Chapitre VII Travail et Energie

I – Le travail d’une force 1 – Notion de travail: Quels sont les effets d’une force ? Lorsque le solide est au repos, une force peut le mettre en mouvement. Et une fois qu’il est en mouvement, que peut faire une force ? Les effets du travail d’une force sont variés : - modification de la vitesse du système. Ex : vent voile - modification de son altitude. Ex : poids - modification de sa température. - déformation. Ex : mur sur une voiture

Voir Activité

Conclusion: En physique, le travail est une grandeur algébrique qui permet d’évaluer l’effet d’une force sur l’énergie d’un objet en mouvement. Une force travaille à condition que : - son point d’application se déplace. - sa direction ne soit pas orthogonale au déplacement. Une force peut s’opposer au mouvement, on dit que le travail est résistant. Si la force favorise le mouvement, le travail est moteur. Si la force n’a aucun effet, le travail est nul.

2 – Travail d’une force constance: Une force est constante si elle garde constantes sa direction, son sens et sa valeur. Le travail d’une force constante lors d’un déplacement de son point d’application du point A à un point B est égal au produit scalaire des vecteurs forces et déplacement: Avec  = angle en ° ou en radian ; F valeur de la force en N, AB longueur du déplacement en m ; W travail en Joule (J)

3 – Travail du poids Voir Activité Partie II

Conclusion: Le travail du poids d’un point matériel de masse m qui se déplace d’un point A d’altitude zA à un point B d’altitude zB dans un champ de pesanteur uniforme a pour expression  Le travail du poids d’un objet ne dépend que des altitudes du point de départ et du point d’arrivée, il ne dépend pas du chemin suivi : on dit que le poids est une force conservative.

4 – Travail d’une force électrique Lorsqu’une particule (considérée comme ponctuelle), portant une charge q se déplace dans un champ électrique uniforme, elle est soumise à une force électrique constante:

Rappel 1S : la valeur du champ électrostatique entre deux armatures P et N dépend de la tensions UPN entre ces armatures et de la distance d qui les sépare  :

Or, Donc:

Conclusion: Le travail ne dépend pas du chemin suivi mais uniquement de la tension électrique entre les points A et B : la force électrique est une force conservative.

5 – Travail des forces de frottements On note f cette force de frottement. Son travail s’exprime: Bien souvent, la force de frottement s’oppose au déplacement, on aura donc α = 180°, donc cos α = -1. Le travail de la force de frottement dépend du chemin suivi : la force de frottement est une force non conservative.

II – Force conservative et énergie potentielle 1 – Cas du Poids L’énergie potentielle de pesanteur d’un système de masse m, dont le centre de gravité passe de A à B est définie par: EPP= mg(zB-zA) Or le travail du poids est égal à: Le travail du poids d’un système est l’opposé de la variation de son énergie potentielle de pesanteur entre ces deux points.

2 – Cas de la force électrique L’énergie potentielle électrique d’une charge q passant d’un point A de potentiel Va à B de potentiel VB est : Epé = q(VB-VA) Or le travail de cette force s’exprime : Le travail de la force électrique exercée sur un système est l’opposé de la variation de son énergie potentielle électrique entre ces deux points.

III – Étude énergétique des oscillations 1 – Oscillations libres du pendule: Si les forces de frottement sont négligées, l’évolution du mouvement du pendule au cours du temps est périodique. En l’absence de frottements, les oscillations libres de faible amplitude ont une même période qui ne dépend que de deux paramètres : la longueur l du pendule et la valeur de g :

2 – Transfert d’énergie au cours des oscillations a – Cas sans frottements

Au cours des oscillations libres d’un pendule non soumis à des forces de frottement, l’énergie mécanique du système se conserve : il y a conservation d’énergie à l’intérieur du système entre les formes cinétiques et potentielles. Em= Ec +Ep ΔEm= ΔEc + ΔEp = 0, Donc Ec =- Epp = WAB(P)

b – cas d’un système avec frottements:

Lorsque le pendule est soumis à des forces de frottement, l’amplitude de ses oscillations diminue au cours du temps et l’énergie mécanique Em du système diminue : il y a dissipation d’énergie par transfert thermique par l’intermédiaire de forces non conservatives, les forces de frottement. La diminution de l’énergie mécanique Em du système est égale au travail des forces de frottement : Em = W(f)<0.