Énergie cinétique et potentielle

L'énergie cinétique est l'énergie possédée par un corps en vertu de son mouvement . L'énergie potentielle est l'énergie possédée par un corps en vertu de sa position ou de son état . Alors que l'énergie cinétique d'un objet est relative à l'état des autres objets dans son environnement, l'énergie potentielle est complètement indépendante de son environnement. Par conséquent, l'accélération d'un objet n'est pas évidente dans le mouvement d'un objet, où d'autres objets dans le même environnement sont également en mouvement. Par exemple, une balle qui passe devant une personne debout possède de l'énergie cinétique, mais la balle n'a pas d'énergie cinétique par rapport à un train qui se déplace à côté.

Tableau de comparaison

Tableau de comparaison de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle
Énergie cinétique Énergie potentielle
DéfinitionL'énergie d'un corps ou d'un système par rapport au mouvement du corps ou des particules dans le système.L'énergie potentielle est l'énergie stockée dans un objet ou un système en raison de sa position ou de sa configuration.
Relation avec l'environnementL'énergie cinétique d'un objet est relative à d'autres objets mobiles et fixes dans son environnement immédiat.L'énergie potentielle n'est pas relative à l'environnement d'un objet.
TransférabilitéL'énergie cinétique peut être transférée d'un objet en mouvement à un autre, par exemple, lors de collisions.L'énergie potentielle ne peut pas être transférée.
ExemplesL'eau qui coule, comme en tombant d'une cascade.Arrosez au sommet d'une cascade, avant le précipice.
Unité SIJoule (J)Joule (J)
Facteurs déterminantsVitesse / vitesse et masseHauteur ou distance et masse

Interconversion de l'énergie cinétique et potentielle

La loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne peut pas être détruite mais ne peut être transformée que d'une forme à une autre. Prenons un exemple classique d'un simple pendule. Lorsque le pendule oscille, le corps suspendu se déplace plus haut et, en raison de sa position, l'énergie potentielle augmente et atteint un maximum au sommet. Lorsque le pendule commence son oscillation vers le bas, l'énergie potentielle stockée est convertie en énergie cinétique.

Lorsqu'un ressort est tendu d'un côté, il exerce une force de l'autre côté pour qu'il puisse revenir à son état d'origine. Cette force est appelée force de restauration et agit pour amener les objets et les systèmes à leur position de faible niveau d'énergie. La force nécessaire pour étirer le ressort est stockée dans le métal sous forme d'énergie potentielle. Lorsque le ressort est relâché, l'énergie potentielle stockée est convertie en énergie cinétique par la force de rappel.

Lorsqu'une masse est soulevée, la force gravitationnelle de la terre (et la force de restauration dans ce cas) agit pour la faire redescendre. L'énergie nécessaire pour soulever la masse est stockée comme énergie potentielle en raison de sa position. Lorsque la masse diminue, l'énergie potentielle stockée est convertie en énergie cinétique.

Étymologie

Le mot «cinétique» est dérivé du mot grec kinesis, qui signifie «mouvement». Les termes «énergie cinétique» et «travail», tels qu'ils sont compris et utilisés aujourd'hui, ont leur origine au 19e siècle. En particulier, "l'énergie cinétique" aurait été inventée par William Thomson (Lord Kelvin) vers 1850.

Le terme «énergie potentielle» a été inventé par William Rankine, un physicien et ingénieur écossais qui a contribué à diverses sciences, dont la thermodynamique.

Types d'énergie cinétique et d'énergie potentielle

L'énergie cinétique peut être classée en deux types, selon le type d'objets:

  • Énergie cinétique translationnelle
  • Énergie cinétique de rotation

Les corps rigides non rotatifs ont un mouvement rectiligne. Ainsi, l'énergie cinétique de translation est l'énergie cinétique possédée par un objet se déplaçant en ligne droite. L'énergie cinétique d'un objet est liée à son élan (produit de la masse et de la vitesse, p = mv où m est la masse et v est la vitesse). L'énergie cinétique est liée à l'élan par la relation E = p ^ 2 / 2m et donc l'énergie cinétique de translation est calculée comme E = ½ mv ^ 2. Les corps rigides qui tournent le long de leur centre de masse possèdent une énergie cinétique de rotation. L'énergie cinétique de rotation d'un corps en rotation est calculée comme l'énergie cinétique totale de ses différentes parties mobiles. Les corps au repos ont également de l'énergie cinétique. Les atomes et les molécules qui s'y trouvent sont en mouvement constant. L'énergie cinétique d'un tel corps est la mesure de sa température.

L'énergie potentielle est classée en fonction de la force de rappel applicable.

  • Énergie potentielle gravitationnelle - énergie potentielle d'un objet associée à la force gravitationnelle. Par exemple, lorsqu'un livre est placé sur une table, l'énergie nécessaire pour soulever le livre du sol et l'énergie que possède le livre en raison de sa position élevée sur la table est l'énergie potentielle gravitationnelle. Ici, la gravité est la force de restauration.
  • Énergie potentielle élastique - l'énergie possédée par un corps élastique comme l'arc et la catapulte lorsqu'il est étiré et déformé dans une direction est l'énergie potentielle élastique. La force de rappel est l'élasticité qui agit en sens inverse.
  • Énergie potentielle chimique - l'énergie liée à l'arrangement des atomes et des molécules dans une structure est l'énergie potentielle chimique. L'énergie chimique possédée par une substance en raison du potentiel qu'elle doit subir un changement chimique en participant à une réaction chimique est l'énergie potentielle chimique de la substance. Lorsque du carburant est utilisé, par exemple, l'énergie chimique stockée dans le carburant est convertie pour produire de la chaleur.
  • Énergie potentielle électrique - l'énergie possédée par un objet en raison de sa charge électrique est l'énergie potentielle électrique. Il existe deux types - l'énergie potentielle électrostatique et l'énergie potentielle électrodynamique ou l'énergie potentielle magnétique.
  • Énergie potentielle nucléaire - l'énergie potentielle possédée par les particules (neutrons, protons) à l'intérieur d'un noyau atomique est l'énergie potentielle nucléaire. Par exemple, la fusion de l'hydrogène au soleil convertit l'énergie potentielle stockée dans la matière solaire en énergie lumineuse.

Applications

  • Les montagnes russes dans un parc d'attractions commencent par la conversion de l'énergie cinétique en énergie potentielle gravitationnelle.
  • L'énergie potentielle gravitationnelle maintient les planètes en orbite autour du soleil.
  • Les projectiles sont lancés par un trébuchet utilisant l'énergie potentielle gravitationnelle.
  • Dans les vaisseaux spatiaux, l'énergie chimique est utilisée pour le décollage, après quoi l'énergie cinétique est augmentée pour atteindre la vitesse orbitale. L'énergie cinétique acquise reste constante en orbite.
  • L'énergie cinétique donnée pour repérer une balle dans un jeu de billard est transférée à d'autres balles par des collisions.

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