L’énergie cinétique

Cours de physique – niveau classe de première S – partie « Lois et modèles – Formes et principe de conservation de l’énergie » 

  1. Qu’est que l’énergie cinétique ?
  2. Unité et notation
  3. Les énergies dérivant de l’énergie cinétique
  4. Formule de l’énergie cinétique
  5. Lien entre masse et énergie cinétique
  6. Lien entre vitesse et énergie cinétique
  7. Énergie cinétique et énergie mécanique
  8. Conversion de l’énergie cinétique en énergie thermique
  9. Conversion de l’énergie cinétique en énergie potentielle de pesanteur
  10. Transferts d’énergie cinétique

Qu’est que l’énergie cinétique ?

Définition

L’énergie cinétique est l’énergie du mouvement.

Tous corps qui se déplace suivant un mouvement de translation ou de rotation, qui oscille ou qui vibre possède de l’énergie cinétique.

Remarque

Tout mouvement est relatif au référentiel choisi par conséquent c’est aussi le cas de l’énergie cinétique dont la valeur dépend aussi du référentiel.

Unité et notation

Une énergie cinétique se note en général Ec.
Lorsque plusieurs systèmes sont étudiées leurs énergies cinétiques sont distinguées soit en ajoutant un numéro en indice (Ec1, Ec2, Ec3 etc) soit en précisant le nom du système entre parenthèses ( Ec(système 1), Ec(système 2) etc)

Lorsqu’on compare étudie les énergies cinétiques d’un système au début de son mouvement et à la fin, l’énergie cinétique initiale est notée Eci et l’énergie cinétique finale est notée Ecf

Comme toutes les énergies, l’énergie cinétique s’exprime en joule (J).

Les énergies dérivant de l’énergie cinétique

  • l’énergie thermique est liée au mouvements d’agitation des composants microscopiques de la matière, elle reflète donc l’énergie cinétique des atomes et molécules.
  • l’énergie éolienne est l’énergie liée au vent et reflète donc l’énergie cinétique d’ensemble de l’air.
  • l’énergie hydraulique exploite l’écoulement de l’eau et correspond en partie à l’énergie cinétique de cette dernière.

Formule de l’énergie cinétique

Il est possible d’exprimer l’énergie cinétique d’un solide ponctuel ou d’un solide en translation par la formule suivante:

Ec = ½.m.v²

Où :

  • Ec est en joule (J)
  • m est la masse du solide en kilogramme (kg)
  • v est la vitesse en mètre par seconde (m/s ou m.s-1)

Remarque

Un solide est en translation si chacun de ses points se déplace, à chaque instant du mouvement, à la même vitesse que les autres points du solide. Un mouvement de translation n’est pas nécessairement rectiligne, il peut aussi être curviligne ou circulaire.

Dans le cas où un solide n’est pas en translation l’énergie cinétique totale du système inclut un terme qui est une énergie cinétique de rotation dont l’expression n’est pas au programme de première S.

Exemples

  • Si un solide de masse m=2,00kg est en translation à une vitesse v=10,0 m/s alors son énergie cinétique est Ec= ½.2.102 soit Ec= 100 J
  • Si un solide en translation de masse m = 400 g a une vitesse v=72 km/h alors la masse et la vitesse doivent d’abord être converties: m = 0,400 kg et v = 20 m/s. Soit Ec= ½.0,400.202, Ec = 80 J

Lien entre masse et énergie cinétique

L’expression de l’énergie cinétique montre qu’elle est proportionnelle à la masse du système, ainsi, pour des vitesses égale :

  • Un système ayant une masse deux fois plus élevée a une énergie cinétique deux fois plus élevée
  • Un système dont la vitesse est trois fois plus grande à une énergie cinétique trois fois plus grande.
  • Un système avec une masse dix fois plus élevée a une énergie cinétique dix fois plus élevée.

Lien entre vitesse et énergie cinétique

La formule Ec=½mv2 indique l’énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse ainsi si la vitesse est multipliée par un facteur donné (la masse restant constante) alors l’énergie cinétique est quant à elle multipliée par le carré de ce facteur :

  • Si la vitesse est multipliée par deux alors Ec est multipliée par 2² = 4
  • Si la vitesse est multipliée par trois alors Ec est multipliée par 3² = 9
  • Si la vitesse est multipliée par dix alors Ec est multipliée par 10² = 100
    Etc

Énergie cinétique et énergie mécanique

L’énergie cinétique est l’une des composantes de l’énergie mécanique, cette dernière est définie par la relation Em = Ec + Ep

Lorsqu’un système n’est soumis qu’à des forces dites conservatives (qui ne dissipent pas d’énergie du système vers l’extérieur l’extérieur) alors l’énergie mécanique se conserve et toute variation de l’une de ses composantes est compensée par une variation de l’autre composante.

Par exemple:

  • si l’énergie potentielle de pesanteur augmente de 20 J alors l’énergie cinétique baisse simultanément de 20 J
  • si Ep diminue de 50 J alors l’énergie cinétique augmente simultanément de 50 J

La conservation de l’énergie mécanique peut être exploitée pour déterminer l’énergie cinétique d’un système (et éventuellement sa vitesse)

Conversion de l’énergie cinétique en énergie thermique

Lors d’un mouvement avec frottement (un objet qui glisse sur le sol, des plaquettes de frein qui serrent un disque de freinage, une météorite qui rentre dans l’atmosphère terrestre…) alors une partie de l’énergie cinétique est convertie en une énergie thermique qui est transférée aux corps en contact.

Conversion de l’énergie cinétique en énergie potentielle de pesanteur

Lors du mouvement d’un système dans le champ de pesanteur terrestre tout mouvement vers le haut s’accompagne d’une conversion de l’énergie cinétique en énergie potentielle de pesanteur tandis que tous mouvement vers le bas s’accompagne d’une conversion inverse.

En l’absence de frottement lors du mouvement cette conversion est totale sinon elle n’est que partielle.

Transferts d’énergie cinétique

Lorsque deux systèmes mobiles (non déformables) rentrent en contact (en collision) il y a transfert d’énergie d’énergie cinétique entre les deux systèmes: la somme des énergies cinétiques des deux systèmes avant collision est égale à la somme des énergies cinétiques des deux systèmes après la collision.

Dans le cas où l’un des systèmes est immobile alors l’énergie cinétique initiale du système mobile se partage (pas nécessairement en proportions égales) entre les deux systèmes.

 


Notions de seconde à réviser

  • La notion d’énergie n’est pas inscrite au programme de seconde, mais il en est question au collège

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