Vitesse et énergie cinétique
Vitesse et énergie cinétique
I. Vitesse
La vitesse est la distance parcourue en une seconde. Pour calculer une vitesse à partir d’une distance et d’une durée on fait le calcul suivant : $vitesse = \dfrac{distance}{durée}$. On peut aussi écrire cette formule de la manière suivante : $v = \dfrac{d}{Δt}$.
La distance $d$ s’exprime en $m,$ la durée $Δt$ s’exprime en $s,$ et la vitesse doit s’exprimer en $m/s.$ Parfois, on peut écrire cette formule sous cette forme : $ v = \dfrac{d}{t}$. Plusieurs formules peuvent être utilisées mais la signification reste la même.
Exemple
On parcourt une distance de 1 m en 3 min. La durée est en minutes donc il faut la convertir en secondes : 1 min = 60 s. Donc on obtient en faisant le calcul : $v = \dfrac {1}{3\times 60} = 0,006 m/s$.
Pour la vitesse des véhicules, on utilise beaucoup les km/h, donc il faut retenir la manière de convertir les km/h en m/s et inversement. Pour passer des km/h aux m/s, il faut diviser par $3,6$ et pour passer des m/s aux km/h, il faut multiplier par $3,6.$
II. Énergie cinétique
Elle est proportionnelle à la vitesse de l’objet et à sa masse au carré. On a donc la formule suivante, que l’on doit connaître : $E_c = \dfrac{1}{2} \times m \times v^2$. La masse doit être exprimée en kg, la vitesse en m/s et l’énergie est alors en Joules (J).
Exemples
Si on a une voiture de masse m = 1t qui roule à 90km/h, pour calculer l’énergie cinétique, il faut convertir les tonnes en kilogrammes. 1 tonne vaut 1000 kilogrammes. Il faut convertir aussi les km/h en m/s. 90km/h = $\dfrac{90}{3,6} = 25m/s$.
On remplace ensuite dans la formule : $E_c = 0,5 \times 1000 \times 25^2 = 312500 J$.
Si on multiplie la vitesse par $3,$ on peut se demander de combien est multipliée l’énergie cinétique ? L’énergie cinétique n’est pas multipliée par $3$ mais par $3^2$ et donc multipliée par $9.$ Il faut savoir répondre à ce genre de questions.
Énergie cinétique et potentielle
Comment évolue l’énergie cinétique et l’énergie potentielle au cours d’un mouvement de chute ?
I. Énergie cinétique
C’est une forme d’énergie liée au mouvement et proportionnelle à la vitesse. On la note Ec et elle s’exprime, comme toutes les énergies, en joules (J).
II. Énergie potentielle
C’est une forme d’énergie liée à l’altitude. Plus l’altitude est importante, plus on est en hauteur et plus l’énergie potentielle est importante. Elle se note Ep et elle s’exprime, comme toutes les formes d’énergie, en joule (J).
III. Énergie cinétique et potentielle lors d’une chute
On représente la chute d’une pomme. Elle passe de la position 1 à la position 3.
Position 1 : La vitesse de la pomme en train de tomber est nulle donc son énergie cinétique est nulle. Par contre, son altitude est importante par rapport à l’altitude des autres positions. Donc, l’énergie potentielle représentée sur un diagramme bâton est importante.
Position 2 : Ensuite, la pomme continue à chuter donc l’énergie cinétique augmente puisque la vitesse de la pomme augmente. Et, elle perd de l’altitude donc l’énergie potentielle diminue entre la position 1 et la position 2.
Position 3 : Juste avant de rejoindre le sol, l’énergie cinétique est maximale, elle est égale à l’énergie potentielle présente au départ. L’énergie potentielle est nulle puisqu’on a quasiment atteint le sol, qui est considéré comme la référence pour l’énergie potentielle.
On peut aussi tracer l’énergie cinétique et l’énergie potentielle en fonction du temps dans un mouvement de chute. On utilise les axes tracés ici (énergies en fonction du temps). On trace l’énergie cinétique en rouge, elle augmente au cours du temps. L’énergie potentielle part d’une valeur maximale et diminue au cours du temps. Lors de la conversion de l’énergie potentielle en énergie cinétique pendant le mouvement de chute, on dit que l’énergie se conserve. C’est le cas lorsqu’il n’y a pas d’autres formes d’énergie mises en jeu dans les mouvements.
Énergie nucléaire
L’énergie nucléaire est liée aux transformations du noyau de l’atome.
I. Atome
Pour rappel, un atome est constitué d’un noyau, et d’électrons en mouvements autour du noyau. Dans le noyau de l’atome, on trouve deux types de particules : des neutrons (bleus) et des protons (rouges) (les électrons étant représentés en jaune par un cercle avec un moins à l’intérieur).
II. Fusion et fission
Ce qui nous intéresse ce sont les transformations du noyau de l’atome, c’est-à-dire, le centre de l’atome. Par exemple, comme transformation, on peut avoir la fusion ou la fission nucléaire.
Fission nucléaire : « Fissionner » veut dire « casser ». On a un neutron qui va casser le noyau d’un atome assez lourd, gros. On obtient des noyaux d’atome plus petits mais aussi des neutrons.
Fusion nucléaire : C’est lorsqu’on a deux petits noyaux d’atomes, qui vont s’unir pour donner un noyau d’atome plus gros, et d’autres neutrons.
III. Étoiles
Les étoiles, comme le Soleil, ont pour origine l’énergie nucléaire. Dans les étoiles, on a une transformation d’énergie nucléaire en énergies lumineuse et thermique. Elles utilisent la fusion nucléaire.
IV. Centrales
Dans les centrales nucléaires, on utilise la fission nucléaire de l’uranium la plupart du temps. La fission de l’uranium dégage de l’énergie thermique : on a de l’énergie nucléaire convertie en énergie thermique. Cette énergie thermique met en mouvement une turbine. L’énergie thermique est convertie en énergie cinétique. Ce mouvement est converti en électricité dans l’alternateur donc on a conversion d’énergie cinétique en énergie électrique. L’avantage d’une centrale nucléaire c’est qu’à quantité égale, elle produit beaucoup plus d’énergie que les autres transformations. Mais l’inconvénient est que l’on utilise l’uranium qui est une source d’énergie non renouvelable et en plus de cela, les centrales nucléaires produisent des déchets radioactifs que l’on ne sait pas bien traiter aujourd’hui.