Boussole du cours
Objectif : comprendre chaque mot, symbole, unité et opération avant d’utiliser la formule.
Méthode : concret → vocabulaire → calcul pas à pas → trois exemples → contrôle.
1 — Travail, énergie, puissance : trois mots proches mais pas identiques
Imaginez un treuil martien qui soulève une caisse. La force du treuil produit un travail mécanique pendant le déplacement. L’énergie est ce qui permet de réaliser cette transformation. La puissance indique à quelle vitesse l’énergie est transférée.
2 — Travail mécanique : une force qui agit pendant un déplacement
Dans le cas simple où la force et le déplacement sont dans la même direction :
On prononce : « W égale F multiplié par d ».
- W = travail, en joules ;
- F = force, en newtons ;
- d = déplacement dans la direction de la force, en mètres.
Si un treuil tire avec 100 N sur 5 m :
W = 100 × 5 = 500 JJ se lit « joule ». Un joule est l’unité d’énergie et de travail.
3 — Énergie : ce qui peut être stocké, transféré ou transformé
Une batterie stocke de l’énergie chimique convertie en énergie électrique. Un moteur transforme une partie de cette énergie en mouvement et en chaleur. Une masse soulevée gagne de l’énergie potentielle gravitationnelle.
Le joule sert de langage commun pour comparer ces transferts.
4 — Puissance : combien de joules sont transférés chaque seconde
On prononce : « P égale E divisé par t ».
- P = puissance, en watts ;
- E = énergie transférée, en joules ;
- t = durée, en secondes.
Un système transfère 1 000 J en 5 s :
P = 1 000 ÷ 5 = 200 WUn watt signifie donc un joule par seconde : 1 W = 1 J/s.
5 — Énergie cinétique : l’énergie liée au mouvement
On lit : « E c égale un demi multiplié par m multiplié par v au carré ».
Pour une masse de 100 kg roulant à 4 m/s :
v² = 4² = 16
E c = 0,5 × 100 × 16 = 800 JSi la vitesse double, l’énergie cinétique est multipliée par quatre, car la vitesse est au carré.
6 — Soulever une charge : énergie potentielle gravitationnelle
Près du sol, pour une variation d’altitude modérée, on utilise :
h se lit « h » et représente la hauteur gagnée. Sur Mars, prenons g ≈ 3,71 N/kg.
Soulever 50 kg de 2 m :
E p = 50 × 3,71 × 2 = 371 JUn système réel consommera davantage d’énergie électrique à cause des pertes.
7 — Trois exemples concrets
Exemple A — Treuil
Force 250 N, déplacement 4 m.
W = 250 × 4 = 1 000 JSi l’opération dure 10 s : P = 1 000 ÷ 10 = 100 W de puissance mécanique moyenne.
Exemple B — Deux treuils font le même travail
Les deux transfèrent 2 000 J. Le premier en 20 s, le second en 5 s.
P1 = 2 000 ÷ 20 = 100 W
P2 = 2 000 ÷ 5 = 400 WMême énergie, puissance différente.
Exemple C — Pompe avec rendement
Une pompe fournit 600 W utiles avec un rendement de 75 %.
rendement = 0,75
puissance électrique requise = 600 ÷ 0,75 = 800 WLa différence, environ 200 W dans ce modèle, est dissipée sous d’autres formes, notamment en chaleur.
8 — Faire un bilan d’énergie sur Mars
Pour dimensionner une base, on ne demande pas seulement « combien de watts possède cette machine ? ». Il faut connaître : puissance instantanée, durée d’usage, énergie totale, rendement, pics de démarrage et réserves.
Une machine de 1 000 W utilisée pendant 2 h consomme idéalement 2 kWh d’énergie électrique. Le kilowattheure est une unité d’énergie pratique : 1 kWh = 3,6 MJ.
9 — Exercices corrigés
Exercice 1
Une force de 80 N agit sur 3 m dans le même sens. Travail ?
Exercice 2
Une machine transfère 3 600 J en 30 s. Puissance ?
Exercice 3
Pourquoi un moteur de 1 000 W n’implique-t-il pas à lui seul une consommation d’énergie connue ?