Travail et Énergie

Force & Lois de Newton ont répondu pourquoi les choses bougent ; cette leçon demande combien de travail a été accompli et à quelle vitesse. Là où Vitesse & Mouvement mesuraient la rapidité avec laquelle la position change, ici nous mesurons combien de travail une force effectue et à quelle vitesse elle l'effectue.

Travail : force multipliée par distance

Pousser un objet sur une distance dans la direction de la force est ce que la physique appelle faire un travail :

$W = F \times s$

mesuré en joules (J). Attention aux mots "dans la direction" : en portant un sac de courses en marchant, votre bras tire vers le haut tandis que le sac se déplace horizontalement — le bras ne fait aucun travail sur le sac.

Exemple résolu : traîner une boîte

En traînant une boîte de 3 m le long du sol avec une force horizontale de 50 N : $W = F \times s = 50 \times 3 = 150$ J. Avec seulement 25 N de force sur les mêmes 3 m, le travail est de $25 \times 3 = 75$ J — moitié moins de force, moitié moins de travail.

Énergie cinétique et potentielle

L'énergie se présente sous deux formes les plus familières :

Énergie cinétique : l'énergie du mouvement, qui augmente avec la vitesse et la masse : $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ ;
Énergie potentielle : l'énergie stockée par la position. Soulevez un objet et il stocke de l'énergie potentielle gravitationnelle :

$E_p = mgh$

Exemple résolu : une balle soulevée

En soulevant une balle de 2 kg à une hauteur de 5 m (avec g = 9,8 N/kg) : $E_p = mgh = 2 \times 9,8 \times 5 = 98$ J. Ces 98 J sont exactement le travail que vous avez effectué — et l'énergie que la balle stocke maintenant.

Conservation : la forme change, le total ne change pas

Lâchez la balle. Elle perd de la hauteur, donc l'énergie potentielle diminue ; elle gagne de la vitesse, donc l'énergie cinétique augmente. La diminution d'un côté égale l'augmentation de l'autre — un instant avant l'atterrissage, les 98 J d'énergie potentielle se sont transformés en énergie cinétique (en ignorant la résistance de l'air). L'énergie n'apparaît ni ne disparaît jamais de rien ; elle change seulement de forme, et le total reste fixe. C'est la conservation de l'énergie : un grand livre qui n'autorise aucune dette, avec chaque écriture bien visible.

Puissance : à quelle vitesse le travail est effectué

Deux personnes font chacune 600 J de travail ; l'une termine en 20 secondes, l'autre a besoin de 10 minutes. Qui travaille plus ? La puissance mesure le rythme du travail :

$P = \frac{W}{t}$

mesurée en watts (W), où 1 W = 1 J/s.

Exemple résolu : puissance

600 J de travail effectué en 20 secondes : $P = 600 \div 20 = 30$ W. Une ampoule de 40 W convertit 40 J d'énergie électrique en lumière et chaleur chaque seconde ; un cuiseur à riz de plusieurs centaines de watts convertit l'énergie beaucoup plus rapidement.

Quiz rapide

0 / 3 correct0 / 3 correct

1. Une force de 50 N pousse un objet de 3 m dans sa direction. Quel est le travail effectué ?
2. Une balle de 2 kg est soulevée à une hauteur de 5 m (g = 9,8). Quelle quantité d'énergie potentielle est stockée ?
3. 600 J de travail est effectué en 20 secondes. Quelle est la puissance ?