L’énergie mécanique est la somme de l’énergie d’un système mécanique ou de tout groupe d’objets qui interagissent sur la base de principes mécaniques de base. Cela inclut à la fois l’énergie cinétique, l’énergie du mouvement, et l’énergie potentielle, l’énergie stockée de la position. En règle générale, dans un système mécanique, la gravité est la seule force extérieure majeure qui doit être prise en compte. Dans un système chimique, en revanche, les forces entre les molécules individuelles et les atomes doivent toutes être prises en compte.
Contexte général
L’énergie mécanique existe à la fois comme énergie cinétique et comme énergie potentielle dans un système. L’énergie cinétique est présente chaque fois qu’un objet est en mouvement. L’énergie potentielle est basée sur la position d’un objet ; c’est de l’énergie emmagasinée et ne peut pas fonctionner par elle-même. Elle peut cependant être convertie en d’autres formes d’énergie, y compris l’énergie cinétique. Une boule de bowling suspendue à 10 m au-dessus du sol, par exemple, n’a pas d’énergie cinétique car elle ne bouge pas. Il possède cependant une grande quantité d’énergie potentielle (dans ce cas, l’énergie potentielle gravitationnelle) qui serait convertie en énergie cinétique si la balle tombait.
Les cours de physique au secondaire commencent souvent par enseigner aux élèves les principes de base des systèmes mécaniques et leur énergie. En effet, ils sont généralement plus faciles à visualiser et à simplifier. Des calculs de base sur ces systèmes peuvent être effectués sans utiliser de calcul. Dans la plupart des problèmes de physique simples, le système mécanique reste fermé et les facteurs qui élimineraient normalement l’énergie du système, tels que la friction et la résistance de l’air, sont ignorés.
Comment calculer l’énergie mécanique
L’énergie mécanique totale peut être calculée simplement en ajoutant l’énergie potentielle et cinétique du système. L’énergie potentielle (PE) est le produit de la hauteur de l’objet au-dessus du sol (h), de sa masse (m) et de l’accélération gravitationnelle de la Terre (g, qui est de 9.8 m/s2).
PE = h × m × g
L’énergie cinétique (KE) d’un objet est le produit de la moitié de sa masse et de sa vitesse au carré (v).
KE = 1/2mv2
La masse est donnée en kilogrammes (kg), la hauteur en mètres (m), la vitesse en mètres par seconde (m/s) et l’énergie est donnée en joules (j).
Par exemple, l’énergie potentielle d’une boule de bowling de 5 kilogrammes (11 lb) qui se trouve à 3 mètres (10 pieds) au-dessus du sol est de 147 joules (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j) que la boule soit dans mouvement ou au repos. Si cette balle tombe également à une vitesse de 2 m/s, son énergie cinétique est de 10 joules (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).
Une fois que l’énergie potentielle et cinétique sont connues, alors l’énergie mécanique totale peut être trouvée. Les deux types d’énergie sont simplement additionnés.
Énergie mécanique = PE + KE
Dans cet exemple, l’énergie mécanique totale de la boule de bowling est de 157 joules (147 j + 10 j = 157 j).
Énergie mécanique vs chimique et nucléaire
Il existe de nombreuses autres formes d’énergie, et parfois il peut être difficile de bien les distinguer l’une de l’autre. L’énergie chimique, par exemple, est l’énergie stockée dans les liaisons chimiques des molécules. L’énergie nucléaire est l’énergie présente dans les interactions entre les particules du noyau d’un atome. L’énergie mécanique, en revanche, ignore généralement la composition des objets et ne regarde que les objets en question, sans se soucier de leur constitution moléculaire.
Cet objectif est conçu pour simplifier les calculs pour l’énergie mécanique et les systèmes mécaniques. Les objets dans ces systèmes sont généralement traités comme des objets individuels plutôt que comme la somme de milliards de molécules. Calculer à la fois l’énergie cinétique et potentielle d’un seul objet est une tâche simple ; calculer ces types d’énergie pour des milliards de molécules serait extrêmement difficile. Sans simplifier les parties d’un système mécanique, les scientifiques devraient examiner les atomes individuels et toutes les interactions et forces existant entre eux. Ceci est généralement réservé à la physique des particules.
Conversion entre les types d’énergie
L’énergie mécanique peut être convertie en d’autres types d’énergie à l’aide d’équipements spéciaux. Par exemple, les générateurs sont conçus pour prendre un travail mécanique et le transformer en électricité. D’autres types d’énergie peuvent également être convertis en énergie mécanique ; par exemple, le moteur à combustion interne d’une voiture convertit l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique utilisée pour faire avancer la voiture.