L’énergie cinétique et l’énergie potentielle sont deux types fondamentaux d’énergie qui sont interdépendants dans les objets. La somme de ces deux formes d’énergie est appelée énergie mécanique. S’il n’y a pas de perte d’énergie vers l’environnement extérieur, l’énergie mécanique d’un système reste constante. L'unité de mesure de l'énergie dans le Système international d'unités (SI) est le joule (J).
Ces énergies peuvent être converties en d’autres formes, comme l’énergie thermique, électrique ou sonore. Cependant, l’étude de l’interaction entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle est essentielle pour l’analyse du mouvement des corps.
Qu'est-ce que l'énergie cinétique ?
L'énergie cinétique est l'énergie associée au mouvement d'un corps. En termes physiques, cela équivaut au travail nécessaire pour accélérer un objet du repos à sa vitesse actuelle. Plus la vitesse et la masse de l’objet sont grandes, plus son énergie cinétique est grande.
L'énergie cinétique peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
Où:
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(\E_c \)est l'énergie cinétique (J) ;
-
\(m\)est la masse de l'objet (kg) ;
-
\(v\) est la vitesse de l'objet (m/s).
Qu'est-ce que l'énergie potentielle ?
L'énergie potentielle est l'énergie stockée dans un corps en raison de sa position ou de sa configuration. Ce type d’énergie peut être converti en d’autres formes, comme l’énergie cinétique. Les types d’énergie potentielle les plus courants sont :
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Énergie potentielle gravitationnelle : relative à la hauteur d'un objet dans un champ gravitationnel. Calculé par la formule :
\[E_p = mgh\]Où m est la masse (kg), g est l'accélération de la gravité (9,8 m/s²) et h est la hauteur (m).
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Énergie potentielle élastique : stockée dans des ressorts déformés ou des élastiques.
Différence entre l'énergie cinétique et l'énergie potentielle
La principale différence entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle réside dans leur origine :
- L'énergie cinétique est liée au mouvement : un corps stationnaire n'a pas d'énergie cinétique. Elle augmente à mesure que la vitesse de l’objet augmente.
- L'énergie potentielle est liée à la position ou à la configuration de l'objet : un objet élevé à une certaine hauteur possède une énergie potentielle qui peut être convertie en énergie cinétique lors de sa chute.
De plus, l'énergie cinétique est toujours positive, car elle dépend du carré de la vitesse, tandis que l'énergie potentielle peut être positive ou négative, selon le système de référence adopté. Une autre différence importante est que l’énergie potentielle peut être stockée et utilisée plus tard, tandis que l’énergie cinétique est toujours associée au mouvement immédiat du corps.
Dans de nombreux systèmes physiques, il existe une conversion constante entre ces deux types d’énergie. Par exemple, dans un pendule oscillant, l’énergie potentielle maximale se produit aux extrémités du mouvement, tandis que l’énergie cinétique est maximale au point le plus bas de la trajectoire. Ce principe est largement étudié en physique et est appliqué dans divers domaines de l’ingénierie et de la technologie.
Exemples d'énergie cinétique et d'énergie potentielle
Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de la manière dont ces formes d’énergie sont converties les unes en les autres :
- Montagnes russes : À son point le plus élevé, la voiture a une énergie potentielle maximale et une énergie cinétique presque nulle. Au fur et à mesure de sa descente, l’énergie potentielle est convertie en énergie cinétique, augmentant sa vitesse.
- Cascade dans un barrage : L'eau stockée dans un réservoir possède une énergie potentielle gravitationnelle. En tombant, cette énergie est convertie en énergie cinétique, qui peut être utilisée pour produire de l’électricité dans des turbines.
- Saut sur trampoline : Un athlète en haut du trampoline a un potentiel énergétique maximal. Lorsque vous sautez, l’énergie est progressivement convertie en énergie cinétique.
- Un ressort comprimé : possède une énergie potentielle élastique. Lorsqu'elle est libérée, cette énergie est convertie en énergie cinétique, provoquant l'expansion du ressort.