ÉNERGIE POTENTIELLE: CARACTÉRISTIQUES, TYPES, CALCUL ET EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

L' énergie potentielle est l'énergie qui corps sous sa propre configuration. Lorsque les objets interagissent, il existe entre eux des forces capables de faire un travail, et cette capacité à faire du travail, qui est stockée dans leur agencement, peut être traduite en énergie.

Par exemple, les humains ont exploité l'énergie potentielle des chutes d'eau depuis des temps immémoriaux, d'abord dans les filatures, puis dans les centrales hydroélectriques.

Niagara Falls: un immense réservoir d'énergie potentielle gravitationnelle. Source: Pixabay.

D'autre part, de nombreux matériaux ont une capacité remarquable à travailler en se déformant puis en revenant à leur taille d'origine. Et dans d'autres circonstances, la disposition de la charge électrique permet le stockage de l'énergie potentielle électrique, comme par exemple dans un condensateur.

L'énergie potentielle offre de nombreuses possibilités pour se transformer en d'autres formes d'énergie utilisable, d'où l'importance de connaître les lois qui la régissent.

Origine de l'énergie potentielle

L'énergie potentielle d'un objet a son origine dans les forces qui l'affectent. Cependant, l'énergie potentielle est une quantité scalaire, tandis que les forces sont vectorielles. Par conséquent, pour spécifier l'énergie potentielle, il suffit d'indiquer sa valeur numérique et les unités sélectionnées.

Une autre qualité importante est le type de force avec laquelle l'énergie potentielle peut être stockée, car toutes les forces n'ont pas cette vertu. Seules les forces conservatrices stockent l'énergie potentielle dans les systèmes sur lesquels elles agissent.

Une force conservatrice est une force pour laquelle le travail ne dépend pas du chemin suivi par l'objet, mais uniquement du point de départ et du point d'arrivée. La force qui pousse l'eau qui tombe est la gravité, qui est une force conservatrice.

D'autre part, les forces élastiques et électrostatiques ont également cette qualité, donc une énergie potentielle leur est associée.

Les forces qui ne satisfont pas à l'exigence susmentionnée sont dites non conservatrices; Des exemples en sont le frottement et la résistance à l'air.

Types d'énergie potentielle

Puisque l'énergie potentielle dérive toujours de forces conservatrices telles que celles déjà mentionnées, nous parlons d'énergie potentielle gravitationnelle, d'énergie potentielle élastique, d'énergie potentielle électrostatique, d'énergie potentielle nucléaire et d'énergie potentielle chimique.

Énergie potentielle gravitationnelle

Tout objet a une énergie potentielle en fonction de sa hauteur par rapport au sol. Ce fait apparemment simple illustre pourquoi les chutes d'eau peuvent entraîner des turbines et éventuellement être transformées en énergie électrique. L'exemple de skieur montré ici montre également la relation entre le poids et la hauteur et l'énergie potentielle gravitationnelle.

Un autre exemple est une voiture de montagnes russes, qui a une énergie potentielle plus élevée lorsqu'elle est à une certaine hauteur au-dessus du sol. Une fois qu'il a atteint le niveau du sol, sa hauteur est égale à zéro et toute son énergie potentielle a été transformée en énergie cinétique (énergie de mouvement).

L'animation montre l'échange entre l'énergie potentielle gravitationnelle et l'énergie cinétique, d'un objet se déplaçant sur des montagnes russes. La somme des deux énergies, appelée énergie mécanique, est constante tout au long du mouvement. Source: Wikimedia Commons.

Énergie potentielle élastique

Les objets tels que les ressorts, les arcs, les arbalètes et les élastiques sont capables de stocker de l'énergie potentielle élastique.

En tirant l'arc, l'archer effectue un travail qui est stocké comme énergie potentielle du système arc-flèche. Lorsque vous relâchez l'arc, cette énergie se transforme en mouvement de la flèche. Source: Pixabay.

L'élasticité d'un corps ou d'un matériau est décrite par la loi de Hooke (jusqu'à certaines limites), qui nous dit que la force capable d'exercer lorsqu'il est comprimé ou étiré est proportionnelle à sa déformation.

Par exemple dans le cas d'un ressort ou d'un ressort, cela signifie que plus il rétrécit ou s'étire, plus l'effort qu'il peut exercer sur un objet placé à une extrémité est important.

Énergie potentielle électrostatique

C'est l'énergie que possèdent les charges électriques en raison de leur configuration. Les charges électriques du même signe se repoussent, donc pour placer une paire de charges positives ou négatives dans une certaine position, un agent externe doit travailler. Sinon, ils auraient tendance à se séparer.

Ce travail est stocké de la manière dont les charges ont été localisées. Plus les charges du même signe sont proches, plus l'énergie potentielle de la configuration sera élevée. Le contraire se produit lorsqu'il s'agit de nombreux signes différents; Comme ils s'attirent, plus ils sont proches, moins ils ont d'énergie potentielle.

Énergie potentielle nucléaire

Représentation approximative de l'atome d'hélium. Dans le noyau, les protons sont représentés en rouge et les neutrons en bleu.

Le noyau atomique est composé de protons et de neutrons, appelés génériquement nucléons. Les premiers ont une charge électrique positive et les seconds sont neutres.

Puisqu'elles sont agglomérées dans un espace minuscule au-delà de l'imagination, et sachant que des charges d'un même signe se repoussent, on se demande comment le noyau atomique reste cohésif.

La réponse réside dans d'autres forces que la répulsion électrostatique, caractéristiques du noyau, telles que l'interaction nucléaire forte et l'interaction nucléaire faible. Ce sont des forces très fortes, dépassant de loin la force électrostatique.

Énergie potentielle chimique

Cette forme d'énergie potentielle provient de la façon dont les atomes et les molécules des substances sont disposés, selon les différents types de liaisons chimiques.

Lorsqu'une réaction chimique a lieu, cette énergie peut être transformée en d'autres types, par exemple au moyen d'une cellule ou d'une batterie électrique.

Exemples d'énergie potentielle

L'énergie potentielle est présente dans la vie quotidienne de plusieurs manières. Observer ses effets est aussi simple que de placer n'importe quel objet à une certaine hauteur et d'être certain qu'il peut rouler ou tomber à tout moment.

Voici quelques manifestations des types d'énergie potentielle précédemment décrits:

-Montagnes russes

-Voitures ou balles roulant en descente

-Arcs et flèches

-Piles électriques

-Une horloge à pendule

Lorsque l'une des sphères aux extrémités est mise en mouvement, le mouvement est transmis aux autres. Source: Pixabay.

-Swinging sur une balançoire

-Sauter sur un trampoline

-Utilisez un stylo rétractable.

Voir: exemples d'énergie potentielle.

Calcul de l'énergie potentielle

L'énergie potentielle dépend du travail effectué par la force et cela à son tour ne dépend pas de la trajectoire, on peut donc affirmer que:

-Si A et B sont deux points, le travail W _AB nécessaire pour aller de A à B est égal au travail nécessaire pour passer de B à A. Donc: W _AB = W _BA, donc:

-Et si deux trajectoires différentes 1 et 2 sont essayées pour joindre lesdits points A et B, le travail effectué dans les deux cas est également le même:

W ₁ = W ₂.

Dans les deux cas, l'objet subit un changement d'énergie potentielle:

Eh bien, l'énergie potentielle de l'objet est définie comme le négatif du travail effectué par la force (conservatrice):

Mais puisque le travail est défini par cette intégrale:

:

Notez que les unités d'énergie potentielle sont les mêmes que celles de travail. Dans le système international SI, l'unité est le joule, qui est abrégé J et est égal à 1 newton x mètre, par le physicien anglais James Joule (1818-1889).

Les autres unités d'énergie comprennent l'erg cgs, la livre-force x pied, le BTU (British Thermal Unit), les calories et le kilowattheure.

Voyons ci-dessous quelques cas particuliers de calcul de l'énergie potentielle.

Calcul de l'énergie potentielle gravitationnelle

Au voisinage de la surface terrestre, la force de gravité pointe verticalement vers le bas et sa grandeur est donnée par l'équation Poids = masse x gravité.

En désignant l'axe vertical par la lettre «y» et en affectant à cette direction le vecteur unitaire j, positif vers le haut et négatif vers le bas, le changement d'énergie potentielle lorsqu'un corps se déplace de y = y _A à y = et _B est:

Calcul de l'énergie potentielle élastique

La loi de Hooke nous dit que la force est proportionnelle à la déformation:

Ici, x est la déformation et k est une constante propre du ressort, indiquant sa rigidité. Par cette expression, l'énergie potentielle élastique est calculée, en tenant compte du fait que i est le vecteur unitaire dans la direction horizontale:

Calcul de l'énergie potentielle électrostatique

Lorsque vous avez une charge électrique ponctuelle Q, elle produit un champ électrique qui perçoit une autre charge ponctuelle q, et qui agit sur elle lorsqu'elle est déplacée d'une position à une autre au milieu du champ. La force électrostatique entre deux charges ponctuelles a une direction radiale, symbolisée par le vecteur unitaire r:

Figure par exemple 1. Source: F. Zapata.

Solution

Lorsque le bloc est à une hauteur h _A par rapport au sol, il a une énergie potentielle gravitationnelle due à sa hauteur. Lorsqu'elle est libérée, cette énergie potentielle est progressivement convertie en énergie cinétique, et à mesure qu'elle glisse le long de la rampe courbe lisse, sa vitesse augmente.

Pendant le trajet de A à B, les équations du mouvement rectiligne uniformément varié ne peuvent pas être appliquées. Bien que la gravité soit responsable du mouvement du bloc, le mouvement qu'il subit est plus complexe, car la trajectoire n'est pas rectiligne.

Conservation de l'énergie dans le chemin AB

Cependant, comme la gravité est une force conservatrice et qu'il n'y a pas de frottement sur la rampe, vous pouvez utiliser la conservation de l'énergie mécanique pour trouver la vitesse à la fin de la rampe:

L'expression est simplifiée en notant que la masse apparaît dans chaque terme. Il est libéré du repos v _A = 0. Et h _B est au niveau du sol, h _B = 0. Avec ces simplifications, l'expression se réduit à:

Travail effectué par frottement dans la section BC

Maintenant le bloc commence son parcours dans la section brute avec cette vitesse et s'arrête finalement au point C. Par conséquent v _C = 0. L'énergie mécanique n'est plus conservée, car le frottement est une force dissipative, ce qui a fait un travailler sur le bloc donné par:

Ce travail a un signe négatif, car le frottement cinétique ralentit l'objet, s'opposant à son mouvement. L'amplitude du frottement cinétique f _k est:

Où N est la grandeur de la force normale. La force normale est exercée par la surface sur le bloc, et comme la surface est complètement horizontale, elle équilibre le poids P = mg, donc la grandeur de la normale est:

Qui conduit à:

Le travail que f _k fait sur le bloc est: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D.

Calcul du changement d'énergie mécanique

Ce travail équivaut au changement d'énergie mécanique, calculé comme ceci:

Dans cette équation, certains termes disparaissent: K _C = 0, puisque le bloc s'arrête en C et U _C = U _B disparaissent également, puisque ces points sont au niveau du sol. La simplification se traduit par:

La masse s'annule à nouveau et D peut être obtenu comme suit:

Références

1. Bauer, W. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 2. Dynamique. Edité par Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6e. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire et physique moderne. 14e. Ed. Volume 1-2.