Énergie mécanique – Wikipedia wiki

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Énergie potentielle et cinétique associée à la position et au mouvement d’un objet physique

Un exemple de système mécanique: un satellite est en orbite autour de la terre influencée uniquement par la force gravitationnelle conservatrice; Son énergie mécanique est donc conservée. L’accélération du satellite est représentée par le vecteur vert et sa vitesse est représentée par le vecteur rouge. Si l’orbite du satellite est une ellipse, l’énergie potentielle du satellite et son énergie cinétique, toutes deux varient avec le temps mais leur somme reste constante.
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En sciences physiques, énergie mécanique est la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique. Le principe de conservation de l’énergie mécanique stipule que si un système isolé n’est soumis qu’aux forces conservatrices, alors l’énergie mécanique est constante. Si un objet se déplace dans la direction opposée d’une force nette conservatrice, l’énergie potentielle augmentera; Et si la vitesse (pas la vitesse) de l’objet change, l’énergie cinétique de l’objet change également. Dans tous les systèmes réels, cependant, les forces non conservatrices, telles que les forces de friction, seront présentes, mais si elles sont d’une ampleur négligeable, l’énergie mécanique change peu et sa conservation est une approximation utile. Dans les collisions élastiques, l’énergie cinétique est conservée, mais dans les collisions inélastiques, une énergie mécanique peut être convertie en énergie thermique. L’équivalence entre l’énergie mécanique perdue et une augmentation de la température a été découverte par James Prescott Joule.

De nombreux appareils sont utilisés pour convertir l’énergie mécanique ou à partir d’autres formes d’énergie, par ex. Un moteur électrique convertit l’énergie électrique en énergie mécanique, un générateur électrique convertit l’énergie mécanique en énergie électrique et un moteur thermique convertit la chaleur en énergie mécanique.

Général [ modifier ]]

L’énergie est une quantité scalaire et l’énergie mécanique d’un système est la somme de l’énergie potentielle (qui est mesurée par la position des parties du système) et l’énergie cinétique (qui est également appelée l’énergie du mouvement): [d’abord] [2]

L’énergie potentielle, DANS , dépend de la position d’un objet soumis à la gravité ou à une autre force conservatrice. L’énergie potentielle gravitationnelle d’un objet est égale au poids DANS de l’objet multiplié par la hauteur H du centre de gravité de l’objet par rapport à une donnée arbitraire:

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L’énergie potentielle d’un objet peut être définie comme la capacité de l’objet à travailler et augmente à mesure que l’objet est déplacé dans la direction opposée de la direction de la force. [NB 1] [d’abord] Si F représente la force conservatrice et X la position, l’énergie potentielle de la force entre les deux positions X d’abord et X 2 est défini comme l’intégrale négative de F depuis X d’abord pour X 2 : [4]

L’énergie cinétique, K , dépend de la vitesse d’un objet et est la capacité d’un objet en mouvement à travailler sur d’autres objets lorsqu’il entre en collision avec eux. [NB 2] [8] Il est défini comme la moitié du produit de la masse de l’objet avec le carré de sa vitesse, et l’énergie cinétique totale d’un système d’objets est la somme des énergies cinétiques des objets respectifs: [d’abord] [9]

Le principe de conservation de l’énergie mécanique stipule que si un corps ou un système n’est soumis qu’aux forces conservatrices, l’énergie mécanique de ce corps ou système reste constante. [dix] La différence entre une force conservatrice et non conservatrice est que lorsqu’une force conservatrice déplace un objet d’un point à un autre, le travail effectué par la force conservatrice est indépendant du chemin. Au contraire, lorsqu’une force non conservatrice agit sur un objet, le travail effectué par la force non conservatrice dépend du chemin. [11] [douzième]

Conservation de l’énergie mécanique [ modifier ]]

Le professeur du MIT Walter Lewin démontrant la conservation de l’énergie mécanique

Selon le principe de conservation de l’énergie mécanique, l’énergie mécanique d’un système isolé reste constante dans le temps, tant que le système est exempt de frottement et d’autres forces non conservatrices. Dans toute situation réelle, des forces de friction et d’autres forces non conservatrices sont présentes, mais dans de nombreux cas, leurs effets sur le système sont si petits que le principe de conservation de l’énergie mécanique peut être utilisé comme approximation équitable. Bien que l’énergie ne puisse pas être créée ou détruite, elle peut être convertie en une autre forme d’énergie. [d’abord] [13]

Pendule balançant [ modifier ]]

Un pendule oscillant avec le vecteur de vitesse (vert) et le vecteur d’accélération (bleu). L’amplitude du vecteur de vitesse, la vitesse, du pendule est la plus grande en position verticale et le pendule est le plus éloigné de la Terre dans ses positions extrêmes.

Dans un système mécanique comme un pendule oscillant soumis à la force gravitationnelle conservatrice où les forces de friction comme la traînée d’air et la friction au pivot sont négligeables, l’énergie passe entre une énergie cinétique et potentielle mais ne quitte jamais le système. Le pendule atteint la plus grande énergie cinétique et l’énergie la moins potentielle en position verticale, car elle aura la plus grande vitesse et sera la plus proche de la terre à ce stade. D’un autre côté, il aura son énergie la moins cinétique et sa plus grande énergie potentielle aux positions extrêmes de sa balançoire, car elle n’a pas de vitesse et est la plus éloignée de la Terre à ces points. Cependant, lors de la prise en compte des forces de friction, le système perd l’énergie mécanique à chaque swing en raison du travail négatif effectué sur le pendule par ces forces non conservatrices. [2]

Irréversibilités [ modifier ]]

Le fait que la perte d’énergie mécanique dans un système a toujours entraîné une augmentation de la température du système est connue depuis longtemps, mais c’est le physicien amateur James Prescott Joule qui a démontré pour la première fois comment une certaine quantité de travail effectuée contre la friction a abouti à Une quantité précise de chaleur qui doit être conçue comme les mouvements aléatoires des particules qui composent la matière. [14] Cette équivalence entre l’énergie mécanique et la chaleur est particulièrement importante lors de l’examen des objets en collision. Dans une collision élastique, l’énergie mécanique est conservée – la somme des énergies mécaniques des objets en collision est la même avant et après la collision. Après une collision inélastique, cependant, l’énergie mécanique du système aura changé. Habituellement, l’énergie mécanique avant la collision est supérieure à l’énergie mécanique après la collision. Dans les collisions inélastiques, une partie de l’énergie mécanique des objets en collision est transformée en énergie cinétique des particules constituantes. Cette augmentation de l’énergie cinétique des particules constituantes est perçue comme une augmentation de la température. La collision peut être décrite en disant qu’une partie de l’énergie mécanique des objets en collision a été convertie en une quantité égale de chaleur. Ainsi, l’énergie totale du système reste inchangée, bien que l’énergie mécanique du système ait réduit. [d’abord] [15]

Satellite [ modifier ]]

tracé de l’énergie cinétique

Un satellite de masse

m {displaystyle m}

à une distance

r {displaystyle r}

du centre de la Terre possède à la fois l’énergie cinétique,

K {displaystyle k}

, (en raison de son mouvement) et de l’énergie potentielle gravitationnelle,

DANS {displaystyle u}

, (en raison de sa position dans le champ gravitationnel de la Terre; la masse de la Terre est

M {displaystyle m}

).
D’où l’énergie mécanique

ET mécanique {displayStyle e_ {text {mécanique}}}

du système de terre satellite est donné par

Si le satellite est en orbite circulaire, l’équation de conservation de l’énergie peut être encore simplifiée en

Étant donné qu’en mouvement circulaire, la 2e loi de la mouvement de Newton peut être considérée comme

Conversion [ modifier ]]

Aujourd’hui, de nombreux dispositifs technologiques convertissent l’énergie mécanique en d’autres formes d’énergie ou vice versa. Ces appareils peuvent être placés dans ces catégories:

Distinction des autres types [ modifier ]]

La classification de l’énergie en différents types suit souvent les limites des domaines d’étude dans les sciences naturelles.

Les références [ modifier ]]

Remarques

  1. ^ Il est important de noter que lors de la mesure de l’énergie mécanique, un objet est considéré dans son ensemble, comme il est indiqué par Isaac Newton dans son Commence : “Le mouvement d’un ensemble est le même que la somme des mouvements des parties; des parties et donc est interne et dans tout le corps. ” [3]
  2. ^ En physique, la vitesse est une quantité scalaire et la vitesse est un vecteur. La vitesse est vitesse avec une direction et peut donc changer sans changer la vitesse de l’objet car la vitesse est l’ampleur numérique d’une vitesse. [5] [6] [7]

Citations

  1. ^ un b c d C’est Wilczek, Frank (2008). “Lois de conservation (physique)” . Accéder à . McGraw-Hill Companies. Archivé de l’original le 2013-07-19 . Récupéré 2011-08-26 .
  2. ^ un b “énergie mécanique”. The New Encyclopædia Britannica: Micropædia: Ready Reference . Vol. 7 (15e éd.). 2003.
  3. ^ Newton 1999, p. 409
  4. ^ “Énergie potentielle” . Texas A&M University – Kingsville. Archivé de l’original le 2012-04-14 . Récupéré 2011-08-25 .
  5. ^ Brodie 1998, pp. 129–131
  6. ^ Rusk, Rogers D. (2008). “Vitesse” . Accéder à . McGraw-Hill Companies. Archivé de l’original le 2013-07-19 . Récupéré 2011-08-28 .
  7. ^ Rusk, Rogers D. (2008). “Rapidité” . Accéder à . McGraw-Hill Companies. Archivé de l’original le 2013-07-19 . Récupéré 2011-08-28 .
  8. ^ Brodie 1998, p. 101
  9. ^ Jain 2009, p. 9
  10. ^ Jain 2009, p. 12
  11. ^ Département de physique. “Revue D: énergie potentielle et conservation de l’énergie mécanique” (PDF) . Massachusetts Institute of Technology . Récupéré 2011-08-03 .
  12. ^ Resnick, Robert et Halliday, David (1966), La physique .
  13. ^ E. Roller, Duane; Leo Nedelsky (2008). “Conservation d’énergie” . Accéder à . Compagnies de McGraw-Hill . Récupéré 2011-08-26 .
  14. ^ “James Prescott Joule”. Scientifiques: leur vie et leurs travaux . Grand vent. 2006. comme cité sur “Ressources des étudiants dans le contexte” . grand vent . Récupéré 2011-08-28 .
  15. ^ Schmidt, Paul W. (2008). “Collision (physique)” . Accéder à . Compagnies de McGraw-Hill . Récupéré 2011-09-03 .
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Bibliographie

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