Qu'est-ce que le travail en physique ?
Dans la vie de tous les jours, lire un livre donne l'impression de travailler. En physique, il y a travail seulement quand une force déplace quelque chose. Deux conditions : une force agit, et l'objet se déplace dans le sens de la force.
Travail = force × distance parcourue dans le sens de la force, W = F × s.
L'unité du travail est le joule (J). 1 J est le travail d'une force de 1 newton qui déplace un objet de 1 mètre (1 J = 1 N × 1 m).
Quand le travail est-il nul, positif ou négatif ?
- Nul : tu pousses un mur et il ne bouge pas (s = 0). Ou un porteur tient une charge sur la tête et marche sur un sol plat : la force est vers le haut, le déplacement est horizontal, donc le poids et sa force de soutien ne font aucun travail.
- Positif : la force et le déplacement ont le même sens (tu pousses un chariot vers l'avant).
- Négatif : la force est opposée au déplacement (le frottement qui ralentit une balle qui roule). Alors W = −F × s.
Regarde l'étape 1 de la 3D : quand F = 0, la caisse ne bouge pas et W = 0 J.
L'énergie et ses formes
L'énergie est la capacité à produire du travail. Son unité est aussi le joule. Un objet qui a de l'énergie peut pousser, soulever ou déplacer un autre objet. Un marteau en mouvement enfonce un clou : il avait de l'énergie et il a fait un travail.
Formes d'énergie autour de toi : mécanique (cinétique + potentielle), thermique, lumineuse, sonore, chimique (aliments, carburant), électrique et nucléaire. Une unité plus grande est le kilojoule : 1 kJ = 1000 J.
Énergie cinétique (énergie du mouvement)
Tout ce qui bouge a de l'énergie cinétique. Ec = ½ m v², où m est la masse en kg et v la vitesse en m/s. Si la vitesse double, Ec devient quatre fois plus grande, car v est au carré.
Énergie potentielle (énergie stockée)
Un corps placé au-dessus du sol stocke de l'énergie grâce à sa hauteur. Ep = m g h, où g ≈ 9.8 m/s² (on prend souvent 10). Un élastique tendu et un ressort remonté stockent aussi de l'énergie potentielle, à cause du changement de leur forme.
Ep dépend seulement de la hauteur, pas du chemin suivi pour soulever l'objet.
Conservation de l'énergie
Loi de conservation de l'énergie : l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle peut seulement passer d'une forme à une autre. L'énergie totale reste la même.
Lâche une balle d'une hauteur h. En haut, elle n'a que de l'Ep (mgh). Pendant la chute, la hauteur diminue et la vitesse augmente, donc l'Ep se transforme en Ec. Juste avant de toucher le sol, toute l'Ep est devenue de l'Ec. À chaque point intermédiaire, Ep + Ec = mgh = constante (si on néglige la résistance de l'air).
L'étape 3 de la 3D le montre avec trois barres : la bleue (Ep) diminue, l'orange (Ec) grandit, la verte (total) reste horizontale.
Transformations d'énergie que tu vois chaque jour
- Lampe torche : chimique (pile) → électrique → lumière.
- Centrale hydroélectrique : Ep de l'eau stockée → Ec → électrique.
- Freins : Ec du vélo → chaleur dans les plaquettes de frein.
Puissance : la vitesse du travail
Deux personnes montent le même escalier. Elles font le même travail, mais celle qui court arrive la première. On dit qu'elle a plus de puissance.
Puissance = travail effectué ÷ temps mis, P = W ÷ t. Son unité est le watt (W) : 1 W = 1 J/s. Une unité plus grande est le kilowatt : 1 kW = 1000 W.
Si la puissance change tout le temps, la puissance moyenne = travail total ÷ temps total.
Unité commerciale d'énergie
Les factures d'électricité utilisent le kilowattheure (kWh), appelé une « unité ». 1 kWh est l'énergie consommée par un appareil de 1000 W pendant 1 heure. 1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3.6 × 10⁶ J.
Machines simples : leviers et poulies
Une machine simple nous aide à travailler plus facilement : elle permet à une petite force (l'effort) de déplacer un grand poids (la charge), ou de changer la direction de la force.
Avantage mécanique (AM) = charge ÷ effort. Si AM = 4, un effort de 50 N peut soulever une charge de 200 N.
Levier
Un levier est une barre rigide qui tourne autour d'un point fixe appelé point d'appui (ou pivot). Il est en équilibre quand charge × bras de la charge = effort × bras de l'effort. Le bras est la distance au point d'appui. Donc AM = bras de l'effort ÷ bras de la charge. Garde le point d'appui près de la charge : le bras de l'effort devient long, donc il faut moins d'effort.
- Classe I : point d'appui au milieu (balançoire à bascule, ciseaux, pied-de-biche).
- Classe II : charge au milieu (décapsuleur, brouette, casse-noix). AM est toujours supérieur à 1.
- Classe III : effort au milieu (pinces, ton avant-bras, canne à pêche). AM est inférieur à 1, mais on gagne en vitesse et en contrôle.
Poulie
Une poulie fixe simple (comme celle d'un puits) a AM = 1. Elle ne réduit pas la force, mais elle permet de tirer vers le bas pour monter la charge, ce qui est plus facile. Une poulie mobile simple est accrochée à la charge et a un AM idéal de 2. Des poulies assemblées en palan donnent un AM plus grand.
Aucune machine ne donne du travail gratuit. Quand l'effort est plus petit, il faut le déplacer sur une plus grande distance. Le frottement gaspille toujours un peu d'énergie, donc le travail fourni en sortie est plus petit que le travail reçu en entrée.
Essaie à la maison
Test du levier : place un crayon sous une règle de 30 cm comme point d'appui. Mets quelques pièces à un bout. Appuie sur l'autre bout avec un doigt. Maintenant glisse le crayon plus près des pièces et appuie encore. Qu'est-ce qui était le plus facile ? Fais d'abord une prédiction, puis vérifie. (Réponse : un point d'appui près de la charge demande moins d'effort.)
Test de puissance : monte un escalier en marchant et chronomètre-toi. Puis monte-le vite et chronomètre-toi encore. Travail = ton poids (masse × 10) × hauteur de l'escalier. Divise par chaque temps pour trouver ta puissance en watts.
Formules et définitions clés
- W = F × s (joule, J)
- Ec = ½ m v²
- Ep = m g h
- Ep + Ec = constante (sans frottement)
- P = W ÷ t (watt, W)
- 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J
- AM = charge ÷ effort
- Levier : charge × bras de la charge = effort × bras de l'effort
Exemples résolus
1. Une force de 20 N pousse une caisse sur 3 m le long du sol. Calcule le travail effectué.
W = F × s = 20 × 3 = 60 J.
2. Une balle de 2 kg se déplace à 6 m/s. Calcule son énergie cinétique.
Ec = ½ m v² = ½ × 2 × 6² = ½ × 2 × 36 = 36 J.
3. Une balle de 2 kg est soulevée à une hauteur de 4 m (g = 10 m/s²). Calcule son énergie potentielle.
Ep = m g h = 2 × 10 × 4 = 80 J.
4. Une balle de 2 kg est lâchée de 5 m. Calcule son Ec et sa vitesse juste avant de toucher le sol (g = 10).
Ep en haut = 2 × 10 × 5 = 100 J. Tout devient de l'Ec, donc Ec = 100 J. ½ × 2 × v² = 100, donc v² = 100, v = 10 m/s.
5. Une élève de 50 kg monte 3 m d'escalier en 6 s. Calcule sa puissance (g = 10).
W = m g h = 50 × 10 × 3 = 1500 J. P = W ÷ t = 1500 ÷ 6 = 250 W.
6. Un radiateur de 1500 W fonctionne 2 heures par jour pendant 30 jours. Calcule l'énergie consommée en kWh et le coût à ₹8 l'unité.
Énergie par jour = 1.5 kW × 2 h = 3 kWh. Pour 30 jours = 90 kWh. Coût = 90 × 8 = ₹720.
7. Une charge de 600 N est à 1.5 m du point d'appui d'un levier. L'effort est à 4.5 m du point d'appui. Calcule l'effort et l'AM.
600 × 1.5 = E × 4.5, donc E = 900 ÷ 4.5 = 200 N. AM = 600 ÷ 200 = 3.
8. La vitesse d'une voiture double. Par combien son énergie cinétique est-elle multipliée ?
Ec ∝ v². Nouvelle Ec = ½ m (2v)² = 4 × ½ m v². Donc Ec est multipliée par 4.
Erreurs fréquentes
- Dire qu'il y a travail quand on tient un sac lourd immobile. Pas de mouvement, donc W = 0.
- Oublier de mettre la vitesse au carré dans Ec = ½mv². Si v double, Ec est multipliée par quatre, pas par deux.
- Confondre watt et wattheure. Le watt est une puissance (J/s) ; le kWh est une énergie.
- Croire qu'une machine donne plus de travail qu'on n'en fournit. Elle réduit seulement la force en nous faisant déplacer plus loin.