L'énergie cinétique représente l'énergie due au mouvement d'un objet.

🤓 Elle est proportionnelle à sa masse et à la vitesse au carré, exprimée par la formule Ecin = 1/2 * m * v^2. Plus un objet est massif et rapide, plus son énergie cinétique est élevée

🌍 L'énergie potentielle de pesanteur est liée à la position d'un objet par rapport à la Terre. Elle dépend de la hauteur et de la masse de l'objet, exprimée par Epot = m * g * h.

  • Lorsque l'objet est soulevé, son énergie potentielle augmente
  • Elle se convertit en énergie cinétique lorsqu'il redescend, illustrant la transformation entre différentes formes d'énergie.

Pour résumer :

L'énergie cinétique est utilisée pour quantifier et prédire les effets du mouvement

L'énergie potentielle de pesanteur explique les changements d'énergie liés à la position verticale des objets

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Utiliser la quantité de mouvement

Comment être bon en physique en étant nul en maths ?
Quand on parle de vecteur, on pense tout de suite aux mathématiques. Cela montre encore une fois que ces deux matières sont extrêmement liées.

La quantité de mouvement correspond à une grandeur vectorielle que l'on définit par

qui dépendra du référentiel d'étude.

🤔 De plus, en utilisant l'additivité, on est capable de définir la quantité de mouvement d'un corps non ponctuel ou système matériel. De ce fait, il devient possible de démontrer que la quantité de matière est égale à la quantité de mouvement du centre d'inertie de l'objet étudié affecté de la masse totale du système.

On a donc :

où C correspond au centre d'inertie.

𐄷 On utilise le kg.m.s-1 comme unité

🚴‍♀️ De façon logique et naturelle, la notion de quantité de mouvement s'introduit en dynamique. En effet, la relation fondamentale de la dynamique exprime le fait que l'action d'une force extérieure sur un système conduit à une variation de sa quantité de mouvement par l'expression suivante :

📚On peut également dire de la notion de quantité de mouvement qu'elle fait partie, de la même façon que l'énergie, des grandeurs qui se conservent dans un système isolé et donc un système qui n'est soumis à aucune action extérieure ou alors ces mêmes actions extérieures sont négligeables ou se compensent. On utilise d'ailleurs fréquemment cette propriété en théorie des collisions.

.

🧲 Dans le cas d'un champ électromagnétique, on appelle la quantité de mouvement impulsion. Elle fait alors référence à la densité volumique d'impulsion du champ donné par la formule :

Définition d'un champ d’énergie cinétique ⚡️

Comment survivre à un accident de voiture ?
Une voiture en circulation possède sa propre énergie cinétique. Plus elle ira vite, plus son énergie sera grande et donc dangereuse.

L’énergie cinétique est l’énergie liée au mouvement d’un corps. En fait, elle est égale au travail nécessaire pour faire passer le dit corps du repos à son mouvement de translation ou de rotation. Elle dépend donc à la fois de la vitesse de l’objet et de sa masse. Etant donnée que la vitesse d’un objet dépend du référentiel choisi, c’est aussi le cas de l’énergie cinétique.

📝 L’énergie cinétique se note Ec et s’exprime en joule (J)

Autrement dit, tout corps en mouvement en possède une :

  • Elle peut être macroscopique : elle dépend alors de la vitesse du corps en mouvement, et donc du référentiel d'étude microscopique : elle est liée à l'agitation moléculaire.
  • Une augmentation de l'énergie cinétique microscopique se traduit par une augmentation de la température.

✅ En résumé, l'énergie cinétique correspond à l'énergie d'un objet en mouvement.

La formule est :

Avec :

  • Ec correspondant à l'énergie cinétique de l'objet étudié avec pour unité le Joule noté J ;
  • m correspondant à la masse de l'objet étudié avec pour unité le kilogramme noté kg ;
  • Et v correspondant à la vitesse de l'objet étudié avec pour unité la mètre par seconde noté m.s-1.

Exemple

Prenons le cas d'un système en translation. Il est important de savoir que la relation définissant l'énergie cinétique ne s'applique pas pour les solides en rotation.

L'énergie cinétique d'une voiture qui pèse 1 tonne et qui roule à 130 Km/h est de :

La vitesse

La vitesse est une grandeur physique qui est définie par une évolution face au temps.

La vitesse ne définit pas qu’uniquement la vitesse de déplacement mais peut aussi correspondre à la vitesse de réaction chimique ou encore une vitesse de séchage par exemple.

En règle générale, une vitesse est égale à la division de la mesure d’une variation telle qu’une longueur, un volume ou encore un poids par la mesure du temps écoulé au cours de cette variation.

L’exemple le plus simple est celui de la vitesse de déplacement. Il s’agit d’une distance divisée par un temps comme les mètres par seconde ou les kilomètres par heure.

La masse

En physique, la masse correspond à une grandeur physique positive et intrinsèque d'un corps.

De façon plus précise, en physique newtonienne, la masse correspond à une grandeur extensive. Cela signifie alors que la masse d'un corps formé de parties correspond à la somme des masses de ces différentes parties qui le compose.

De plus, il est essentiel de noter que la masse est une grandeur conservative. De ce fait, elle reste constante dans le cas d'un système isolé qui n'échange donc pas de matière avec son environnement.

Définition d'un solide en translation 🪨

C’est un solide dont le mouvement ne comporte pas de rotation : à un instant donné chacun de ses points se déplacent dans la même direction, le même sens et à la même vitesse.

Expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation

Si un objet de masse m se déplace à une vitesse v en suivant un mouvement de translation alors son énergie cinétique Ec est donnée par la formule:

Ec = 1/2  x m x v²         

  • Ec en joule (J)
  •  m en kilogramme (kg)
  • v en mètre par seconde (m.s-1)

Attention à ne pas oublier le carré à la vitesse !

Exemple

🎒 Prenons un objet de masse m = 6,7 g. Cet objet est en mouvement de translation à une vitesse v de 2,7 m.s-1.

Quelle est alors la valeur de son énergie cinétique ?

  • On sait que v = 2,7 m.s-1 et que m = 6,7g
  • Il faut dans un premier temps convertir la masse en kilogrammes
  • On a donc : m = 6,7 g = 0,0067 kg
  • Ainsi, on peut appliquer la formule précédemment énoncée : Ec = 1/2 x m x v²
  • D’où : Ec = 1/2 x 0,0067 x (2,7)²
  • Donc : Ec = 0,024 J
  • L’énergie cinétique de notre objet est donc de 0,024 Joules

Définition de l’énergie potentielle de pesanteur 🪐

Comment calculer l'énergie mécanique ?
Plus vous serez haut, plus votre énergie potentielle sera élevée et donc plus le risque de se blesser en cas de chute est important. Soyez donc prudent !

Il s’agit de l’énergie liée au poids d’un corps. Elle est du au fait que ce corps se trouve dans un champ de pesanteur. Ce dernier s’exerce sur n’importe quel corps ayant une masse et se trouvant à proximité de la Terre. Elle dépend donc de la masse du corps et de son altitude.

📝 Elle se note Epp et s’exprime en joule comme toutes les autres énergies

Autrement dit, elle dépend de la position relative des différentes parties du système : seul un systèmes déformable pourra posséder, à l'échelle macroscopique, de l'énergie potentielle.

En résumé, l'énergie potentielle correspond à l'énergie contenue dans un objet au dessus du sol.

👉 La formule est :

  • Ep correspondant à l'énergie potentielle de l'objet étudié avec pour unité le Joule noté J ;
  • m correspondant à la masse de l'objet étudié avec pour unité le kilogramme noté kg ;
  • g correspondant à l'intensité de pesanteur avec pour unité le Newton par kilogramme noté N.kg-1. A noter que la valeur approximative de g est de 9,81 N.kg-1.
  • Et v correspondant à la vitesse de l'objet étudié avec pour unité la mètre par seconde noté m.s-1.

Gravitation et champ gravitationnel

La gravitation correspond à une force attractive qui s'exerce à distance entre deux corps qui ont une masse.

Larousse

💪 Cette force dépend :

De la distance : plus la distance est grande, plus la force est petite

De la masse des corps : plus la masse est grande, plus la force gravitationnelle est grande

Le champ gravitationnel peut être comparé à un champ électrique

En physique classique, le champ gravitationnel ou champ de gravitation est un champ réparti dans l'espace et dû à la présence d'une masse susceptible d'exercer une influence gravitationnelle sur tout autre corps présent à proximité (immédiate ou pas). L'introduction de cette grandeur permet de s'affranchir du problème de la médiation de l'action à distance apparaissant dans l'expression de la force de gravitation universelle.

🚀 On peut interpréter le champ gravitationnel comme étant la modification de la métrique de l'espace-temps. L'approximation newtonienne est alors valable uniquement dans le cas où les corps présentent une vitesse faible par rapport à celle de la lumière dans le vide et si le potentiel gravitationnel qu'ils créent est tel que le quotient du potentiel gravitationnel sur le carré de la vitesse de la lumière dans le vide est négligeable.

On peut approcher le champ électrique et le champ gravitationnel. En effet, l'expression du champ et du potentiel ne sont différents que d'une constante :

  • Les principaux théorèmes de calculs, celui de la superposition ou de Gauss par exemple, peuvent s'appliquer dans les deux cas
  • Ce qui les différencie alors est le caractère attractif, donc entre deux charges de signe opposé, ou répulsif, donc entre deux charges de même signe, du champ électrique tandis que le champ gravitationnel ne peut être qu'attractif

Le principe de l'analogie

  • L'analogie repose sur la similitude des lois de Coulomb (électromagnétisme) et loi de Newton (gravitation).
  • Il est souvent inutile de faire les calculs de champs gravitationnels à partir de répartitions de masses, on procède plutôt par analogie avec les résultats connus de l'électrostatique.

La force d'interaction gravitationnelle, tout comme la force d'interaction électrostatique, est une force conservative. Ainsi, elles représentent toutes les deux le gradient d'une énergie potentielle. Dans ce cas, il est alors possible d'adapter absolument tous les calculs de champ et de potentiel étudiés dans le cadre du cours sur la distribution de masses dans le but de calculer le champ et le potentiel gravitationnels en un point définis de l'espace. Il en va de même avec le théorème de Gauss.

⚡️ Il peut être intéressant de mentionner que la force électrique fondamentale, également appelée force de Coulomb, peut être utilisée comme fondement de l'électrostatique. Ainsi, on peut déduire de ce fondement le théorème de Gauss.

C'est donc pour cela que l'on peut dire que la ressemblance formelle, c'est-à-dire les similarité des formules mathématiques, entre la force de Coulomb et la force gravitationnelle est une base solide permettant de fonder l'analogie entre les deux classes de phénomènes énoncés dans ce cours.

Ainsi, à partir de la force de Coulomb et par superposition, on peut être capable d'établir des expressions intégrales du champ électrique en fonction de la distribution de charge. Bien que ces calculs soient trop complexes pour être utiles dans les calculs analytiques, ils peuvent être très utiles afin de déterminer un champ électrique par résolution numérique, c'est-à-dire par ordinateur.

À titre comparatif : champ électrique

En physique, on appelle champ électrique tout champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus exactement, lorsque nous sommes en présence d'une particule chargée, les propriétés locale de l'espace défini sont alors modifié ce qui permet de définir la notion de champ :

  • En effet, si une autre charge se trouve être dans le dit champ, elle subira ce qu'on appelle l'action de la force électrique qui est exercée par la particule malgré la distance
  • On dit alors du champ électrique qu'il est le médiateur de la dite action à distance

Si on se veut plus précis, on peut définir dans un référentiel galiléen défini, une charge q définie de vecteur vitesse v qui subit de la part des autres charges présentes, qu'elles soient fixes ou mobiles, une force qu'on définira de force de Lorentz. Cette force se décompose ainsi :

Avec :

  • le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge
  • le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.

De plus, il est important de noter que les deux champs, électrique et magnétique, dépendent du référentiel d'étude.

Avec cette formule, on peut alors définir le champ électrique comme étant le champ traduisant l'action à distance subie par une charge électrique fixe dans un référentiel défini de la part de toutes les autres charges, qu'elles soient mobiles ou fixes.

Mais on peut également définir le champ électrique comme étant toute région de l'espace dans laquelle une charge est soumise à une force dite de Coulomb.

On commence à parler de champ électrostatique lorsque, dans un référentiel d'étude, les charges sont fixes. Notons d'ailleurs que le champ électrostatique ne correspond pas au champ électrique comme décrit plus haut dans cet article puisqu'en effet, lorsque les charges sont en mouvement dans un référentiel, il faut ajouter à ce référentiel un champ électrique qui est induit par les déplacement des charges afin d'obtenir un champ électrique complet.

👉 Mais, le champ électrique reste dans la réalité un caractère relatif puisqu'il ne peut exister indépendamment du champ magnétique. En effet, si on observe la description correcte d'un champ électromagnétique, celui-ci fait intervenir un tenseur quadridimensionnel de champ électromagnétique dont les composantes temporelles correspondent alors à celle d'un champ électrique. Seul ce tenseur possède un sens physique. Alors, dans le cas d'un changement de référentiel, il est tout à fait possible de transformer un champ magnétique en champ électrique et inversement.

À titre comparatif : champ électrostatique

On parle de champ électrostatique lorsque les charges qui constitue le champ sont au repos dans le référentiel d'étude. Ce champ est donc déduit de l'expression de la loi de Coulomb, aussi appelée interaction électrostatique.

🔭 En physique, on appelle champ électromagnétique la représentation dans l'espace d'une force électromagnétique exercée par des particules chargées. Ce champ représente alors l'ensemble des composantes de la force électromagnétique qui s'appliquent à une particule chargée qui se déplace alors dans un référentiel galiléen.

On peut alors définir la force subit par une particule de charge q et de vecteur vitesse par l'expression suivante :

Avec :

  • le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge
  • le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.

En effet la séparation de la partie magnétique et de la partie électrique de dépend que du point de vue pris selon le référentiel d'étude.

De plus, il peut être intéressant de savoir que les équations de Maxwell régissent les deux composantes couplées, c'est à dire électrique et magnétique, de sorte que toute variation d'une composante induira la variation de l'autre composante.

@micke_science

Replying to @summersvikan les équations de Maxwell sont une pure révolution ! #maxwell #equation #vulgarisation #electromagnetisme

♬ son original - Piano🎹Magic✨

D'ailleurs, le comportement des champs électromagnétiques se trouve décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique.

La façon la plus utilisée afin de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.

Expression de l’énergie potentielle de pesanteur

Si un corps de masse m est situé à une altitude z alors son énergie potentielle de pesanteur Epp peut être calculée en utilisant la formule suivante:

Δ(Epp) = m x g x (z1 - z0)      

  • Epp est en joule (J)
  • m est en kilogramme (kg)
  • *g l’intensité de la pesanteur est en N.kg-1   
  • **z1 et z0 est en mètre (m)

*L’intensité de la pesanteur est égale à approximativement 9,81 m s−2 (ou 9,81 N/kg). ** z1 et z0 étant respectivement les points d’altitude d’arrivée et de départ de l’objet Remarque: L’altitude est exprimée par rapport à un repère qui doit être choisi avant de calculer l’énergie potentielle. Cependant le repère le plus fréquent est celui associé au sol. Dans un énoncé d’exercice, normalement, cela est précisé.

Exemple

⚽️ Admettons que nous lancions un ballon de football qui reste accroché à un arbre. Ce ballon a une masse de 400 g. Il reste coincé à une hauteur de 3,7 m.

Quelle est alors son énergie potentielle de pesanteur ?

  • On sait que m = 400 g et z1 = 3,7 m
  • Il nous faut dans un premier temps convertir la masse en kilogrammes. On a donc m = 400 g = 0,4 kg
  • On peut donc appliquer la relation précédemment énoncée: Δ(Epp) = m x g x (z1 - z0)
  • D’où : Δ(Epp) = 0,4 x 9,81 x 3,7 (ici z0 = 0 puisque le ballon est parti du sol)
  • Donc : Δ(Epp) = 14,52 J

👍 Ainsi, l’énergie potentielle de pesanteur de notre ballon est de 14,52 Joules ! Remarque: l'altitude est exprimée par rapport à un repère qui doit être choisi avant de calculer l'énergie potentielle. Cependant le repère le plus fréquent est celui associé au sol.

Définition de l'inertie d'un corps ☄️

Comment définir le principe de l'inertie ?
Moins les forces de frottement ralentiront le mouvement, plus le principe d'inertie se vérifiera. C'est pourquoi on peut principalement appliquer ce principe aux cas des objets en mouvement dans l'espace

En physique, on appelle inertie d'un corps, dans un référentiel galiléen, une tendance de ce corps à conserver sa vitesse. En effet, lorsqu'il y a absence d'influences extérieures, on parle aussi de forces extérieures, alors tout corps que l'on considère comme ponctuel va perdurer dans un mouvement rectiligne uniforme.

🤓 Notons que l'on appelle aussi l'inertie, principe d'inertie ou encore loi d'inertie. Puis, lorsque Newton est arrivé, on l'appelle également première loi de Newton

Elle s'énonce ainsi :

Un système isolé ou pseudo-isolé initialement au repos ou en mouvement rectiligne uniforme demeure dans son état.

On appelle référentiel galiléen tout référentiel au sein duquel le principe d'inertie est vérifié.

Même s'il n'existe aucun référentiel galiléen au sens strict. Il est cependant possible de considérer certains référentiels usuels comme galiléen si certaines conditions sont vérifiée :

  • Ainsi, le référentiel terrestre peut être considéré galiléen si on considère un mouvement dont la durée ne dépasse pas quelques minutes dans le but de s'affranchir du mouvement de rotation propre de la Terre.
  • Le référentiel géocentrique peut également être considéré comme étant galiléen si on considère un mouvement dont la durée ne dépasse quelques heures dans le but de s'affranchir du mouvement de rotation de la Terre autour du Soleil.
  • Le référentiel héliocentrique peut aussi être considéré comme étant galiléen car l'impact du mouvement de rotation du Soleil au sein de la galaxie est négligeable.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir. Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).