L’énergie potentielle gravitationnelle est acquise par un objet lorsqu’il a été déplacé contre un champ gravitationnel. Par exemple, un objet élevé au-dessus de la surface de la Terre gagnera de l’énergie, qui est libérée si l’objet est autorisé à retomber au sol. Pour qu’un objet soit soulevé verticalement vers le haut, le travail doit être effectué contre la force de gravité vers le bas. Ce travail est ensuite stocké sous forme d’énergie potentielle gravitationnelle. Lorsque l’objet est libéré et tombe vers la Terre, le potentiel est converti en énergie cinétique, ou mouvement.
Un pendule est un bon exemple de la relation entre le potentiel gravitationnel et l’énergie cinétique. À son point le plus élevé, le pendule n’a qu’une énergie potentielle. Au cours de sa descente, celle-ci est convertie en énergie cinétique, atteignant un maximum à son point le plus bas, où elle n’a pas d’énergie potentielle. Au fur et à mesure qu’il remonte, la cinétique est convertie en énergie potentielle.
La quantité d’énergie potentielle que possède un objet dépend de la masse ou du poids de l’objet, de sa hauteur au-dessus de la surface et de la force du champ gravitationnel. Si les autres facteurs sont les mêmes, un objet lourd aura plus d’énergie potentielle gravitationnelle qu’un objet plus léger. Un objet à 1 mile (1.6 km) dans le ciel aura plus d’énergie que le même objet à 1 pied (30.48 cm) de la surface. Sur la Lune, qui a un champ de gravité plus faible que la Terre, un objet aura moins d’énergie potentielle que le même objet à une hauteur similaire au-dessus de la Terre.
Calcul de l’énergie potentielle gravitationnelle
L’énergie potentielle d’un objet peut être calculée comme la masse de l’objet, multipliée par la force gravitationnelle, multipliée par la hauteur de l’objet au-dessus d’un point donné. Ce point pourrait être la surface de la Terre ou le sol d’une pièce. En fait, le potentiel peut être calculé pour n’importe quel point en dessous de l’objet.
La force gravitationnelle est généralement exprimée comme l’accélération subie par un objet laissé tomber librement, sans tenir compte des effets de la résistance de l’air ou de la friction. Bien que la force du champ gravitationnel à la surface de la Terre varie d’un endroit à l’autre, les variations sont si faibles qu’elles sont presque négligeables. En physique, par conséquent, l’accélération due à la gravité près de la surface de la Terre est généralement considérée comme une constante, avec une valeur d’environ 32 pieds (9.8 mètres) par seconde par seconde (pieds/s2 ou m/s2). Une formule simple d’énergie potentielle pour un objet soulevé de la surface de la terre pourrait donc être énoncée comme suit :
énergie potentielle = masse de l’objet en livres × 32 × hauteur de l’objet en pieds ou énergie potentielle = masse de l’objet en kilogrammes × 9.8 × hauteur de l’objet en mètres
Cette formule fonctionne bien pour les objets proches de la surface de la Terre. Il peut facilement être adapté pour faire face à des scénarios similaires dans d’autres champs gravitationnels, par exemple sur la Lune ou sur Mars, en modifiant la valeur de la force gravitationnelle en conséquence. Étant donné que la force de tout champ gravitationnel diminue avec la distance de sa source, cependant, cette formule ne fonctionnera que pour les objets relativement proches de la surface d’une source de gravité, où la réduction de la force gravitationnelle est trop faible pour être importante. Pour les objets relativement éloignés d’une surface, la masse de la source de gravité et la distance de son centre à l’objet doivent être prises en compte.
Les usages
L’utilisation la plus importante de l’énergie potentielle gravitationnelle est probablement l’énergie hydroélectrique. Ici, l’énergie potentielle de l’eau dans un lac ou un réservoir situé au-dessus d’une centrale électrique est exploitée pour produire de l’électricité. L’eau peut descendre du réservoir, convertissant le potentiel en énergie cinétique, et le mouvement de l’eau entraîne une turbine qui génère un courant électrique. Pendant les périodes de faible demande, la centrale peut avoir un excès d’électricité, qui peut être utilisé pour pomper de l’eau vers le réservoir, accumulant ainsi plus d’énergie potentielle.
Une autre application est dans les contrepoids, qui sont utilisés dans un certain nombre de dispositifs mécaniques. Par exemple, certains types d’ascenseurs utilisent un contrepoids de telle sorte qu’il descende lorsque la cabine d’ascenseur monte, et vice-versa. Lorsque la voiture monte, l’énergie potentielle du contrepoids est convertie en énergie cinétique lorsqu’elle descend, de sorte qu’elle aide à tirer la voiture vers le haut, réduisant ainsi la quantité de travail qui doit être effectuée par le moteur qui entraîne l’appareil. Au fur et à mesure que la cabine d’ascenseur descend – aidé par la gravité – le contrepoids est tiré vers le haut, gagnant de l’énergie potentielle.