesse en m/s ?

70km/h = 70 000m/3600s = 19,4m/s

Comment exprimer la masse en fonction de l'énergie cinétique?

Ec =0,5mv² => m = Ec/(0,5 x v²)

Calcule la masse du cyclomoteur

m = Ec/(0,5 x v²) = 22,5kJ/ (0,5 x 19,4²) = 119,6 kg

Convertis 30km/h en m/s

30km/h = 30 000m/3600s = 8,3m/s

Calcule l'énergie cinétique de la motocyclette à cette nouvelle vitesse.

Ec = 0,5 x 119,6kg x 8,3²= 4119,6 J

3/ Les énergies se mesurent en Joule (J).

Comprendre

James Prescott Joule (1818-1889)est le premier physicien ayant étudié expérimentalement les transformations de l'énergie, on a donc donné son nom à l'unité de l'énergie. Toutes les énergies s'expriment en Joules, qu'elles soient électriques, chimiques ou mécaniques.

Appliquer

L'énergie ne peut être détruite ou crée, elle change simplement de forme. C'est ce que nous apprend le premier principe de la thermodynamique qui n'a jamais été mis en défaut
Une autre unité d'énergie est couramment utilisé par EDF, les Watt-heure qui correspondent à une puissance de 1Watt utilisée pendant une heure. Le Joule étant 1Watt pendant 1 seconde, 1Wh =3600J

4/ Au cours d'une chute sans frottement, l'énergie potentielle diminue autant que l'énergie cinétique augmente.

Comprendre

Energie mécanique potentielle cinétique Tansformation d'énergieMontagne russes

Quand un objet chute, son altitude diminue, son énergie potentielle diminue également. Par contre au cours de sa chute, sa vitesse augmente et donc son énergie cinétique aussi. Etant donné que l'énergie a tendance à se conserver, l'énergie potentielle se transforme en énergie potentielle.

Appliquer

FrictionChute d'une balle
Les frottements de l'air

Tous les objets dans l'atmosphère touchent l'air. Plus on va vite, plus on rencontre des molécules d'air qui se choquent contre nous et nous leur transmettons une partie de notre énergie cinétique au passage. Si nous allions très vite, cela pourrait carrément nous brûler comme les étoiles filantes que l'on voit dans le ciel.

4/ Exercices

Analyse

4/ Patience d'un grue 
(10 mn)

2 grues ont des puissances différentes, la grue rouge peut fournir 20 000J en une seconde, elle a donc une puissance de 20kW.La grue bleue peut fournir 1 000J en une seconde, elle a donc une puissance d'1kW. L'intensité de la pesanteur sur Terre est de 9,8N/kg.
Il faut soulever une voiture d'une tonne pour la monter sur un bateau. Si on la lâchait de toute la hauteur de la grue, elle irait à 20m/s au moment de toucher le sol. On ne tient pas compte des frottements.

Calculer son Ecinétique au moment de toucher le sol si on la lâchait.

Ec = 0,5.m.v² = 0,5.1000.20²=200 000 J

En déduire la hauteur de la grue.

Combien de temps mettra la grue rouge pour soulever la voiture de toute sa hauteur?

Il faut fournir 200 000J pour soulever la voiture, la grue en fournit 20 000 par seconde, il lui faudra donc 10 secondes. (E=P.t => t=E/P)

Combien de temps mettra la grue bleue pour soulever la voiture de toute sa hauteur?

t=E/P=200 000J/1000W=200 s

Moralité: quelle est la qualité qu'il faut développer si on a un appareil de faible puissance?

La patience.

5/ La somme des énergies potentielles et cinétiques se nomme l'énergie mécanique.

Comprendre

Energie mécanique
Energie totale du mouvement qui englobe l'énergie potentielle et l'énergie cinétique
Anim skate energie mécanique vitesse

Au cours d'une chute (sans frottement), l'énergie mécanique est conservée car l'énergie potentielle diminue aussi vite que l'énergie mécanique augmente.

5/ Exercices

Comprendre

5/ Vive le swing! 
(5 mn)

Une balle de golf quitte un point O, situé au voisinage du sol, avec une vitesse vo pouvant atteindre 250km.h-1 lors de la frappe par le club de golf.

Si la balle effectue un mouvement de chute libre, quelle est la valeur de sa vitesse v1 lorsqu’elle retombe sur le sol en un point I, situé à la même altitude que O ?

Elle n'a pas perdu d'énergie, elle doit donc retomber avec la même vitesse sur le sol.

Pourquoi en réalité, v1 est bien plus petite que la valeur trouvée en a ?

Parce que les frottements avec les molécules d'air font ralentir (perdre de l'énergie) à la balle

En quoi est transformée l’énergie mécanique perdue par les avions lors d’un vol?

En chaleur lors des frottements de l'air.

Appliquer

5/ Prince des nuées 
(8 mn)

Un pigeon de 500 grammes vole fièrement dans le ciel parisien. L'intensité de la pesanteur qui s'exerce sur lui est de 9,8m.s-2. On oubliera les frottements le temps de son aventure.

Quel est son poids?

P = m.g = 0,500 x 9,8 = 4,9 Newton

De ses 30 mètres de hauteur, il aperçoit une miette de pain tombé d'un sandwich et descend en piqué sur sa proie.

Quelle est l'énergie potentielle de ce pigeon?

Ep = m.g.h= 0,500 x 9,8 x 30 = 1,5.102 Joules
Attention aux chiffres significatifs

Quelle est l'énergie cinétique du pigeon au moment où il heurte à 24,25 m/s la roue de la voiture qui s'est garée sur la miette entre-temps?

Ec = 0,5 x 0,5 x 24,25² = 1,5.102 J

Que peut-on dire de l'énergie mécanique du pigeon?

Elle est conservée au cours de sa chute.

6/ L'énergie cinétique croît plus rapidement que la vitesse, la distance de freinage augmente avec l'énergie cinétique.

Appliquer

La distance d'arrêt dépend de deux facteurs:la distance de réaction correspond à la distance que parcourt le véhicule le temps que le conducteur voit le danger et appuie sur le frein; la distance de freinage est le temps nécessaire pour transformer en chaleur toute l'énergie cinétique du véhicule.