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L'énergie mécanique

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Objectifs

Un objet en mouvement est caractérisé par son énergie cinétique, mais aussi par son énergie de position et son énergie mécanique. De quels facteurs ces énergies dépendent-elles ?
Quelles relations existe-il entre l'énergie cinétique, l'énergie potentielle et l'énergie mécanique ?

1. L'énergie de position

a. Étude de la chute d'une balle

Une balle est lâchée sans vitesse initiale dans une cuve remplie de billes en matière plastique. La chute de la balle est amortie par les billes auxquelles son énergie de mouvement est transférée.

Ce dispositif permet de comparer l'énergie cinétique de la balle au moment de l'impact.

b. Énergie cinétique acquise en fonction de la hauteur de chute

La même bille de masse m est lâchée successivement avec des hauteurs de chute h₁, h₂ puis h₃, avec h₃ > h₂ > h₁.

Plus la hauteur de chute est élevée, plus la balle s'enfonce dans la cuve de billes.
L'énergie cinétique de la balle au moment de l'impact est donc d'autant plus élevée que la hauteur de chute est élevée.

c. Énergie cinétique acquise en fonction de la masse de la bille

Des billes de masse m₁, m₂ et m₃ sont lâchées successivement avec une même hauteur de chute h, avec m₃ > m₂ > m₁.

Plus la masse est élevée, plus la balle s'enfonce dans la cuve de billes.
L'énergie cinétique de la balle au moment de l'impact est donc d'autant plus élevée que la masse de la bille est élevée.

Remarque :
Le poids est lié à la masse par la relation : P = m × g. On en déduit que plus le poids d'un objet est grand, plus son énergie cinétique est importante.

d. Interprétation

La balle tombe sous l'effet de son poids : elle est attirée par la Terre.

L'énergie cinétique initialement nulle augmente au cours de la chute.

L'énergie cinétique d'un corps ne peut augmenter que suite à un transfert d'énergie.

Au moment où la bille est lâchée, elle possède une autre forme d'énergie qui, au cours du mouvement, est transformée en énergie cinétique : cette autre forme d'énergie est l'énergie de position.

e. Qu'est-ce que l'énergie de position ?

Tout objet possède une énergie de position notée E_p qui est liée au poids de cet objet et à sa hauteur par rapport au sol.

L'énergie de position d'un corps est d'autant plus élevée que sa masse et sa hauteur par rapport au sol sont élevées.

2. L'énergie mécanique

a. Qu'est-ce que l'énergie mécanique ?

L'énergie mécanique d'un corps est notée E_m. Elle est définie comme étant la somme de l'énergie cinétique d'un corps et de son énergie de position :

E_m = E_c + E_p

L'énergie mécanique d'un corps dépend donc de sa vitesse, de sa masse et de sa hauteur par rapport au sol.

b. Conservation de l'énergie mécanique

Lorsqu'un corps n'est soumis qu'à son poids et ne subit pas de frottements ou d'autres actions, son énergie mécanique se conserve.

Lorsqu'un corps est immobile, son énergie cinétique est nulle ; donc son énergie mécanique est égale à son énergie de position : E_m = E_p.

Lorsqu'un corps est en chute libre, sa hauteur diminue, donc son énergie de position diminue aussi ; mais étant donnée que l'énergie mécanique reste constante, l'énergie cinétique augmente.

L'essentiel

Tout objet possède une énergie de position notée E_p qui est liée au poids de cet objet et à sa hauteur par rapport au sol.
L'énergie de position d'un corps est d'autant plus élevée que sa masse et sa hauteur par rapport au sol sont élevées.

L'énergie mécanique d'un corps est notée E_m. Elle est définie comme étant la somme de l'énergie cinétique d'un corps et de son énergie de position : E_m = E_c + E_p.

Lorsqu'un corps n'est soumis qu'à son poids et ne subit pas de frottements ou d'autres actions, l'énergie mécanique se conserve.

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