7. Le Travail et l énergie

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1 Chapitre 7 OSPH Travail et énergie 9 7. Le Travail et l énergie En principe, les lois de Newton permettent de résoudre tous les problèmes de la mécanique classique. Il faut alors connaître les positions, vitesses initiales des particules d un système ainsi que toutes les forces sur agissent sur elles et on peut prévoir l évolution du système. Dans la pratique, on connaît souvent mal les forces qui agissent dans une situation donnée. Une approche différente permet de résoudre les problèmes plus simplement. On s appuie à ce moment sur les notions de travail et d énergie. 7.1.Le travail d une force constante Les travail W effectué par une force constante F déplacement s est défini par : W Fs cos où est l angle entre F et s. Seule la composante de F sur s, c est à dire F cos, contribue au travail effectué. dont le point d application subit un F Unité : Le joule (J), 1 J 1 N m Cas simple : déplacement d un objet sur une table. Comment considérer le travail de la force nécessaire à soutenir un poids de 5 kg dans la main pendant 3 minutes? 7.. Le travail net Lorsque plusieurs forces agissent sur un corps, on peut calculer le travail effectué par chacune d entre elles. Le travail net (total) effectué sur le corps est égal à la somme algébrique des travaux. W NET F1 s1 F s F3 s3 Si le corps subit une translation pure (pas de rotation ni de déformation), le travail net est alors : W F s NET NETTE 7.3. Le théorème de variation de l énergie cinétique Limitons-nous au cas d une force constante et d un mouvement de translation en une dimension. W NET F NETTE x s

2 Chapitre 7 OSPH Travail et énergie 30 La deuxième loi de Newton nous permet d écrire ici : W NET ma x et comme, par hypothèse, l accélération est constante, on peut utiliser : v f d où l on extrait : et ainsi : v a i v f vi a x W NET 1 mv f x 1 f mv x On appelle énergie cinétique la grandeur scalaire : E 1 c mv On peut alors exprimer l équation d avant : W NET E c i i Cette équation est appelée théorème de variation de l énergie cinétique. Bien que cette relation ait été établie pour une force constante en une dimension, elle reste valable pour une force variable en trois dimensions. Application : Le moteur d un véhicule exerce une force constante de 300 N sur 80 m. Calculer la vitesse du véhicule s il démarre. 7.4.Travail effectué par la force de pesanteur

3 Chapitre 7 OSPH Travail et énergie Exercices : 1. Dans le cas d un mouvement circulaire, que pouvez-vous dire du travail de la force centripète F?. Une voiture de 1000 kg roule sur une route horizontale. Le conducteur effectue un freinage d urgence, sa vitesse passe de 100 km/h à 30 km/h sur une distance de 50 m. a) Calculer le travail effectué par les freins. b) Calculer l intensité de la force de freinage. 3. Une voiture de 1,3 tonnes gravit une montagne en parcourant 35 km sur une route dont l inclinaison moyenne est de 6%. Le véhicule grimpe à vitesse constante et il subit une force de frottement constante de 00 N. Calculez le travail de chacune des forces qui agissent sur la voiture. 4. On pousse une voiture de 800 kg, à vitesse constante de 10 m/s, sur une distance de 500 m. La force de frottement est constante, elle vaut 300 i. a) Calculer le travail requis pour pousser cette voiture en admettant que la route est horizontale. b) Calculer le travail requis pour pousser cette voiture lorsqu elle monte, la route est inclinée et forme un angle de 3,5 avec l horizontale. c) Calculer le travail requis pour pousser cette voiture lorsqu elle descend, la route est inclinée et forme un angle de 3,5 avec l horizontale. 5. Un parachutiste de 80 kg saute d un avion depuis une altitude de 1500 m. Il ouvre son parachute et tombe à la vitesse constante de 5 m/s. a) Calculer le travail effectué par la résistance de l air pendant sa chute. b) Lors de l atterrissage, il fléchit les jambes et s abaisse ainsi de 80 cm. Calculer la force moyenne exercée par ses jambes lors du contact avec le sol.

4 Chapitre 7 OSPH Puissance La puissance La puissance mécanique traduit le rythme auquel un moteur délivre une quantité de travail. Pour un quantité de travail W effectué dans un intervalle de temps t, la puissance moyenne est définie par : P moy W t On peut écrire aussi la puissance à partir de la force moyenne effectuant le travail : P F v moy moy Applications : 1 Calculer la vitesse maximale d une voiture, lors d un déplacement horizontal. Sa force de 1 frottement est donnée par la relation fr SCxv et on néglige le frottement de roulement. S est la surface frontale de la voiture (3 m ), Cx 0, 6 le coefficient de forme, 1, 5 kg 3 m la masse volumique de l air. La puissance du moteur est de 15 chevaux. Une pompe pousse l eau d un puits profond de 0 m à raison de 10 kg/s et la déverse à la vitesse de 6 m/s. Quelle la puissance du moteur? 7.7.Exercices : 6. Une automobile de 1000 kg a besoin de 8950 W pour rouler à la vitesse constante de 80 km/h sur une route horizontale. Quelle serait la puissance requise pour gravir, à la même vitesse, un plan incliné de 10? (On suppose que le frottement dû à la route et à la résistance de l air est constant) 7. Un ascenseur de 000 kg est attaché à un contrepoids de 1800 kg. Quelle puissance le moteur doit-il fournir pour faire monter l'ascenseur à la vitesse de 0,4 m/s? 8. Une sauterelle (de masse voisine de 3 g) peut se propulser du repos à 3,4 m/s en 4 cm. Évaluez la puissance moyenne fournie par ses pattes. 9. Une Chevrolet Caprice a besoin de fournir 15 kw aux roues pour maintenir une vitesse de 80 km/h. (a) Quel est le module de la force de friction s'exerçant sur l'automobile? (b) D'où vient cette force? 10. Un treuil traîne une caisse de 00 kg à la vitesse de 0,5 m/s sur un plan incliné de 15. La force de frottement est de f 380 N. Quelle est la puissance requise par le treuil si la caisse se déplace vers le haut de la pente? 11. En 1970, une voiture propulsée par fusée atteignait une vitesse record de 100 km/h. Son moteur exerçait une poussée de 58 kn. Quelle était sa puissance maximale? 1. Quelle est la puissance moyenne fournie par un haltérophile qui soulève 50 kg sur une distance de,1 m en 3 s? 13. Un parachutiste en chute libre de masse 60 kg tombe à la vitesse limite de 55 m/s. Quelle est la puissance dissipée par la résistance de l'air?

5 Chapitre 7 OSPH Puissance Un exercice vigoureux requiert un rythme métabolique (libération d'énergie chimique emmagasinée) de 600 kcal/h. Combien de temps faut-il pour perdre 0,1 kg si le 4 métabolisme de 1 g de graisse libère 9 kcal ( 3,76 10 J )? 15. Un champion cycliste peut fournir de manière soutenue une puissance de 370 W pendant 10 min. Quelle distance peut-il parcourir à vitesse constante si la force de traînée a un module de 18,5 N?

6 Chapitre 7 OSPH Puissance Conversions d unités : Transformations à connaître : 1Wh 3600 Ws 3600 J 1 kwh 1000 Wh Préfixes et symboles : Préfixes kilo méga giga tera peta exa Symboles k M G T P E Multiples Equivalences énergétiques Pétrole Gaz naturel 1 tonne = 7,3 barils 1 baril / jour pendant 1 an = 50 t 1 milliard de m 3 = 93 ktep Charbon 1 tec = 0,7 tep (houille) 1 tec = 0,55 tep (charbon sous-bitumeux) 1 tec = 0,5 tep (lignite) Electricité 1 MWh = 0, tep (équivalence à la production) 1 MWh = 0,086 tep (équivalence à la consommation pour l'onu) Facteurs de conversion 1 cal = 4,185 J 1 kwh = 3'600 kj = 860 kcal 1 tep = 10 Gcal = cal 1 tep = 41,85 GJ = 4, J 1 TJ = 3,895 tep 1 TWh = 0,086 Mtep Légende tep tec J cal W h tonne équivalent pétrole tonne équivalent charbon Joule Calories Watt heures

7 Chapitre 7 OSPH Puissance Mesure de la puissance mécanique d un moteur Pour mesurer la puissance d un moteur, on freine l arbre du moteur à l aide d un fil ou d une sangle. r f arbre moteur F dynamomètre poulie m contre-poids F : mg : f : r : est la force mesurée sur le dynamomètre, cette force est parfois considérée comme nulle. est la force exercée sur le fil par le contrepoids. est la fréquence de rotation du moteur en tours/s. est le rayon de l arbre moteur. La force de freinage de l arbre moteur est donné par la différence entre les deux forces de tension dans les fils qui l entourent : mg F La distance parcourue par un point donné sur l arbre moteur en un temps t : rft Le travail de la force de freinage, équivalent à celui du moteur (force multiplié par distance) : mg F rft Enfin la puissance mécanique de l arbre (travail par unité de temps) : P mg F rf

8 Chapitre 7 OSPH Puissance Rendement et transformation d énergie Le rendement d une machine est le rapport : Eutile Putile E Econsommée machine utile ou bien Pconsommée E E consommée dissipée Le rendement s exprime en pour-cent (sans unité). L énergie étant conservée, l énergie consommée est égale à la somme des énergies utiles et dissipées. E E E consommée utile dissipée Exemples de rendements : Centrale thermique ou nucléaire 30 % Centrale hydroélectrique 85 % Moteur d automobile, réacteur d avion 0-30 % Moteur électrique % Pile électrique 90 % Panneau solaire photovoltaïque 15 % Panneau solaire thermique % Ampoule 5 % Tube au néon 0 % Exercices 16. Une grue est équipée d'un moteur de 5 kw. Combien de temps lui faut-il pour soulever une charge de 1 tonne à une hauteur de 1 m si le rendement du moteur est de 80%? 17. La puissance fournie aux roues d'une voiture est de 40 kw. Sachant que le moteur a un rendement de 5 %, calculer : a) la puissance chimique consommée par le moteur ; b) le nombre de kg d'essence consommés par heure si 1 kilo d'essence fournit une énergie de 7 4,4 10 joules. 18. L'énergie électrique utilisée par une lampe à incandescence provient d'une centrale thermique. De la chaleur produite à la centrale, à la lumière (rayonnement visible) produite par la lampe, indiquer les transformations d énergie et le rendement global. 19. Pour cuire une choucroute, en branchant la cuisinière sur la même puissance, il faut 60 minutes avec une marmite à vapeur et 150 minutes dans une casserole. a) Quelle est l'économie de temps réalisée avec une marmite à vapeur? b) Quel pourcentage d'économie d'énergie est réalisé avec une marmite à vapeur? c) Pour quelle raison une marmite à vapeur cuit-elle plus vite les aliments? 7 0. L énergie contenue dans l'essence est de 3,4 10 J L. On considère une automobile dont le taux de consommation est de 1 km/l à 100 km/h. Si la puissance mécanique fournie à cette vitesse est de 18,5 kw, quel est le rendement du moteur?