3ᵉ · Physique-Chimie · L'énergie : conversions & transferts
Un objet en mouvement possède de l'énergie à cause de son mouvement : c'est l'énergie cinétique, notée Ec. Elle se calcule ainsi :
Ec est en joules (J), la masse m en kilogrammes (kg) et la vitesse v en mètres par seconde (m/s).
L'énergie cinétique dépend de la masse, mais surtout du carré de la vitesse. C'est le point le plus important : si la vitesse est multipliée par 2, l'énergie cinétique est multipliée par 2² = 4 ; si la vitesse est multipliée par 3, l'énergie cinétique est multipliée par 3² = 9.
Pour s'arrêter, un véhicule doit évacuer toute son énergie cinétique par le freinage. Comme Ec dépend du carré de la vitesse, la distance de freinage augmente très vite quand on roule plus vite : rouler deux fois plus vite, c'est une distance de freinage environ quatre fois plus longue. En cas de choc, cette énergie doit être absorbée d'un coup : plus la vitesse est grande, plus le choc est violent.
Un objet placé en hauteur possède aussi de l'énergie, appelée énergie de position (ou énergie potentielle de pesanteur). Elle est d'autant plus grande que l'objet est haut et lourd. Par exemple, une nacelle en haut d'un manège possède une grande énergie de position.
L'énergie ne disparaît pas : elle se transforme d'une forme à une autre. Dans les montagnes russes, l'énergie de position (en haut) se transforme en énergie cinétique (en bas) : le wagon prend de la vitesse en descendant. Au freinage d'une voiture, l'énergie cinétique se transforme en chaleur dans les freins.
Avant de rentrer dans le cours, voyons à quoi sert l'énergie cinétique. C'est l'énergie que possède tout objet parce qu'il bouge. Sur la route, c'est la notion clé de la sécurité : une voiture lancée transporte énormément d'énergie, et pour s'arrêter elle doit toute l'évacuer par le freinage.
Voilà pourquoi la distance d'arrêt s'allonge très vite quand on roule plus vite, car l'énergie cinétique dépend du carré de la vitesse. Rouler deux fois plus vite, ce n'est pas deux fois plus d'énergie, mais quatre fois plus ! Dans le sport, un ballon lancé plus vite frappe beaucoup plus fort, pour la même raison.
Et dans une montagne russe, le wagon transforme son énergie de position, tout en haut, en énergie cinétique en descendant : c'est pour ça qu'il prend autant de vitesse en bas. Regarde l'animation : le véhicule accélère, et sa jauge d'énergie cinétique grimpe bien plus vite que sa vitesse, parce qu'elle suit le carré de la vitesse.
Commençons par le début. Tout objet en mouvement possède de l'énergie, uniquement parce qu'il bouge : c'est l'énergie cinétique. Une voiture qui roule, un ballon lancé, une bille qui dévale une pente : tous en possèdent.
Cette énergie se calcule avec une formule : Ec égale un demi multiplié par la masse, multipliée par la vitesse au carré. L'énergie cinétique s'exprime en joules, la masse en kilogrammes, et la vitesse en mètres par seconde. Retiens bien les unités, car la formule ne marche qu'avec elles.
Deux choses font grandir l'énergie cinétique : une masse plus grande, et surtout une vitesse plus grande. Un camion lancé possède beaucoup plus d'énergie cinétique qu'un vélo à la même vitesse, parce qu'il est bien plus lourd.
Voici le point le plus important du chapitre. Dans la formule, la vitesse est au carré. Cela veut dire qu'elle a un effet beaucoup plus fort que la masse.
Regarde ce qui se passe si on double la vitesse. La vitesse est multipliée par deux, mais l'énergie cinétique, elle, est multipliée par deux au carré, c'est-à-dire par quatre. Si on multiplie la vitesse par trois, l'énergie est multipliée par trois au carré, soit neuf.
Autrement dit, un petit gain de vitesse fait bondir l'énergie cinétique. C'est exactement ce qui rend la vitesse si dangereuse sur la route : passer de cinquante à cent kilomètres par heure, ce n'est pas deux fois plus d'énergie à évacuer, mais quatre fois plus.
Appliquons tout ça à la route. Quand une voiture freine, elle doit évacuer toute son énergie cinétique : les freins la transforment en chaleur, jusqu'à l'arrêt complet. Or cette énergie dépend du carré de la vitesse.
Résultat : la distance de freinage augmente très vite avec la vitesse. Si tu roules deux fois plus vite, la distance pour t'arrêter n'est pas doublée, elle est environ multipliée par quatre. C'est pour cela que quelques kilomètres par heure de trop peuvent transformer un arrêt sûr en accident.
Et en cas de choc, toute cette énergie doit être absorbée d'un coup : plus la vitesse est grande, plus le choc est violent. Voilà pourquoi les limitations de vitesse existent, et pourquoi il faut garder ses distances.
Il existe une autre forme d'énergie liée à la hauteur : l'énergie de position, aussi appelée énergie potentielle de pesanteur. Un objet possède d'autant plus d'énergie de position qu'il est haut et qu'il est lourd. Une nacelle tout en haut d'un manège en possède beaucoup.
Le plus intéressant, c'est que l'énergie se transforme : elle ne disparaît jamais, elle change de forme. Dans une montagne russe, en haut, le wagon a beaucoup d'énergie de position mais peu de vitesse. En descendant, cette énergie de position se transforme en énergie cinétique : le wagon accélère et arrive très vite en bas.
À l'inverse, quand une voiture freine, son énergie cinétique se transforme en chaleur dans les freins. Retiens cette idée forte : l'énergie se conserve, elle passe simplement d'une forme à une autre.
12 des 32 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.