Cours de physique. Classes 3B et 3C. Athénée de Luxembourg

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1 Cours de physique Classes 3B et 3C Athénée de Luxembourg

2 Table des matières 1 Mécanique Forces Rappel Mesurer des forces Notion d équilibre Équilibre d un corps soumis à deux forces Équilibre d un corps soumis à trois forces Exercices Principe d inertie Principe de l action et de la réaction Le moment d une force Le levier Équilibre d un levier Définition du moment d une force Théorème des moments Méthode de résolution d un problème à moments Exercices Équilibre statique d un corps solide Conditions d équilibre Formes d équilibre Machines simples Poulies Plan incliné Exercices Le travail d une force Le travail au sens physique Définition du travail d une force La règle d or de la mécanique Rendement Exercices La puissance d une force Pourquoi la puissance? Définition Définition Exercices Énergie mécanique Notion d énergie Formes d énergie Transformations d énergie

3 3BC Table des matières Conservation de l énergie Exercices Thermodynamique Énergie interne La température La notion d énergie interne Conservation de l énergie Modes de transfert d énergie interne Principe d équivalence Premier principe de la thermodynamique La chaleur sous toutes ses formes Capacité thermique massique Chaleur latente Transmission de la chaleur Machines thermiques Pompe à chaleur Moteur thermique Électricité Tension et énergie électriques Énergie électrique La tension électrique Puissance électrique Exercices Résistance électrique et loi d Ohm Définition de la résistance La loi d Ohm Résistivité électrique Exercices Les lois de Kirchhoff La loi des nœuds La loi des mailles Exercices Associations de résistances Montage en série Montage en parallèle Exercices

4 Chapitre 1 Mécanique 1.1 Forces Rappel Pour décrire les effets d une force, nous devons préciser toutes ses propriétés : son point d application ; sa droite d action, c est-à-dire sa direction ; son sens ; son intensité. On peut réunir toutes ces propriétés en une seule grandeur mathématique, le vecteur. Une force est donc représentée par un vecteur force (figure 1.1). droite d'action point d'application F sens Figure 1.1 Une force est représentée par un vecteur La norme du vecteur est égale à l intensité de la force. L intensité du vecteur force F sera notée F. L unité d intensité de force dans le Système international est le newton (N) Mesurer des forces Corps élastiques, corps plastiques Un corps solide soumis à une force se déforme. S il reprend sa forme initiale après la suppression de la force, on l appelle corps élastique, dans le cas contraire il s agit d un corps plastique.

5 3BC Mécanique 5 Expérience 1.1 Qui est le plus fort? Deux élèves tirent, l un après l autre, sur un ressort qui est fixé d un côté (figure 1.2). Comment peut-on déterminer qui est le plus fort? Traduit dans le langage de la physique, la question qui se pose est : quel élève applique la force la plus intense sur l extenseur? La réponse est bien évidemment que l allongement du ressort est d autant plus grand que la force appliquée est plus intense. On essayera de comparer l allongement d un ressort et la force appliquée. Figure 1.2 Dispositif expérimental d Loi de Hooke Expérience 1.2 Le but de l expérience est d étudier la relation entre l intensité de la force F qu on exerce sur l extrémité d un ressort et l allongement x d un ressort qui en résulte. La figure 1.3 montre le schéma du dispositif expérimental. On mesure l allongement x du ressort en faisant varier l intensité F de la force de 0 N à 1 N. Remarque : une masse de 100 g exerce approximativement une force de 1 N dirigée verticalement vers le bas. règle graduée ressort R masse x F (a) en absence de forces (b) F force exercée ; R réaction du ressort Tableau des mesures : x (mm) F (N) Figure 1.3 Étude de l allongement d un ressort La figure 1.4 permet de représenter graphiquement les résultats des mesures. Observation : Lorsque la valeur de F est doublée, la valeur de x double aussi, évolution analogue lorsque F est triplé, quadruplé,....

6 6 Mécanique 3BC Figure 1.4 Force F en fonction de l allongement x du ressort Conclusion : F est directement proportionnel à x : F x. Il en suit que le rapport de l intensité F par l allongement x est constant : F x = k où k est une constante. Ces résultats peuvent être résumés en énonçant la loi de Hooke. Loi de Hooke Un ressort initialement en équilibre se déforme sous l effet d une force. La déformation (allongement ou compression) x est proportionnelle à l intensité F de cette force : F x F = k x La facteur de proportionnalité k est appelée constante de raideur du ressort, son unité est le N/m. La constante de raideur indique l intensité de la force nécessaire pour allonger ou comprimer le ressort d une unité de longueur. Elle fait intervenir les caractéristiques physiques du ressort : sa longueur, son épaisseur, le matériau,.... Le diagramme de la figure 1.5 montre que pour déformer différents ressorts d une même distance, la force nécessaire est d autant plus intense que la raideur du ressort est élevée. De façon équivalente, on constate que pour une même force, la déformation est d autant plus grande que la raideur du ressort est petite.

7 3BC Mécanique 7 F ressort à forte raideur k 1 élevé ressort à faible raideur k 2 bas Figure 1.5 Comparaison de la raideur de deux ressorts avec k 1 > k 2 x Notion d équilibre En tant qu observateur nous devons choisir un référentiel par rapport auquel nous allons décrire les phénomènes physiques. Notre référentiel de préférence sera la salle de classe, qui est un exemple d un référentiel terrestre. La notion de référentiel sera approfondie en classes de 2 e et de 1 re. Définition Un corps est en équilibre si, dans un référentiel terrestre, tous ses points sont au repos ou se déplacent en ligne droite et à vitesse constante. Remarques : Nous disons aussi qu il y a équilibre des forces qui s appliquent au corps. Cette définition s applique dans tout référentiel galiléen. Dans la suite, nous allons étudier l équilibre d un corps soumis à 2 ou à 3 forces Équilibre d un corps soumis à deux forces Étude expérimentale Expérience 1.3 Nous allons appliquer deux forces F 1 et F 2 à un corps très léger de sorte que son poids soit négligeable par rapport aux intensités des forces F 1 et F 2 (figure 1.6). F 1 F 2 O 2 O 1 Figure 1.6 Équilibre d un corps soumis à deux forces

8 8 Mécanique 3BC Les forces sont les tensions de deux fils et on mesure leurs intensités grâce à deux dynamomètres. De plus, on peut relever sur papier les directions des fils, c est-à-dire les directions des deux forces. L expérience est répétée plusieurs fois en changeant les directions et les intensités des forces. On constate que lorsque le corps est en équilibre, les deux forces F 1 et F 2 ont la même droite d action, des sens contraires et des intensités égales. Nous pouvons formuler la condition pour qu un corps soumis à deux forces soit en équilibre. Condition d équilibre forces ont : la même droite d action ; des sens contraires ; la même intensité : F 1 = F 2. Les deux vecteurs force sont donc opposés : Si un corps soumis à deux forces F 1 et F 2 est en équilibre, ces F 1 = F 2 ou encore : F 1 + F 2 = 0 (1.1) La somme vectorielle des deux forces F 1 et F 2 est nulle. Remarque : En mathématiques, deux vecteurs opposés n ont pas nécessairement la même droite d action. En mécanique, cette condition est nécessaire pour avoir l équilibre. Pour s en convaincre, considérons l exemple de la figure 1.7. Les deux forces ont la même intensité et des sens contraires, mais n ont pas la même droite d action ; le corps n est pas en équilibre, il va tourner! F 1 F 2 O 2 O 1 Figure 1.7 Ce corps n est pas en équilibre Applications La condition d équilibre permet de déterminer une des deux forces connaissant l autre. Voici la procédure à suivre :

9 3BC Mécanique 9 préciser le corps en équilibre ; identifier toutes les forces qui s appliquent à ce corps ; appliquer la condition d équilibre à ces forces. Exemple 1.1 Une brique posée sur une table est en équilibre (figure 1.8). Considérons uniquement les forces qui s appliquent à la brique : son poids P, vertical et appliqué en G, et la réaction R de la table. brique G R table P Figure 1.8 La brique soumise à deux forces est en équilibre Comme la brique est en équilibre, nous avons : R = P. Les intensités des deux forces sont égales : R = P = m g. Exemple 1.2 Une boule accrochée à un ressort est en équilibre (figure 1.9). Considérons uniquement les forces qui s appliquent à la boule : son poids P, vertical et appliqué en G, et la tension T du ressort. ressort T boule G P Figure 1.9 La boule soumise à deux forces est en équilibre Comme la boule est en équilibre, nous avons : T = P. Les intensités des deux forces sont égales : T = P k x = m g Équilibre d un corps soumis à trois forces Étude expérimentale Expérience 1.4 Nous utilisons toujours le corps très léger auquel on applique trois forces F 1, F 2 et F 3 qui sont les tensions de trois fils (figure 1.10).

10 10 Mécanique 3BC F 1 F 3 O F 2 Figure 1.10 Équilibre d un corps soumis à trois forces On mesure les intensités des forces grâce à trois dynamomètres. De plus, on peut relever sur papier les directions des fils, c est-à-dire les directions des trois forces. L expérience est répétée plusieurs fois en changeant les directions et les intensités des forces. On constate que lorsque le corps est en équilibre, les trois forces F 1, F 2 et F 3 : sont situées dans le même plan, on dit qu elles sont coplanaires ; se coupent en un même point O, on dit qu elles sont concourantes. Pour trouver une relation entre les vecteurs F 1, F 2 et F 3, nous allons choisir une échelle (par exemple 1 cm pour 0,1 N) et dessiner les vecteurs en leur donnant comme origine le point d intersection O de leurs droites d action (figure 1.11). F 1 F 3 O R F 2 Figure 1.11 Résultante R de F 1 et F 2 L action de la force F 3 doit être équilibrée par une force qui résulte des actions des forces F 1 et F 2. Appelons cette force R, résultante des forces F 1 et F 2. D après la condition d équilibre dans le cas de deux forces (relation 1.1), nous avons : R = F 3 Nous remarquons que la résultante R est la diagonale du parallélogramme de côtés F 1 et F 2. Or, ceci est également vrai pour la somme vectorielle des deux vecteurs F 1 et F 2. Nous pouvons donc écrire : R = F 1 + F 2 F 1 + F 2 = F 3

11 3BC Mécanique 11 ou encore : F 1 + F 2 + F 3 = 0. Nous pouvons formuler la condition pour qu un corps soumis à trois forces soit en équilibre. Condition d équilibre Si un corps soumis à trois forces F 1, F 2 et F 3 est en équilibre : les trois forces sont coplanaires et concourantes ; la somme vectorielle des trois forces est nulle. La deuxième condition s exprime par la relation vectorielle : F 1 + F 2 + F 3 = 0 (1.2) Remarque : cette condition d équilibre peut-être facilement généralisée à un nombre quelconque de forces. Exercice 1.1 Construire des résultantes et appliquer la condition d équilibre en utilisant les simulations suivantes : Exemple 1.3 Une boule en acier attachée à un fil et attirée par un aimant est en équilibre (figure 1.12). Considérons uniquement les forces qui s appliquent à la boule : son poids P, vertical et appliqué en G, la tension T du fil et la force magnétique F mag, horizontale et orientée vers l aimant. fil α T boule en acier G N S P F mag Figure 1.12 La boule soumise à trois forces est en équilibre Comme la boule est en équilibre, nous avons : P + T + F mag = 0. Connaissant le poids de la boule et l angle α, quelles sont les intensités des forces T et F mag? Méthode de résolution d un problème à trois forces Pour résoudre un problème comme celui posé dans l exemple 1.3, vous allez systématiquement appliquer la procédure suivante :

12 12 Mécanique 3BC 1. Précisez clairement le corps que vous considérez et pour lequel vous allez appliquer la condition d équilibre. 2. Faites un bilan des forces appliquées à ce corps : son poids, la force de réaction si le corps est posé sur un support, la tension si le corps est lié à un fil ou à un ressort, éventuellement des forces électriques ou magnétiques. 3. Exprimez la condition d équilibre (relation 1.2). On peut exploiter cette relation vectorielle à l aide d une des trois méthodes suivantes : 1 re méthode : Utilisez la relation vectorielle : R = F 1 + F 2 = F 3 qui indique que l une des trois forces appliquées est égale et opposée à la somme géométrique des deux autres. Rappelons que le vecteur R = F 3 est la diagonale du parallélogramme formé par F 1 et F 2. 2 e méthode : Projetez la relation vectorielle sur deux axes perpendiculaires de façon à obtenir des relations algébriques entre les intensités des trois forces. 3 e méthode : Décomposez une des forces suivant les directions des deux autres. Utilisez ensuite la condition d équilibre pour deux forces sur chacune des directions. Les notions de projection et de décomposition d un vecteur seront présentées dans les deux sections suivantes. Il est important de bien maîtriser ces techniques mathématiques. Projection d un vecteur On choisit un système d axes perpendiculaires Ox et Oy. La projection du vecteur F sur l axe Ox est obtenue en traçant deux perpendiculaires à cet axe qui passent par les extrémités du vecteur ; la projection F x est le segment de droite sur l axe Ox délimité par les deux perpendiculaires (figure 1.13). On procède de la même façon pour déterminer la projection F y du vecteur sur l axe Oy. y M' F y F M α H O F x x Figure 1.13 Projections d un vecteur sur deux axes perpendiculaires

13 3BC Mécanique 13 Pour calculer les mesures algébriques des projections, on considère le triangle rectangle MHM. Dans ce triangle, l intensité F est l hypoténuse, F x est le côté adjacent et F y le côté opposé à l angle α. Il en suit : et : cos α = F x F F x = F cos α sin α = F y F F y = F sin α. Il est important de noter qu une projection est une grandeur algébrique. Le vecteur F 1 de la figure 1.14 est orienté dans le sens positif de l axe Ox et la projection F 1x est positive. Le vecteur F 2 est par contre orienté dans le sens négatif de l axe Ox et la projection F 2x est négative. La projection d un vecteur perpendiculaire à l axe est nulle. F 2 F 1 F 2 x < 0 F 1 x > 0 x Figure 1.14 La projection est une grandeur algébrique Pour pouvoir utiliser la condition d équilibre (relation 1.2), il faut remarquer que la projection d une somme de vecteurs est égale à la somme des projections sur un axe donné. Nous obtenons ainsi le système de deux équations algébriques : F 1x + F 2x + F 3x = 0 F 1y + F 2y + F 3y = 0 Remarques : Les projections (F x ; F y ) sont les coordonnées du vecteur F. Pour simplifier la solution de ce système d équations, on choisit un système d axes pour lequel le plus grand nombre de projections s annulent. Décomposition d un vecteur La décomposition d un vecteur F consiste à écrire le vecteur comme une somme de deux autres vecteurs F 1 et F 2 appelés composantes du vecteur : F = F 1 + F 2

14 14 Mécanique 3BC (1) F F 1 F (2) F 2 (a) Directions de la décomposition (b) Composantes du vecteur Figure 1.15 Décomposition d un vecteur suivant deux directions quelconques La figure 1.15a montre le vecteur F et les directions (1) et (2) suivant lesquelles on veut le décomposer. Sur ces directions on construit le parallélogramme dont F est la diagonale. Les composantes cherchées F 1 et F 2 sont alors les côtés du parallélogramme (figure 1.15b). Pour pouvoir utiliser la condition d équilibre (relation 1.2), il faut décomposer une des forces suivant les directions des deux autres. Par exemple, F 1 est décomposé suivant les directions de F 2 et F 3 : F 1 = F 2 + F 3. Chacune de ces composantes doit équilibrer la force dans la direction correspondante. Nous obtenons ainsi le système de deux équations vectorielles : F 2 + F 2 = 0 F 3 + F 3 = 0 Remarque : la composante représente l effet de la force suivant cette direction Exercices Exercice 1.2 Déterminer la résultante de 2 forces F 1 et F 2 d intensités F 1 = 9 N et F 2 = 6 N qui font un angle α = 30 Exercice 1.3 Décomposer les forces P et T suivant les directions indiquées. L échelle est choisie de sorte que 1 cm correspond à 5 N. Exercice 1.4 Reprendre le cas de l exemple 1.3 et déterminer les intensités des forces T et F mag en utilisant les différentes méthodes. Le poids de la boule vaut P = 6 N et le fil fait un angle α = 40 avec la verticale. Exercice 1.5 Un solide est en équilibre sous l action de trois forces concourantes F 1, F 2 et F 3. Les forces F 1 et F 2 sont perpendiculaires et leurs intensités sont respectivement F 1 = 6 N et F 2 = 8 N. Calculer l intensité de la force F 3. Quel angle α fait-elle avec F 1?

15 3BC Mécanique 15 P T Principe d inertie Le centre d inertie Expérience 1.5 Lançons un solide sur une table à coussin d air horizontale (figure 1.16). On observe le mouvement de deux points du solide : le point P situé à sa périphérie et son centre de masse G. G P (a) photographie (b) schéma Observation : Figure 1.16 Solide en mouvement sur une table horizontale Contrairement au point P, le centre de masse G se déplace toujours sur une ligne droite et à vitesse constante. Interprétation : Le solide est soumis à son poids et à la réaction du coussin d air. Comme la table est horizontale, la somme de ces deux forces est nulle. Pour un tel solide en équilibre, le centre de masse, encore appelé le centre d inertie du solide se déplace en ligne droite à vitesse constante.

16 16 Mécanique 3BC Exemple 1.4 Sur une plaque de verglas, le centre d inertie d une voiture a un mouvement rectiligne à vitesse constante. Quel sera le mouvement du centre d inertie d un solide en équilibre dans d autres référentiels? Expérience 1.6 Prenons comme solide «test» une bille qui est initialement au repos sur une table horizontale dans différents référentiels. Observations : Dans un train se déplaçant à vitesse constante sur un tronçon rectiligne, la bille va rester immobile. Dans un train accéléré ou freiné sur un tronçon rectiligne, la bille ne va pas rester immobile. Sur un manège en rotation autour d un axe, la bille ne va pas rester immobile. Interprétation : Parmi les référentiels on distingue ceux dans lesquels le centre d inertie d un solide en équilibre a un mouvement rectiligne à vitesse constante. Ils sont appelés référentiels galiléens. Exemple 1.5 Le référentiel terrestre est, à une bonne approximation, un référentiel galiléen. Principe d inertie Dans un référentiel galiléen, lorsque la résultante des forces agissant sur un solide est nulle, le centre d inertie du solide conserve son état de repos ou de mouvement rectiligne à vitesse constante. Exemple 1.6 Une grue soulève une charge à vitesse constante. La résultante des deux forces qui s exercent sur la charge, à savoir son poids et la tension du câble, est nulle Principe de l action et de la réaction Principe d interaction Lorsqu un corps A exerce sur un corps B la force F A/B, alors le corps B exerce sur le corps A la force F B/A. B A FA/B F B/A Figure 1.17 Principe d interaction Cette interaction est telle que (figure 1.17) : F A/B et F B/A ont la même droite d action ; F A/B = F B/A.

17 3BC Mécanique 17 Exemple 1.7 Une brique qui repose sur une table exerce une force F B/T sur la table. La table réagit avec une force F T/B sur la brique. brique F T/B F B/T table Figure 1.18 Traction Exemple 1.8 Lorsqu une moto accélère, les cailloux éjectés vers l arrière visualisent l effet de la force F R/S exercée par la roue arrière sur le sol (figure 1.19). La moto est mise en mouvement par la force F S/R dirigée dans le sens du mouvement. roue sens du mouvement F R/S F S/R sol Figure 1.19 Traction Exemple 1.9 Le principe d interaction est à l origine de la propulsion des fusées. Dans l espace, la fusée éjecte des gaz vers l arrière et se propulse par réaction, sans point d appui extérieur. Au mouvement de la masse de gaz vers l arrière correspond un mouvement opposé de la fusée vers l avant. La fusée s appuie sur les gaz éjectés et fonctionne parfaitement dans le vide.

18 18 Mécanique 3BC 1.2 Le moment d une force Le levier Le levier fut une des premières machines simples qu inventa l homme. De nos jours, on utilise des leviers qu on trouve sous des formes très variées : une tige rigide, une planche, un tournevis, un tire-bouchon, une brouette, des tenailles, une paire de ciseaux,... La figure 1.20 montre l utilisation d une simple tige rigide pour soulever une charge. 10 kg 10 kg (a) Levier à deux bras (b) Levier à un bras Figure 1.20 Exemples d utilisation pratique de leviers Tous les leviers ont deux points communs : ce sont des corps solides ; ils sont mobiles autour d un axe. Pour faire fonctionner un levier, on applique une force au levier qui la transmet à un autre corps, par exemple à la charge qu on veut soulever. Lorsque le point d application de la force et le point de contact avec le corps se situent de part et d autre de l axe, on parle d un levier à deux bras (figure 1.20a). Lorsque ces deux points se situent sur le même côté du levier par rapport à l axe ce levier est dit à un bras (figure 1.20b). L utilité du levier est de : réduire l intensité de la force nécessaire pour agir sur un corps ; déplacer le point d application de cette force. Dans le cas des exemples de la figure 1.20, l utilisation du levier permet de réduire la force nécessaire pour soulever la charge. Aussi, le point d application est déplacé à l extrémité droite de la tige. Exercice 1.6 Réaliser les expériences suivantes : Utiliser un tournevis pour ouvrir une boite de peinture. Couper un clou à l aide de tenailles. Construire une bascule à l aide d un crayon et d une planchette en bois. Placer des masses respectivement de 100 g et de 200 g sur la planchette de sorte que la bascule soit en équilibre.

19 3BC Mécanique 19 Pour chacune des expériences représenter le dispositif, la force manuelle et la force utile. Comparer les intensités de ces forces. S agit-il d un levier à un ou à deux bras? Équilibre d un levier Nous allons étudier l équilibre d un levier simple. On considère les forces qui agissent sur ce levier et on essaie de formuler une condition d équilibre. Remarques : Ici nous ne considérons pas la force avec laquelle le levier agit sur un autre corps mais uniquement la force qui agit sur le levier. Pour simplifier les figures, la réaction du support n est pas représentée. Le faire comme exercice! Expérience 1.7 La figure 1.21a montre un levier à deux bras. Pour différentes valeurs de a 1, a 2 et F 1 nous mesurons l intensité F 2 de la force F 2 nécessaire pour que le levier soit en équilibre. Les distances a 1, a 2 sont appelées bras de levier. a 1 a 2 axe F F 2 1 a 2 F 2 masse F 1 dynamomètre a 1 (a) Levier à deux bras (b) Levier à un bras Figure 1.21 Étude expérimentale de l équilibre d un levier Les mesures sont réalisées en travaux pratiques et permettent de formuler les conclusions suivantes : Lorsque a 1 et F 1 restent inchangés, F 2 est inversement proportionnel à a 2 : F 2 1 a 2. Lorsque a 2 augmente, l intensité F 2 de la force F 2 diminue. Ceci montre bien l utilité du levier pour réduire l intensité de la force!

20 20 Mécanique 3BC La condition d équilibre ou loi du levier est : F 1 a 1 = F 2 a 2 Le produit de l intensité F par la distance a a la même valeur pour les deux forces. On refait la même série de mesures avec le levier à un bras de la figure 1.21b. Les conclusions sont les mêmes, ce n est que le sens de la force F 2 qui change Définition du moment d une force Intéressons-nous à des situations dans lesquelles le levier n est pas en équilibre. Que se passet-il par exemple si on augmente F 1 ou a 1 de sorte que F 1 a 1 > F 2 a 2? Le levier se met à tourner dans le sens contraire des aiguilles d une montre! En général, le levier va tourner dans le sens de la force dont le produit F a est le plus élevé. Ce produit caractérise donc l effet de la force sur la rotation du levier et est appelé moment de la force. La notion de moment d une force peut être généralisée au cas d un solide mobile autour d un axe. Nous allons nous limiter à des forces orthogonales à cet axe. Il faut également généraliser la définition du bras de levier. Expérience 1.8 Considérons le disque de la figure 1.22, mobile autour d un axe fixe. Nous allons appliquer les forces F 1 et F 2 de sorte que le disque soit en équilibre. F 2 F 1 axe F 1 F 2 Figure 1.22 Déplacement du point d application sur la droite d action Observation : On constate que le disque reste en équilibre même si on déplace le point d application de, par exemple, la force F 2 sur sa droite d action. Conclusion : L expression de la loi du levier reste valable si a 2 désigne la distance entre l axe de rotation et la droite d action de la force F 2. Définition de F. Le bras de levier a d une force F est la distance de l axe à la droite d action

21 3BC Mécanique 21 F 1 + a 1 Δ a2 F 2 Figure 1.23 Définition du bras de levier d une force La figure 1.23 montre le bras de levier d une force orthogonale à l axe de rotation. Le moment d une force caractérise l efficacité de la force dans son action de rotation du solide. Définition Le moment d une force F par rapport à un axe qui lui est orthogonal est le produit de l intensité F de la force par son bras de levier a : M ( F ) = F a L unité S.I. de moment est le newton-mètre (N m). Remarques : L effet de rotation d une force sur un solide mobile autour d un axe ne dépend pas seulement de son intensité mais aussi de son bras de levier. La force est d autant plus efficace que sa droite d action est distante de l axe. Le bras de levier d une force dont la droite d action passe par l axe est nul et cette force n a pas d action de rotation. Exercice 1.7 Étudier les effets de différentes forces sur une porte Théorème des moments Les deux forces de la figure 1.23 entraînent le solide dans des rotations de sens opposés. Pour distinguer ces deux cas, nous allons choisir un sens de rotation positif. La force F 1 entraîne le solide dans le sens positif choisi. Nous allons écrire : M + = M ( F 1 ) = F 1 a 1. La force F 2 entraîne le solide dans le sens contraire, donc : M = M ( F 2 ) = F 2 a 2.

22 22 Mécanique 3BC Le solide est en équilibre lorsque les deux moments sont égaux : M + = M (1.3) Cette expression reste valable même s il y a plusieurs forces qui entraînent le solide dans l un ou dans l autre sens. Dans ce cas, M + et M doivent être remplacés par les sommes des moments des forces qui entraînent le solide respectivement dans le sens positif et dans le sens négatif. La relation (1.3) exprime la condition d équilibre d un solide mobile autour d un axe et est appelé théorème des moments. Théorème des moments Si un solide mobile autour d un axe est en équilibre sous l action de forces, la somme des moments des forces qui entraînent le solide dans un sens est égale à la somme des moments des forces qui l entraînent dans le sens opposé. Remarque : on rappelle qu à l équilibre la somme vectorielle des forces est nulle Méthode de résolution d un problème à moments Pour résoudre un problème faisant intervenir des forces qui agissent sur un solide mobile autour d un axe, vous allez systématiquement appliquer la procédure suivante : 1. Précisez clairement le corps que vous considérez et pour lequel vous allez appliquer les conditions d équilibre. 2. Faites un bilan des forces appliquées à ce corps : son poids, la force de réaction si le corps est posé sur un support, la tension si le corps est lié à un fil ou à un ressort, éventuellement des forces électriques ou magnétiques. 3. Déterminez l axe de rotation et fixez un sens positif de rotation. 4. Exprimez le moment des différentes forces et indiquez si elles entraînent le corps dans le sens positif ou dans le sens négatif. 5. Appliquez les relations (1.2) et (1.3) Exercices Exercice 1.8 L étude de l équilibre d un levier a conduit au tableau de mesures suivant : F 1 (N) a 1 (cm) F 2 (N) a 2 (cm) 10 3? 5? 20 1, ,5? 9 25? 30 Recopier le tableau et le compléter.

23 3BC Mécanique 23 Exercice 1.9 Grâce à une clé dynamométrique, on veut serrer un écrou à 100 N m. Quelle force faut-il appliquer sachant que le bras de levier vaut 25 cm? Exercice 1.10 Chaque masse accrochée à un levier (figure 1.24a) a un poids de 1 N. Le levier est-il en équilibre? Justifier la réponse! (a) Le levier est-il en équilibre? (b) Pédale de bicyclette Figure 1.24 Exercices Exercice 1.11 Un cycliste pousse de tout son poids de 500 N sur la pédale de bicyclette. La manivelle a une longueur de 17 cm. La figure 1.24b montre différentes positions de la pédale. 1. Représenter pour un angle α la force et le bras de levier. Calculer les moments de la force pour les différents angles. 2. Représenter graphiquement le moment en fonction de l angle. Exercice 1.12 Une tige mobile passant par un axe D a une longueur de 1 m. 1. Reproduire la figure dans le cahier. Déterminer le bras de levier (par la mesure ou par le calcul) et calculer le moment de la force F. 2. Décomposer la force F en deux composantes : l une, F1 parallèle à la tige et l autre, F2 qui lui est perpendiculaire. Calculer le moment de la force F Expliquer pourquoi les deux calculs donnent le même résultat.

24 24 Mécanique 3BC 1.3 Équilibre statique d un corps solide On dit qu un corps solide est en équilibre statique si dans un référentiel terrestre tous ses points sont immobiles. Nous allons d abord rappeler les conditions d équilibre et puis décrire les différentes formes d équilibre Conditions d équilibre Un corps solide est en équilibre statique si les forces qui s appliquent à lui vérifient les conditions suivantes : F = 0 ; M + = M. Ces relations permettent de calculer des forces et des moments et constituent la base du travail des ingénieurs et des architectes Formes d équilibre Considérons un corps de centre de gravité G en équilibre statique. Lorsqu on l écarte légèrement de sa position d équilibre, le corps peut réagir de trois façons différentes : Il retourne vers sa position d équilibre (figures 1.25a et 1.26a). On dit que l équilibre est stable. Le corps est toujours en équilibre et conserve sa nouvelle position (figures 1.25b et 1.26b). L équilibre est dit indifférent. Il s éloigne d avantage de sa position d équilibre (figures 1.25c et 1.26c). Un tel équilibre est instable. G G G (a) Équilibre stable (b) Équilibre indifférent (c) Équilibre instable Figure 1.25 Équilibre d un corps solide mobile sur un support La forme d équilibre peut être déterminée en observant la variation de l altitude du centre de gravité G lorsqu on écarte le corps de sa position d équilibre. Si l altitude de G augmente, l équilibre est stable ; Si l altitude de G ne varie pas, l équilibre est indifférent ; Si l altitude de G diminue, l équilibre est instable. Rappel : le centre de gravité est le point d application du poids du corps.

25 3BC Mécanique 25 Δ G Δ G G Δ (a) Équilibre stable (b) Équilibre indifférent (c) Équilibre instable Figure 1.26 Équilibre d un corps solide mobile autour d un axe 1.4 Machines simples Une machine simple est un dispositif mécanique qui sert à simplifier l accomplissement d un travail physique, par exemple le levage d une charge. Elle est constituée d éléments simples comme des roues, des cordes, des poulies, des planches, des leviers,... Ces machines font partie des plus importantes inventions de l homme. Nous allons étudier en détail les poulies et le plan incliné. Ces machines simples seront utilisées pour soulever d une hauteur h une charge de poids P. Sans l utilisation de machine, il faut appliquer une force F égale et opposée au poids de la charge (voir figure 1.27a). L intérêt d une machine simple est donc de changer une ou plusieurs propriétés de la force à appliquer Poulies Une poulie est une roue munie d une entaille qui reçoit une corde, une chaîne ou une courroie. Selon son utilisation, on distingue la poulie fixe et la poulie mobile. Poulie fixe La façon la plus simple d utiliser une poulie est de la fixer à un support (figure 1.27b). On constate que la force F à appliquer à l extrémité de la corde a la même intensité que le poids de la charge : F = P Pour monter la charge d une hauteur h, nous devons déplacer le point d application de la force F d une distance s égale à la hauteur : Conclusion : s = h Une poulie fixe sert à changer la direction de la force à appliquer, mais elle ne change pas son intensité!

26 26 Mécanique 3BC F poulie charge P h s F charge h P (a) Sans machine simple (b) À l aide d une poulie fixe Figure 1.27 Levage d une charge de poids P Souvent, il est bien plus pratique de pouvoir tirer vers le bas pour monter une charge. Poulie mobile Une autre façon d utiliser une poulie est de la fixer à la charge (figure 1.28). Une extrémité de la corde est fixée à un support, l autre est tirée verticalement vers le haut. F s h P Figure 1.28 Levage à l aide d une poulie mobile On constate que l intensité de la force F à appliquer à l extrémité de la corde est égale à la

27 3BC Mécanique 27 moitié du poids de la charge : F = P 2 Pour monter la charge d une hauteur h, nous devons déplacer le point d application de la force F d une distance s égale au double de la hauteur : Conclusion : s = 2 h Une poulie mobile ne change ni la direction, ni le sens de la force à appliquer, mais elle permet de réduire son intensité à la moitié! Remarque : la conclusion ci-dessus n est valable que si le poids de la poulie est négligeable devant le poids de la charge. Si son poids n est pas négligeable, il faut l additionner au poids de la charge. Exercice 1.13 appliquer. Utiliser les conditions d équilibre pour déterminer l intensité de la force à Palan On peut associer une poulie fixe à une poulie mobile pour changer à la fois la direction et l intensité de la force (figure 1.29). Un tel dispositif est appelé palan. F s h P Figure 1.29 Le palan le plus simple En général, un palan est un dispositif mécanique constitué de deux groupes, l un fixe, l autre mobile, contenant chacun un nombre arbitraire de poulies, et d une corde qui les relie. La figure 1.30 montre des exemples de palans. Pour déterminer l intensité de la force à appliquer et le déplacement de son point d application, il suffit de déterminer le nombre N de brins de la corde qui portent la charge. Comme la

28 28 Mécanique 3BC Figure 1.30 Exemples de palans tension de la corde est partout la même (en négligeant son propre poids), chaque brin porte un N-ième du poids de la charge. Cette même force doit être appliquée à l extrémité de la corde : F = P N Lorsque la charge monte d une hauteur h, chacun des N brins de la corde est raccourci de h, c est-à-dire qu il faudra tirer une longueur totale de corde de N h. La force F est donc appliquée sur la distance : s = N h Remarque : si le brin de corde sur lequel s applique la force F s enroule autour d une poulie fixe, il ne fait pas partie des brins qui portent la charge! Plan incliné Pour monter une charge, on peut également utiliser un plan incliné, par exemple une planche ou une route ascendante. Pour être efficace, le frottement entre le plan et le corps doit être faible, par exemple en utilisant des roues. Dans la suite, nous allons supposer que les forces de frottement sont négligeables. Pour faire monter le corps d une hauteur h, nous utilisons un plan incliné d une longueur s supérieure à la hauteur (voir figure 1.31a). En introduisant l angle α entre le plan et l horizontale, nous pouvons écrire : sin α = h s s = h sin α. Pour déterminer l intensité de la force F à appliquer, nous allons décomposer le poids du corps suivant les directions parallèle et perpendiculaire au plan (figure 1.31b). En supposant que le corps est déplacé à vitesse constante, nous pouvons appliquer la condition d équilibre : F = P T F = P sin α.

29 3BC Mécanique 29 R F R F P T α s P h P α α P N (a) Bilan des forces (b) Décomposition Figure 1.31 Un corps est déplacé sur un plan incliné On peut ainsi réduire la force en réduisant l inclinaison du plan. Or, une réduction de l inclinaison implique une augmentation du chemin sur lequel la force est appliquée Exercices Exercice 1.14 Une élève (29 kg) soulève sa prof de gym (62 kg) à l aide d un palan constitué de deux poulies fixes et de deux poulies mobiles. 1. Quelle force l élève devrait-elle appliquer dans le cas d un palan «idéal»? 2. En réalité, la force nécessaire est plus élevée que la force théorique. Pourquoi? Exercice 1.15 Quelle force faut-il appliquer pour garder la charge de 10 kg en équilibre (figures 7 et 8 ci-dessous)? Exercice 1.16 Dans un atelier de réparation, on soulève un moteur de 90 kg à l aide d un palan. Ce palan est constitué de deux poulies fixes et de deux poulies mobiles. Chaque poulie a une masse de 2 kg.

30 30 Mécanique 3BC 1. Il y a deux manières d enrouler la corde : soit on fixe une extrémité au plafond, soit on la fixe aux poulies mobiles. Fais un schéma pour chaque cas. 2. Lequel des deux dispositifs est le plus pratique? 3. Sur combien de brins de corde la charge se répartit-elle? 4. Quelle force doit-on appliquer pour soulever le moteur? 5. Quelle longueur de corde doit-on tirer pour soulever le moteur de 2 m? 6. Détermine la force qui s applique sur le crochet qui retient le palan. Exercice 1.17 On soulève une caisse à l aide de différents palans. La charge, y compris les poulies mobiles, a une masse de 120 kg. On mesure les forces de traction : (1) 600 N, (2) 400 N, (3) 300 N, (4) 200 N. 1. Sur combien de brins de corde la charge se répartit-elle dans chaque cas? Dessine les quatre palans. 2. On fait descendre la caisse de 1 m. Combien de mètres de corde doit-on lâcher?

31 3BC Mécanique Le travail d une force Le travail au sens physique La notion de travail est liée à la sensation d effort physique. La seule application d une force n est cependant pas un travail au sens physique. Une force n effectue du travail que lorsque son point d application se déplace. Exemple 1.10 Un athlète effectue un travail en soulevant une haltère mais n en effectue plus lorsqu il la maintient au-dessus de sa tête. Remarque : le travail intellectuel n est pas non plus un travail au sens physique! Définition du travail d une force Force et déplacement de même direction À l aide de l exemple suivant, nous allons déterminer une expression mathématique qui va nous permettre de calculer le travail W effectué en fonction de l intensité F de la force et du déplacement d de son point d application. Exemple 1.11 Monsieur Martin est en train de déménager et doit monter des caisses de même masse du rez-de-chaussée au 1 er étage, 2 e étage,... On notera W 1 le travail effectué pour monter une caisse au 1 er étage. Il s agit de déterminer le travail dans chacun des autres cas de la figure 1.32 en fonction de W 1. 3e étage (1) (2) (3) (4) (5) 2e étage 1er étage rez-de-chaussée Conclusions : Travail effectué: W 1 Figure 1.32 Le travail dépend de la force et du déplacement Si l intensité de la force est la même, comme pour les cas 1, 2 et 3, le travail est proportionnel au déplacement : W d.

32 32 Mécanique 3BC Si le déplacement est le même, comme pour les cas 1 et 4, le travail est proportionnel à l intensité de la force : W F. Le travail est donc proportionnel au produit F d, ce qui peut s écrire : W = k F d, ou k est un coefficient de proportionnalité. Le choix de ce coefficient définit l unité du travail. Dans le Système international, k = 1. Définition Lorsqu une force constante F, orientée dans la direction et dans le sens du déplacement, est appliquée sur une distance d, elle effectue un travail W : W ( F ) = F d L unité du travail est le joule (J) : 1 J = 1 N m. L exemple suivant permet d évaluer l ordre de grandeur de l unité de travail : 1 J est le travail effectué en soulevant de 1 m un corps de poids 1 N, donc de masse 102 g. Force et déplacement de directions différentes Comment évaluer le travail si la force n a pas la même direction que le déplacement? Pour pouvoir répondre à cette question, remarquons d abord qu une force perpendiculaire au déplacement ne travaille pas! Exemple 1.12 La force avec laquelle une personne porte une valise ne travaille pas. Elle effectue un travail au moment où la personne soulève la valise. En général, une force n est ni parallèle, ni perpendiculaire à la direction du mouvement. Pour calculer le travail d une telle force F, nous allons la décomposer dans ces deux directions (figure 1.33). α F F N F α F T Figure 1.33 Travail d une force d orientation quelconque La composante normale F N est perpendiculaire au déplacement et ne travaille pas. La composante tangentielle F T est dans la direction du déplacement de sorte que son travail est : W ( F T ) = F T d. Le travail de la force F est la somme des travaux de ses composantes : W ( F ) = W ( F N ) + W ( F T ) = 0 + F T d où F T peut s exprimer en fonction de α et de F : F T = F cos α. Ainsi, nous pouvons généraliser la définition du travail.

33 3BC Mécanique 33 Définition Lorsqu une force constante F, dont la direction fait un angle α avec la direction du déplacement, est appliquée sur une distance d, elle effectue un travail W : W ( F ) = F d cos α Remarques : Lorsque α = 0, c est-à-dire lorsque la force et le déplacement ont la même direction, alors cos α = 1 et on retrouve l expression W ( F ) = F d. Lorsque α = 90, c est-à-dire lorsque la force est perpendiculaire à la direction du déplacement, alors cos α = 0 et la force ne travaille pas La règle d or de la mécanique Est-ce qu on peut économiser du travail en utilisant une machine simple? On peut en effet réduire l intensité de la force, mais en même temps le déplacement du point d application de la force augmente. Nous allons analyser la question dans un cas simple. Pour soulever d une hauteur h une charge de poids P, on doit effectuer le travail : W = P h. Nous allons évaluer le travail effectué lorsqu on utilise une machine simple. En utilisant un palan, le travail effectué est : W = F s = P N N h = P h. En utilisant un plan incliné, le travail effectué est : W = F s = P sin α h sin α = P h. Dans ces deux cas, les machines réduisent les forces mais conservent le travail. Ce résultat est vrai en général et constitue la règle d or de la mécanique Rendement La règle d or s applique à des situations où le poids des poulies mobiles et le frottement sont négligeables. En réalité, le travail effectué avec une machine simple est supérieur au travail sans machine. Pour qu une machine puisse fonctionner, il faut lui fournir le travail W fourni. La machine effectue sur un corps le travail W utile qui est en pratique inférieur au travail fourni. En général, la partie du travail fourni transformé par un système en travail utile est donnée par le rendement du système.

34 34 Mécanique 3BC Définition Le rendement η d un système est égal au rapport du travail utile W utile effectué par ce système et du travail W fourni nécessaire à son fonctionnement : η = W utile W fourni Le rendement est un nombre sans unité exprimé le plus souvent en % Exercices Exercice 1.18 Sur un chantier, un treuil à moteur soulève une charge de 420 kg de 6 m par l intermédiaire d un palan. Le palan est constitué de trois poulies fixes et de trois poulies mobiles ; le treuil à moteur tire la corde vers le bas. 1. Quelle est la force de traction minimale? 2. Calculer le travail mécanique effectué par le treuil à moteur à partir de la force de traction qu il exerce et de la longueur de corde qu il enroule. 3. Comparer au travail nécessaire pour soulever directement la charge. Exercice 1.19 hauteur de 1 m. Un livreur charge un fût de bière de masse 60 kg sur un camion d une 1. Calculer le travail qu il effectue. 2. Il est plus facile de rouler le fût sur un plan incliné. L ouvrier doit pour cela se déplacer sur un chemin correspondant à quatre fois la hauteur. Que peut-on dire du travail effectué? En déduire la force à appliquer. Exercice 1.20 Pour vider une cave inondée, les pompiers doivent pomper l eau vers une bouche d égout située 2,7 m plus haut. La pompe effectue un travail de 54 kj. Calculer, en litres, la quantité d eau déplacée. Exercice 1.21 Marc travaille dans un supermarché. Il doit amener une caisse de conserves de l entrepôt jusqu au rayon. Il exerce une force constante de 90 N pour faire glisser la caisse et effectue un travail de 3150 J. Quelle est la distance entre l entrepôt et le rayon? Exercice 1.22 Pour soulever une charge de masse 400 kg de 5 m, on utilise un palan avec trois poulies fixes et trois poulies mobiles. Sachant qu il faut tirer l extrémité libre de la corde avec une force d intensité 710 N, calculer le rendement du palan.

35 3BC Mécanique La puissance d une force Pourquoi la puissance? Il est souvent utile de considérer le temps nécessaire pour effectuer un certain travail. Voici deux exemples : Exemple 1.13 Pour monter une charge au 10 e étage d un bâtiment, un ouvrier met beaucoup plus de temps qu une grue. Nous disons que la grue est plus puissante que l ouvrier, bien que les deux réalisent exactement le même travail. Exemple 1.14 Une voiture puissante arrive à monter une côte en moins de temps qu une voiture de même masse mais moins puissante. Nous allons définir une nouvelle grandeur appelée puissance qui tient compte à la fois du travail effectué et du temps nécessaire. L exemple suivant va nous permettre de trouver une telle définition. Exemple 1.15 Trois élèves réalisent des travaux W différents en des temps t différents. Comment évaluer la puissance des élèves? Nom W (J) t (s) Puissance Antoine Jean Marie La puissance est définie comme étant le travail effectué en une seconde ; elle correspond au quotient du travail par le temps Définition Définition La puissance P d une force est le quotient du travail W effectué par cette force par le temps t nécessaire : P = W t L unité de puissance est le watt (W) : 1 W = 1 J/s. La puissance représente le travail que peut effectuer une force par unité de temps. Lorsqu un travail de 1 J est réalisé en 1 s, la puissance est 1 W. Le tableau 1.1 donne les puissances de quelques systèmes mécaniques.

36 36 Mécanique 3BC Système Dynamo de bicyclette Homme, travail continu Homme, puissance maximale Vélomoteur Auto, classe moyenne Camion Locomotive TGV Centrale électrique Fusée lunaire Puissance 3 W 70 W 1400 W 1100 W 80 kw 320 kw 7000 kw 1000 MW MW Table 1.1 Exemples de puissances Définition Le rendement d un système fonctionnant en régime continu est le plus souvent exprimé en fonction des puissances fournie et utile. À partir de : η = W utile W fourni = W utile/t W fourni /t on obtient : η = P utile P fournie Exercices Exercice 1.23 Au cours de gymnastique, Raoul et David grimpent le long d une corde. Tous les deux atteignent la hauteur de 6 m au bout de 7 s. 1. Le professeur de gymnastique leur donne la même note, prétextant qu ils ont tous les deux fourni la même puissance. A-t-il raison? 2. Calculer les puissances de Raoul (49 kg) et de David (56 kg). Exercice 1.24 Paola (48 kg) monte sur une colline située 200 m plus haut que son point de départ. Quelle est sa puissance, si elle effectue le trajet en 1 h? Exercice 1.25 Quel temps mettrait une voiture (800 kg ; 40 kw) pour gravir un col situé 1000 m au-dessus du point de départ, si on pouvait négliger le frottement et la résistance de l air?

37 3BC Mécanique Énergie mécanique Notion d énergie La notion d énergie est une notion fondamentale de la physique. Bien que le terme «énergie» soit utilisé couramment, on constate qu il est difficile de définir la notion d énergie. Voici les principales propriétés de l énergie : elle dépend de l état du système ; elle peut apparaître sous différentes formes ; elle ne peut être ni créée ni détruite, elle se conserve. La dernière propriété est un principe fondamental de la physique. En mécanique, l énergie d un système change de forme ou est transférée d un corps du système à un autre lorsqu une force effectue un travail. Le travail est un mode de transfert d énergie. Exemple 1.16 Un système est constitué de deux corps A et B. Le corps A effectue un travail sur le corps B en le soulevant. Initialement l énergie de A était de 300 J, celle de B de 50 J. Si le travail effectué par A est de 100 J, son énergie après le travail sera de 200 J et celle de B de 150 J. L énergie du système n a pas changée! Les résultats de cet exemple peuvent être généralisés à tout système mécanique : avoir de l énergie est nécessaire pour effectuer un travail ; en travaillant un corps perd une partie de son énergie ; effectuer un travail sur un corps permet d augmenter son énergie ; l unité de l énergie est la même que celle du travail, le joule (J) Formes d énergie Nous allons discuter en détail les formes d énergie mécanique et ne citer qu une partie des autres formes, non mécaniques. Énergie cinétique Exemple 1.17 Un courant d eau fait tourner une roue hydraulique. L eau en mouvement effectue un travail ; elle possède donc de l énergie. Exemple 1.18 Quand un chariot en mouvement entre en collision avec un bloc en bois, le bloc est déplacé ; le chariot possède donc de l énergie. Nous pouvons conclure de ces exemples que tout corps en mouvement possède de l énergie, appelée énergie cinétique.

38 38 Mécanique 3BC Pour déterminer la valeur de l énergie cinétique d un corps, nous devons calculer le travail nécessaire pour le mettre en mouvement. Ce calcul sera fait en classe de 2 e. On trouve que l énergie cinétique est proportionnelle à la masse du corps et au carré de sa vitesse. Énergie cinétique Un corps de masse m animé d un mouvement de translation de vitesse v par rapport à un certain référentiel possède dans ce référentiel une énergie cinétique : E C = 1 2 m v2 L unité de l énergie cinétique est le joule (J), l unité de la vitesse est le mètre par seconde (m/s). Énergie potentielle de pesanteur Exemple 1.19 Lorsqu un chariot descend un plan incliné, il va acquérir de l énergie cinétique et pourra par conséquent effectuer un travail. Au point de départ le chariot possède donc de l énergie. Exemple 1.20 Pour produire de l électricité, la centrale de Vianden utilise l énergie de l eau du bassin supérieur au Mont Saint-Nicolas. Nous pouvons conclure de ces exemples que tout corps situé à une certaine altitude possède de l énergie, appelée énergie potentielle de pesanteur. (1) (2) h niveau de référence Figure 1.34 Calcul de l énergie potentielle de pesanteur d un corps Pour déterminer la valeur de l énergie potentielle de pesanteur d un corps de masse m, nous pouvons calculer le travail nécessaire pour le soulever à une altitude h. La figure 1.34 montre deux chemins différents pour soulever le corps à une altitude h par rapport au niveau de référence. D après la règle d or de la mécanique, le travail est indépendant du chemin suivi. Nous calculons le travail sur le chemin (2) : W = P h = m g h. Énergie potentielle de pesanteur Un corps de masse m situé à une altitude h par rapport à un niveau de référence possède une énergie potentielle de pesanteur : E pp = m g h

39 3BC Mécanique 39 L unité de l énergie potentielle de pesanteur est le joule (J). Énergie potentielle élastique Un arc tendu peut mettre en mouvement une flèche, le ressort en spirale tendu d une voiture miniature peut accélérer la voiture. L arc et le ressort possèdent donc de l énergie. On appelle énergie potentielle élastique l énergie d un corps élastique déformé. Formes d énergie non mécaniques L énergie interne ou thermique est liée aux mouvements des atomes ou molécules d un corps. L énergie électrique est liée aux différences de charge électrique entre deux corps. Une pile a de l énergie électrique. L énergie chimique est liée à la structure de la matière, aux liaisons entre atomes ou entre molécules. L énergie nucléaire est liée aux liaisons entre les particules constituant le noyau de l atome. Elle se manifeste par exemple lorsque des noyaux lourds se cassent (fission nucléaire). L énergie rayonnante est liée aux radiations émises par des corps. Un rayonnement peut être par exemple une onde électromagnétique Transformations d énergie L énergie peut passer d un corps à un autre ; nous disons qu il y a un transfert d énergie. Exemple 1.21 Une boule de billard A est en mouvement ; elle possède de l énergie cinétique. Elle frappe une boule B initialement immobile. La boule A s immobilise tandis que la boule B est mise en mouvement. L énergie cinétique est transférée de la boule A à la boule B. Lorsque l énergie d un corps passe d une forme à une autre, on parle de transformation d énergie. Exemple 1.22 Une boule se trouve à 2 m du sol ; elle possède de l énergie potentielle de pesanteur. Lorsqu elle tombe sous l action de son poids, son énergie potentielle de pesanteur se transforme en énergie cinétique. Les différentes formes de travail sont des modes de transfert des formes d énergie correspondantes : un travail accélérateur augmente l énergie cinétique du corps, le travail du poids fait varier l énergie potentielle de pesanteur et le travail tenseur fait varier l énergie potentielle élastique.

40 40 Mécanique 3BC Conservation de l énergie L intérêt de la notion d énergie vient du fait que les différentes formes d énergie peuvent varier mais que la quantité totale de l énergie est conservée. Avant de formuler ce principe fondamental, nous devons définir les notions d énergie totale et de système isolé. Définition L énergie totale d un corps est la somme de toutes les formes d énergie. L énergie totale d un système physique est la somme des énergies des corps qui constituent le système. Définition isolé. Un ensemble de corps qui interagissent uniquement entre-eux est appelé système Ces définitions permettent de formuler le principe de conservation de l énergie. Principe de conservation de l énergie Lors de transferts ou de transformations d énergie, l énergie totale d un système isolé est conservée. On doit remarquer que l énergie totale comprend toutes les formes d énergie, mécaniques et non mécaniques. Exemple 1.23 Une voiture en mouvement sur une route horizontale freine. À cause des frottements entre les disques et les plaquettes de frein, son énergie cinétique est transformée en énergie thermique. Lorsqu il y a des frottements, de l énergie mécanique est transformée en énergie thermique. En absence de frottements, on peut formuler le principe de conservation de l énergie mécanique. Principe de conservation de l énergie mécanique Lors de transferts ou de transformations d énergie mécanique et en absence de frottements, l énergie mécanique totale d un système isolé est conservée. Remarque : En réalité, tous les mouvements sont accompagnés d un frottement. Donc l énergie mécanique n est pas conservée, mais se transforme peu à peu en énergie thermique. Considérons un solide indéformable de masse m se déplaçant avec une vitesse v à une altitude z. Son énergie mécanique totale s écrit : E méca = E c + E pp ou : E méca = 1 2 m v2 + m g z. La conservation de l énergie permet d écrire : E méca = constante

41 3BC Mécanique 41 ou : 1 2 m v m g z 0 = 1 2 m v m g z 1 L indice «0» indique l état initial, «1» l état final. Expérience 1.9 Étude du looping (figure 1.35). h z E méca=epp 1 h' E =E +E méca c pp 3 E méca=ec E méca=ec 4 2 x Figure 1.35 Étude énergétique du looping Une bille de masse m se déplace avec la vitesse v sur un looping à une altitude z. On néglige les frottements. 1. La bille est lancée sans vitesse initiale à partir d une hauteur z = h, l énergie cinétique est nulle. L énergie mécanique s écrit : E méca = m g h. 2. La bille est au niveau de référence z = 0, l énergie potentielle de pesanteur est nulle. L énergie mécanique ne comporte que l énergie cinétique et s écrit : E méca = 1 2 m v 0 2, la vitesse v 0 est la vitesse maximale. 3. La bille est à l altitude z = h, avec h < h. L énergie mécanique comporte l énergie cinétique et l énergie potentielle de pesanteur et s écrit : E méca = 1 2 m v 2 + m g h, la vitesse v est inférieure à la vitesse maximale v La bille est à nouveau au niveau de référence. L énergie mécanique ne comporte que l énergie cinétique et s écrit : E méca = 1 2 m v 0 2, la vitesse v 0 est la vitesse maximale. Si on tient compte des frottements, l énergie mécanique est transformée progressivement en énergie thermique. Ainsi la vitesse en (4) est plus petite qu en (2) Exercices Exercice 1.26 Une voiture de masse 1 t avance à 120 km/h. Calculer son énergie cinétique. Quelle devrait être la vitesse d un camion de 25 t pour qu il ait la même énergie cinétique? Quelle serait son énergie cinétique s il avançait à la même vitesse que la voiture?

42 42 Mécanique 3BC Exercice 1.27 Une voiture roule à 100 km/h. Le conducteur freine quatre fois de suite, ce qui diminue la vitesse de 25 km/h à chaque coup de pédale jusqu à l arrêt. Quelle proportion de l énergie cinétique initiale les freins reçoivent-ils à chaque manœuvre? Exercice 1.28 Calculer la quantité d énergie potentielle de pesanteur qui est transformée lorsque 1 m 3 d eau tombe d une altitude de 280 m dans la centrale de Vianden. Exercice 1.29 Décrire les transformations d énergie dans les cas suivants : (1) tir à l arc, (2) rebond d une balle de tennis sur une raquette. Quels sont les travaux qui font passer l énergie d une forme à une autre? Exercice 1.30 On dit que l eau courante des rivières constitue une source d énergie renouvelable. D où provient cette énergie? Exercice 1.31 La roue hydraulique de la figure 1.36a achemine l eau d une rivière vers un champ situé plus haut. Décrire les transformations d énergie. (a) (b) Figure 1.36 Roues hydrauliques Exercice 1.32 La figure 1.36b représente une roue hydraulique mue d en haut et une roue mue d en bas. Quelles sont les énergies utilisées? Exercice 1.33 Où utilise-t-on l énergie cinétique du vent (énergie éolienne)? 1. D où provient cette énergie? 2. Quel est l inconvénient de cette source d énergie?

43 Chapitre 2 Thermodynamique 2.1 Énergie interne La température Expérience 2.1 Une éprouvette remplie d eau est agitée. À l aide d un thermomètre on mesure la température avant et après l agitation. Observation : La température de l eau a augmentée. Interprétation : L eau est constituée de molécules qui se déplacent de façon désordonnée. En secouant l éprouvette, le mouvement désordonné des particules devient plus important : la température de l eau augmente. thermomètre agitation Le mouvement désordonné des particules d un corps est appelé agitation ther- Définition mique. Définition La température T d un corps est une mesure de l agitation thermique des particules qui le constituent : plus l agitation thermique est importante, plus la température du corps est élevée. L unité S.I. de la température est le kelvin (K). La température à laquelle le mouvement désordonné des particules cesse est appelée le zéro absolu. C est la limite inférieure des températures. Le zéro absolu correspond à 0 K. Souvent on mesure la température en degrés Celsius ( C), avec 0 C et 100 C correspondant respectivement à la température de fusion et d ébullition de l eau. Une température exprimée en C est notée θ. Le zéro absolu correspond à 273 C. On a les relations de conversion suivantes : T = θ K θ = T 273 C.

44 44 Thermodynamique 3BC L ampleur de l agitation thermique est différente selon l état de la matière (figure 2.1) : Les particules d un solide oscillent autour d une position fixe. Le volume et la forme d un solide sont bien définis. Les particules d un liquide se déplacent librement tout en restant en contact entre-elles. Le volume d un liquide est bien défini, il prend la forme du récipient qui le renferme. Les particules d un gaz se déplacent librement dans tout l espace qui leur est mis à disposition. Le volume et la forme d un gaz sont ceux du récipient qui le renferme. solide liquide gaz Figure 2.1 Les états de la matière La notion d énergie interne En secouant l eau de l expérience 2.1 on a augmenté sa température. Le travail effectué par l expérimentateur se retrouve emmagasiné dans le corps sous forme d énergie. Puisque le corps est au repos dans les états initial et final, cette énergie est liée aux particules constituant le corps. En effet, une agitation thermique plus importante entraîne une augmentation de l énergie cinétique des particules. L énergie totale des particules d un corps est appelée énergie interne. Définition L énergie interne d un corps comprend l énergie cinétique des particules, l énergie potentielle des particules due aux interactions avec le milieu extérieur et l énergie due aux interactions entre les particules. L énergie interne est notée U et s exprime en joule (J). Remarques : Comme toute forme d énergie, l énergie interne ne dépend que de l état du corps. C est une fonction d état. L énergie potentielle des particules dépend de leurs positions dans le champ de pesanteur, dans un champ électrique ou magnétique. Les interactions entre les particules sont de nature électrique Conservation de l énergie La conservation de l énergie est un principe fondamental vérifié par les résultats de nombreuses expériences.

45 3BC Thermodynamique 45 L énergie totale d un système isolé est inva- Principe de la conservation de l énergie riante au cours du temps. L énergie totale comporte l énergie cinétique, l énergie potentielle et l énergie interne de tous les corps qui forment le système isolé Modes de transfert d énergie interne Travail L énergie mécanique d un corps peut être augmentée en effectuant un travail. De l expérience 2.1 nous savons qu il en est de même pour l énergie interne. Considérons deux autres exemples. Exemple 2.1 Un bloc est déplacé sur un support en appliquant une force F qui compense l effet de la force de frottement F f (figure 2.2). déplacement F f bloc F support W>0 U Figure 2.2 Travail effectué sur un système La température du bloc et du support augmente. Le travail de la force F résulte en une augmentation de l énergie interne de ces corps. Exemple 2.2 Un cylindre fermé par un piston renferme un gaz comprimé. Lorsque le piston est libéré, le gaz se détend rapidement et met en mouvement un chariot en exerçant une force F (figure 2.3). déplacement F chariot gaz U W<0 piston Figure 2.3 Travail effectué par un système La température du gaz diminue lors de la détente rapide. Le travail de la force F résulte en une diminution de l énergie interne du gaz. En absence d autres transferts d énergie, la variation de l énergie interne est égale au travail : W > 0 si le travail est effectué sur le système; U = W W < 0 si le travail est effectué par le système.

46 46 Thermodynamique 3BC Chaleur Une autre façon de faire varier l énergie interne d un corps est de le mettre en contact avec un autre corps de température différente. Exemple 2.3 Un corps en fer à la température ambiante T est plongé dans de l eau chaude à la température T eau > T (figure 2.4). eau T eau >T corps T Q>0 U Figure 2.4 Transfert d énergie interne de l eau vers le corps Le contact avec l eau chaude fait augmenter la température du corps en fer et résulte en une augmentation de son énergie interne. Exemple 2.4 Un corps en fer à la température ambiante T est plongé dans de l eau froide à la température T eau < T (figure 2.5). eau T eau <T corps T U Q<0 Figure 2.5 Transfert d énergie interne du corps vers l eau Le contact avec l eau froide fait diminuer la température du corps en fer et résulte en une diminution de son énergie interne. Si la variation de l énergie interne est due au contact avec un autre corps de température différente, le mode de transfert d énergie interne est appelé chaleur. La quantité de chaleur est notée Q et s exprime en joule (J). Définition La chaleur est un mode de transfert d énergie interne entre deux corps résultant de leur différence de température. En absence d autres transferts d énergie, la variation de l énergie interne est égale à la chaleur : Q > 0 si la chaleur est reçue par le système; U = Q Q < 0 si la chaleur est fournie par le système Principe d équivalence Les différentes façons de réaliser un changement de l état du système conduisent-elles à la même variation d énergie interne?

47 3BC Thermodynamique 47 C est J. P. Joule qui établira l équivalence entre les différents modes de transfert. Le principe de son expérience la plus célèbre est décrit ci-dessous, il la réalisa pour la première fois en Dans un récipient contenant de l eau et dont les parois sont parfaitement isolées, Joule, dans un premier temps, élevait la température par un transfert d énergie interne sous forme d un travail W. La chute d une masse entraînait des pales qui remuaient l eau (figure 2.6). poulie eau pale masse Figure 2.6 Principe de l expérience de Joule Dans un deuxième temps, il ramenait l eau à son état initial en le refroidissant par échange d une quantité de chaleur Q avec le milieu extérieur. Les mesures de Joule montrèrent que le travail est proportionnel à la quantité de chaleur. Joule obtint comme facteur de proportionnalité 4,18. Cependant, le travail fut mesuré en J et la chaleur en calorie (cal). Une calorie correspond à la chaleur qu il faut fournir à 1 g d eau pour élever sa température de 1 C. En définissant la calorie par 1 cal = 4,18 J, le résultat de l expérience de Joule peut s écrire : W + Q = 0. Le travail est compté positivement alors que la chaleur est négative. Ce résultat montre l équivalence des modes de transfert d énergie interne et peut être généralisé à tout système. Principe d équivalence Lorsqu un système fermé subit un cycle de transformations qui le ramène à son état initial, la somme du travail W et de la chaleur Q échangés est nulle. L applet «Loi de Joule 1» montre le principe de fonctionnement de l appareil utilisé par Joule Premier principe de la thermodynamique Le premier principe de la thermodynamique traduit la conservation de l énergie lorsqu un système échange de l énergie avec le milieu extérieur. 1

48 48 Thermodynamique 3BC Premier principe de la thermodynamique Lorsqu un travail W est effectué sur un système et qu une quantité de chaleur Q est reçue par le système, la variation U de son énergie interne est donnée par : U = W + Q Remarques : L énergie interne est une fonction d état. Sa variation ne dépend que des états initial et final. La variation U peut être causée par un travail ou par un échange de chaleur. Le travail W et la quantité de chaleur Q dépendent du «parcours» du système entre les états initial et final. Ce n est que la somme W + Q qui est indépendante de ce parcours. Le travail et la chaleur représentent de l énergie «en transit». On ne peut pas dire qu un corps possède du travail ou de la chaleur. Ce sont des grandeurs liées à un processus d échange d énergie.

49 3BC Thermodynamique La chaleur sous toutes ses formes Capacité thermique massique Comment peut-on déduire la quantité de chaleur échangée par un corps de la variation de sa température? Quelles autres grandeurs ont une influence? L expérience suivante permet de donner des réponses. Expérience 2.2 Un calorimètre contient de l eau de masse m. Une résistance chauffante va fournir une quantité de chaleur Q à l eau. Un thermomètre mesure la température θ de l eau. thermomètre résistance eau Figure 2.7 Calorimètre La quantité de chaleur Q fournie par la résistance est entièrement reçue par l eau. Elle est déterminée par : Q = P t où P est la puissance électrique de la résistance et t la durée de chauffage. Dans un premier temps, on étudie la relation entre Q et l augmentation de la température θ pour une masse d eau donnée. La relation entre Q et m est étudiée dans un deuxième temps en augmentant la température de différentes masses d eau d une même valeur. Conclusion : Les résultats des mesures permettent d écrire les relations suivantes : Q θ pour une masse donnée ; Q m pour une augmentation de température donnée. En combinant les deux relations on obtient : Q m θ et, en introduisant un coefficient de proportionnalité : Q = c m θ.

50 50 Thermodynamique 3BC La différence de température prend la même valeur, que les températures sont exprimées en C ou en K : θ = θ 2 θ 1 = (T 2 273) (T 1 273) = T 2 T 1 = T. Le coefficient de proportionnalité c est appelé capacité thermique massique et s exprime en J/kg K. Sa valeur correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire varier de 1 K la température d un corps de masse 1 kg. Énoncé Lorsque la température d un corps de masse m passe d une valeur initiale T 1 à une valeur finale T 2, la quantité de chaleur Q échangée avec le milieu extérieur est donnée par la relation : Q = m c (T 2 T 1 ) Le tableau 2.1a donne quelques valeurs de capacités thermiques massiques dans les conditions normales de température et de pression (sauf indication contraire). Substance c (J/kg K) Aluminium 897 Argent 235 Cuivre 385 Eau 4186 Glace 2060 Éthanol 2460 Fer 444 Graphite 720 Huile 2000 Mercure 139 Or 129 Plomb 129 (a) capacité thermique massique Substance L f (kj/kg) L v (kj/kg) Aluminium Argent Cuivre Eau Éthanol Fer Silicium Mercure 11,5 300 Or 64, Plomb 23,2 862 (b) chaleur latente Remarques : Table 2.1 Caractéristiques thermiques On vérifie que la chaleur est positive si la température augmente et négative dans le cas contraire. L expression de la chaleur n est pas valable s il y a un changement de phase (voir la sous-section 2.2.2). Pour un corps composé de différentes substances, on définit la capacité thermique C qui s exprime en J/K : Q = C (T 2 T 1 ). Sa valeur correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire varier de 1 K la température du corps.

51 3BC Thermodynamique Chaleur latente Nous savons que lors d un changement d état, la température d un corps ne change pas. Que devient la chaleur fournie à ce corps si elle ne sert pas à augmenter sa température? L expérience suivante utilise la glace fondante. Expérience 2.3 Deux verres contiennent la même masse d eau à température ambiante. On prépare dans un bécher un mélange d eau et de glace fondante qui est à 0 C. On met quelques glaçons à 0 C dans le premier verre, puis on verse une masse identique d eau à 0 C dans le deuxième verre. Après la fusion des glaçons on compare les températures de l eau dans les deux verres. Observation : La température finale de l eau mélangée avec la glace est bien inférieure à celle dans le deuxième verre. Interprétation : L eau dans le premier verre doit d abord fournir une certaine quantité de chaleur aux glaçons pour les faire fondre et obtenir une masse d eau à 0 C. L expérience suivante sert à déterminer la chaleur reçue par la glace lors de sa fusion. Expérience 2.4 Un calorimètre contient une masse m 1 d eau à la température θ 1. On verse dans le calorimètre une masse m 2 de glace à la température θ 2 = 0 C. On relève la température θ m du mélange quand celle-ci ne varie plus. Le bilan énergétique tient compte des différentes chaleurs fournies et reçues : m 1 c (θ 1 θ m ) chaleur fournie par l eau ; Q f chaleur reçue par la glace fondante ; m 2 c (θ m θ 2 ) chaleur reçue par l eau obtenu de la glace. où c est la capacité thermique massique de l eau. On néglige la chaleur fournie par le calorimètre. La conservation de l énergie permet d écrire : Q f = m 1 c (θ 1 θ m ) m 2 c (θ m θ 2 ). On refait l expérience avec différentes masses de glace. Conclusion : La chaleur de fusion reçue par la glace est proportionnelle à sa masse. En introduisant le coefficient de proportionnalité L f on peut écrire : Q f = m 2 L f. La grandeur L f est appelée chaleur latente de fusion et s exprime en J/kg. Sa valeur correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer un corps de masse 1 kg de l état solide à l état liquide. Une grandeur analogue peut être définie pour chacun des changements d état représentés sur la figure 2.8.

52 52 Thermodynamique 3BC liquide solide fusion solidification resublimation vaporisation condensation sublimation gaz Figure 2.8 Changements d état Énoncé Lorsque un corps de masse m subit un changement d état, la quantité de chaleur Q échangée avec le milieu extérieur est donnée par la relation : Q = m L La fusion, la vaporisation et la sublimation nécessitent un apport de chaleur : Q > 0. Les chaleurs latentes correspondantes L f, L v et L sub sont positives. La solidification, la condensation et la resublimation libèrent de la chaleur : Q < 0. Les chaleurs latentes correspondantes L sol, L c et L res sont négatives. Leurs valeurs absolues sont les mêmes que pour les transformations inverses respectives : L sol = L f, L c = L v, L res = L sub. Le tableau 2.1b donne quelques valeurs de chaleurs latentes. Exemple 2.5 Lorsqu on fait du sport, la transpiration sert à nous refroidir. En effet, notre corps cède au liquide la chaleur nécessaire à la vaporisation de la sueur. Il en résulte un refroidissement bien que la sueur et la peau aient la même température. Exemple 2.6 Lors de la formation des nuages, il y a condensation de la vapeur d eau en eau liquide. Il en suit une libération de chaleur qui réchauffe l atmosphère. La diminution de la température dans la troposphère est ainsi réduite à 6,5 C par km d altitude au lieu de 10 C pour de l air sec Transmission de la chaleur Le transport de la chaleur d un point à un autre peut se faire par trois manières différentes : par conduction, par convection et par rayonnement. Conduction Expérience 2.5 Sur une tige métallique, fixée horizontalement, on dépose de petites boules de cire (figure 2.9). On chauffe une extrémité à l aide d une flamme d un brûleur à gaz.

53 3BC Thermodynamique 53 tige métallique boules de cire brûleur à gaz Figure 2.9 Transmission de la chaleur par conduction Observation : Ce sont d abord les boules situées près de l extrémité chauffée qui fondent, puis celles qui en sont un peu plus éloignées,... Interprétation : Il y a eu une transmission de la chaleur de l extrémité chaude vers l extrémité froide par l intermédiaire de la tige métallique. L agitation thermique des atomes de l extrémité chaude de la tige est transférée par collisions à leurs plus proches voisins. Ce mode de transmission de la chaleur est appelé conduction. Définition Lorsque la transmission de la chaleur se fait par transfert de l agitation thermique de proche en proche, sans transport de matière, on parle de conduction. Les métaux sont les meilleurs conducteurs thermiques. Le bois, la laine de verre ou l air sont des mauvais conducteurs, on les utilise comme isolants thermiques. Convection Expérience 2.6 Un tube en verre de forme rectangulaire contenant de l eau colorée est fixé verticalement (figure 2.10). Une extrémité inférieure du tube est chauffée à l aide d une flamme d un brûleur à gaz. tube en verre ciculation de l'eau brûleur à gaz Figure 2.10 Transmission de la chaleur par convection Observation :

54 54 Thermodynamique 3BC On observe des déplacements d eau dans le tube formant des courants dits de convection. Ce mode de transmission de la chaleur est appelé convection. Interprétation : L eau en contact avec l extrémité chaude se détend, sa masse volumique diminue. L eau chaude monte et est remplacée par de l eau plus froide. Définition Lorsque la transmission de la chaleur se fait par un déplacement d un liquide ou d un gaz, on parle de convection. Notre atmosphère est le siège de vastes courants de convection. Les planeurs et les oiseaux utilisent les courants ascendants pour prendre de l altitude. Rayonnement Expérience 2.7 On place un tube blanc et un tube noir contenant une quantité identique d eau à une même distance d une lampe à incandescence (figure 2.11). thermomètres tube noir tube blanc lampe à incandescence Figure 2.11 Transmission de la chaleur par rayonnement Observation : Il y a une augmentation de la température de l eau dans les deux tubes. L eau contenue dans le tube noir s échauffe le plus rapidement. Interprétation : La quantité de chaleur transmise par conduction et par convection dans l air entre la lampe et les tubes est négligeable. La transmission de la chaleur sans l intervention d un milieu intermédiaire est appelée rayonnement. Définition Lorsque la transmission de la chaleur ne fait pas intervenir un milieu intermédiaire, on parle de rayonnement. Nous sentons bien l effet de chaleur rayonnée par le Soleil, bien qu il y ait un vide entre le Soleil et la Terre. La quantité de chaleur rayonnante absorbée par un corps dépend de la température et des caractéristiques de la surface du corps.

55 3BC Thermodynamique 55 Exemple 2.7 Par isolation thermique on désigne des techniques mises en œuvre pour limiter la transmission de la chaleur. En construction, on utilise entre autres la laine de verre et les fenêtres à double voire triple vitrage pour réduire les pertes thermiques d une maison (figure 2.12). Chez les animaux exposés à un environnement froid, la fourrure ou le plumage servent d isolation thermique. Figure 2.12 Pertes thermiques Figure 2.13 Effet de serre Exemple 2.8 L expression effet de serre résulte d une analogie entre l atmosphère et les parois d une serre. Son usage s est étendu dans le cadre de l explication du réchauffement climatique causé par les gaz à effet de serre qui bloquent et réfléchissent une partie du rayonnement thermique (figure 2.13). Les températures terrestres ne résultent pas seulement du blocage du rayonnement thermique, mais entre autres des courants de convection dans l atmosphère et dans les océans.

56 56 Thermodynamique 3BC 2.3 Machines thermiques Un certain nombre de transformations d énergie interne ne se font que dans un seul sens, bien que le sens inverse serait permis d après le premier principe de la thermodynamique. En voici quelques exemples. Exemple 2.9 En hiver, l air froid ne se refroidit pas davantage pour transférer de la chaleur vers l intérieur plus chaud d une maison. Exemple 2.10 L énergie interne des disques de freins d une voiture qui vient de s arrêter ne vas pas se transformer en énergie cinétique de la voiture en effectuant un travail accélérateur. Ces transferts d énergie n ont pas lieu spontanément mais deviennent possibles en utilisant des machines thermiques. Définition Une machine thermique est un dispositif dans lequel un fluide (gaz ou liquide) passe d un état initial à un état final identique. On dit que la machine fonctionne selon un cycle fermé au cours duquel elle échange du travail et de la chaleur avec le milieu extérieur. Une pompe à chaleur investit du travail pour transférer de la chaleur d une source froide vers une source chaude. Inversement, un moteur thermique produit du travail en transférant de la chaleur d une source chaude vers une source froide Pompe à chaleur La pompe à chaleur utilise un travail pour faire passer de la chaleur d une source froide vers une source chaude. Lors d un cycle fermé, le fluide réfrigérant reçoit de la source froide la quantité de chaleur Q 2 et cède à la source chaude la quantité Q 1 (figure 2.14). Le travail fourni au fluide pendant un cycle est W. source chaude Q 1 Q 2 fluide source froide W Figure 2.14 Schéma énergétique d une pompe à chaleur Après un cycle complet, le fluide retourne dans son état initial et la variation de son énergie interne est nulle. D après le premier principe de la thermodynamique : U = Q 1 + Q 2 + W = 0 Q 1 = W + Q 2. Le rendement (ou efficacité) de la pompe à chaleur est égal au quotient de la chaleur fournie à la source chaude par le travail fourni : η = Q 1 W = W + Q 2 W

57 3BC Thermodynamique 57 ce qui permet d écrire : η = 1 + Q 2 W. Le rendement d une pompe à chaleur est supérieur à 100 %. Remarque : Dans le calcul du rendement, on ne tient pas compte de toute l énergie fournie! C est pour cette raison qu on parle d efficacité de la pompe à chaleur. En pratique, les échanges de chaleur sont réalisés lors des transformations d état du fluide (figure 2.15). Les principales transformations du fluide lors d un cycle : le compresseur effectue un travail pour augmenter la pression et la température du fluide dans l état gazeux ; dans le condenseur, le fluide passe de l état gazeux à l état liquide et fournit de la chaleur à la source chaude ; le détenteur diminue la pression et la température du fluide dans l état liquide ; dans l évaporateur, le fluide reçoit de la chaleur de la source froide et passe de l état liquide à l état gazeux. chaleur fournie liquide détenteur liquide chaleur reçue compresseur gaz gaz condenseur évaporateur travail fourni Figure 2.15 Principe de fonctionnement d une pompe à chaleur Pour chauffer une maison, le condenseur est placé à l intérieur et l évaporateur à l extérieur de la maison. Il s avère que le rendement de la pompe à chaleur est d autant plus élevé que la différence de température entre les sources chaude et froide est faible. Il est donc avantageux de placer le condenseur dans le sol ou dans les eaux souterraines. Le principe de la pompe à chaleur est également utilisé pour une machine frigorifique, par exemple un réfrigérateur. Dans ce cas, le rendement met en relation la chaleur reçue par la source froide et le travail fourni : η = Q 2 W. Pour refroidir des aliments, l évaporateur se trouve à l intérieur et le condensateur à l extérieur du réfrigérateur.

58 58 Thermodynamique 3BC Moteur thermique Le moteur thermique utilise l échange de chaleur entre une source chaude et une source froide pour effectuer un travail. Lors d un cycle fermé, le fluide reçoit de la source chaude la quantité de chaleur Q 1 et cède à la source froide la quantité Q 2 (figure 2.16). Le travail fourni par le fluide pendant un cycle est W. source chaude Q 1 Q 2 fluide W source froide Figure 2.16 Schéma énergétique d un moteur thermique Après un cycle complet, le fluide retourne dans son état initial et la variation de son énergie interne est nulle. D après le premier principe de la thermodynamique : U = Q 1 Q 2 W = 0 W = Q 1 Q 2. Le rendement du moteur thermique met en relation le travail fourni et la chaleur fournie par la source chaude : ρ = W = Q 1 Q 2 Q 1 Q 1 ce qui permet d écrire : ρ = 1 Q 2 Q 1. Le rendement d un moteur thermique est inférieur à 100 %. L une des principales applications est le moteur à combustion interne. Considérons l exemple d un moteur à quatre temps (figure 2.17). soupape d'admission bougie piston soupape d'échappem. admission compression combustion échappement Figure 2.17 Principe de fonctionnement d un moteur à quatre temps Un cycle complet consiste en deux aller-retours du piston, donc en deux tours du vilebrequin.

59 3BC Thermodynamique 59 Admission Compression Combustion Échappement Le piston descend, un mélange d air et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d admission ouverte. La soupape d admission étant fermée, le piston remonte en comprimant le mélange et en augmentant sa température. Le mélange air-carburant est enflammé par une bougie d allumage et se détend. Le mélange brûlé est évacué du cylindre via la soupape d échappement ouverte. L applet «Moteur à 4 temps 2» montre le principe de fonctionnement d un moteur à quatre temps. Dans un moteur Diesel, la combustion ne nécessite pas de bougie d allumage mais se fait par auto-inflammation. Ceci est possible grâce à un taux de compression très important permettant d avoir des températures suffisamment élevées pour que le mélange s enflamme. 2

60 Chapitre 3 Électricité 3.1 Tension et énergie électriques Énergie électrique Expérience 3.1 On relie les calottes d une lampe à lueur aux sphères métalliques d une machine de Wimshurst (figure 3.1). Les liaisons sont réalisées avec des fils de cuivre. On fait fonctionner la machine. machine de Wimshurst fil de cuivre lampe à lueur mouvement des électrons (a) Machine de Wimshurst (b) Circuit électrique comprenant une lampe à lueur Figure 3.1 Transformation d énergie électrique Observation : En actionnant en permanence la manivelle de la machine, la lampe à lueur brille de façon continue. Interprétation : En tournant la manivelle de la machine, des électrons sont transférés d une sphère métallique vers l autre. Sur les deux sphères se trouvent des charges électriques de signes contraires. Dans le fil de cuivre en contact avec la sphère négative, les électrons sont repoussés et se déplacent vers la lampe à lueur. Les électrons traversent la lampe en la faisant briller et se déplacent vers la sphère positive. Rappel : ce déplacement d électrons dans les fils de cuivre constitue un courant électrique.

61 3BC Électricité 61 Le travail mécanique effectué pour tourner la manivelle augmente l énergie potentielle électrique des électrons sur la sphère négative. Les électrons transportent cette énergie électrique dans le circuit jusqu à la lampe à lueur. La lampe transforme l énergie électrique en énergie rayonnante. Le dispositif utilisé constitue un circuit électrique fermé, la machine de Wimshurst joue le rôle du générateur et la lampe à lueur est un récepteur. Exemple 3.1 Considérons un circuit électrique simple comprenant une pile et un moteur électrique. La pile est un générateur et transforme de l énergie chimique en énergie électrique. Le moteur est un récepteur et transforme de l énergie électrique en énergie cinétique. pile moteur M Définition Un récepteur est un dipôle qui reçoit de l énergie électrique et la transforme en d autres formes d énergie (rayonnée, chimique, mécanique). Exemples : L ampoule transforme de l énergie électrique en énergie rayonnée. L électrolyseur transforme de l énergie électrique en énergie chimique. Le moteur électrique transforme de l énergie électrique en énergie mécanique. Définition Un générateur électrique est un dipôle qui transforme différentes formes d énergie (chimique, mécanique, rayonnée) en énergie électrique. Exemples : La pile transforme de l énergie chimique en énergie électrique. La dynamo transforme de l énergie mécanique en énergie électrique. La photopile transforme de l énergie rayonnée en énergie électrique. charges transportant l'énergie électrique énergie non élect. E él générateur récepteur E él énergie non élect. Figure 3.2 Transformations d énergie électrique Remarques :

62 62 Électricité 3BC Un dipôle électrique est un composant d un circuit électrique possédant deux bornes. Les transformations d énergie s accompagnent toujours d une dissipation de chaleur. Si l énergie électrique est entièrement transformée en énergie interne, le récepteur est appelé récepteur thermique. Les notions introduites et leur signification dans un circuit électrique simple sont représentées à l aide du schéma de la figure La tension électrique La notion de tension électrique Expérience 3.2 Plusieurs lampes sont branchées en parallèle sur une dynamo pourvue d une manivelle. On fait tourner la manivelle de sorte que chaque lampe brille toujours avec le même éclat, indépendamment du nombre de lampes branchées. Observations : Il faut tourner la manivelle avec la même vitesse, indépendamment du nombre de lampes branchées. Le travail nécessaire pour tourner la manivelle est proportionnel au nombre de lampes qui brillent. Interprétation : Pour faire briller une lampe, une quantité de charge Q doit être déplacée pour transporter l énergie électrique E él nécessaire. Pour deux lampes, la charge déplacée double de même que l énergie électrique. Ces deux grandeurs sont proportionnelles : E él Q Le facteur de proportionnalité est appelé tension électrique. C est une caractéristique du générateur et, dans le cas de la dynamo, dépend de la vitesse de rotation. Définition Le rapport de l énergie électrique E él transformée dans un dipôle par la charge Q transportant cette énergie est égal à la tension électrique U au bornes du dipôle considéré : U = E él Q La tension est exprimée en volts (V) : 1 V = 1 J/C. Remarques : La tension électrique est une grandeur physique qui caractérise la différence des états électriques entre deux points du circuit électrique. Elle est tout à fait différente de l intensité du courant qui traduit le nombre d électrons déplacés par seconde.

63 3BC Électricité 63 Pour un circuit ouvert, l intensité du courant s annule alors que la tension aux bornes du générateur reste pratiquement inchangée. L énergie électrique résulte d un déplacement interne de charges électrique dans le générateur. La mesure de la tension électrique La tension électrique est mesurée à l aide d un voltmètre. Pour connaître la tension électrique aux bornes d un dipôle, le voltmètre est mis en parallèle avec ce dipôle. Les sources de tension Il existe différentes méthodes pour créer des tensions électriques et de mettre en mouvement des charges électriques. Un clou de fer et un fil de cuivre sont piqués dans un citron (figure 3.3a) ou dans une pomme. Des réactions chimiques font apparaître une tension d environ 0,5 V entre le clou et le fil. (a) Citron (b) Piles sèches Figure 3.3 Sources de tension électrique La structure d une pile est comparable à celle du citron. Le clou et le fil sont remplacés par un boîtier en zinc et une tige centrale en carbone, le citron est remplacé par un électrolyte gélatineux. On parle de batterie dans le cas d un groupement de plusieurs piles (figure 3.3b). Une dynamo entraînée par une roue de bicyclette fournit une tension maximale d environ 6 V. Les piles solaires utilisent l énergie solaire pour propulser les charges électriques.