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Je comprends le travail et l’énergie

Objectif

Déterminer l'équation qui relie les coordonnées $x$ et $y$ d'un mobile, sans dépendre explicitement du temps $t$.

Pourquoi c'est important ?

  • Permet de prévoir la forme de la trajectoire à partir des équations horaires.
  • Utilisée en balistique (lancer de projectiles), en orbital (orbites), en mécanique.
  • Sert à tracer la trajectoire sans calculer la position à chaque instant.

Petit rappel

  • Une trajectoire est la courbe décrite par un point en mouvement.
  • L'équation de la trajectoire exprime $y$ en fonction de $x$ (ou inversement) en éliminant le temps des équations horaires $x(t)$ et $y(t)$.
  • Cette méthode s'utilise en cinématique 2D (mouvement rectiligne oblique, parabole, cercle…).

🔧 Les étapes pour assurer

1. Travail $W$ d'une force constante

Si la force $\vec{F}$ est constante et que l'objet se déplace d'un vecteur $\vec{d}$, alors le travail de cette force est donné par :

$$W = \vec{F} \cdot \vec{d} = F \cdot d \cdot \cos(\alpha)$$

 :

  • $F$ : intensité de la force en $\mathrm{N}$
  • $d$ : déplacement en $\mathrm{m}$
  • $\alpha$ : angle entre force et déplacement

Cas particuliers :

  • Force parallèle au déplacement ($\alpha = 0°$) → $W = F \cdot d$
  • Force perpendiculaire au déplacement ($\alpha = 90°$) → $W = 0$

2. Énergies mécaniques

• Énergie cinétique

$$E_c = \dfrac{1}{2}mv^2$$

 :

  • $m$ : masse en $\mathrm{kg}$
  • $v$ : vitesse en $\mathrm{m/s}$

• Énergie potentielle de pesanteur

$$E_p = mgh$$

 :

  • $m$ : masse en $\mathrm{kg}$
  • $g$ : intensité de pesanteur, $g = 9{,}81 \mathrm{~N.kg^{-1}}$
  • $h$ : hauteur par rapport à un niveau de référence en $\mathrm{m}$

• Énergie mécanique

$$E_m = E_c + E_p$$

En l'absence de frottement l'énergie mécanique est conservée, c'est-à-dire qu'elle est constante.

Exemple

Un objet de $2 \mathrm{~kg}$ est lancé à $4 \mathrm{~m/s}$ :

$$E_c = \dfrac{1}{2}mv^2 = \dfrac{1}{2} \times 2 \times 4^2 = 16 \mathrm{~J}$$

Si cet objet monte de $3$ mètres :

$$E_p = mgh = 2 \times 9{,}81 \times 3 = 58{,}86 \mathrm{~J}$$

L'énergie mécanique totale est de :

$$E_m = E_c + E_p = 16 + 58{,}86 = 74{,}86 \mathrm{~J}$$

3. Théorème de l'énergie cinétique

$$W_{\mathrm{total}} = \Delta E_c$$

Travail total des forces = variation de l'énergie cinétique

4. Puissance

$$P = \dfrac{W}{\Delta t}$$

 :

  • $P$ : puissance en watt $(\mathrm{W})$ où $1 \mathrm{~W} = 1 \mathrm{~J.s^{-1}}$
  • $W$ : travail total en joules $(\mathrm{J})$
  • $\Delta t$ : variation du temps en secondes $(\mathrm{s})$

❌ On évite absolument

  • Confondre masse $(\mathrm{kg})$ et poids $(\mathrm{N})$.
  • Oublier que le travail peut être négatif si la force s'oppose au déplacement.
  • Mélanger énergie cinétique et potentielle.

✅ On valide

  • Utiliser les unités SI $(\mathrm{N}, \mathrm{m}, \mathrm{s}, \mathrm{kg}, \mathrm{J})$.
  • Vérifier si l'angle entre force et déplacement est pris en compte.
  • Penser à la conservation de l'énergie si pas de dissipation.

Le petit + à retenir

 

v 3.1.25