Dernière mise à jour : 06 septembre 2024

La deuxième équation essentielle en physique : L'intuition d'une grandeur qui se conserve

La deuxième équation de la physique — Dans un système isolé, l’énergie ne se perd pas, elle se transforme. Cette photographie illustre ce principe fondamental de la physique : l’énergie mécanique totale (Emec), exprimée en joules, est la somme de l’énergie cinétique (Ec) et de l’énergie potentielle (Ep). L’objet en mouvement — ici une personne sur une balançoire — incarne cette équation : au point le plus haut, l’énergie potentielle domine ; au point le plus bas, c’est l’énergie cinétique qui l’emporte. Le mouvement devient alors une danse entre hauteur et vitesse, entre gravité et inertie, révélant l’élégance invisible des lois naturelles.
Source image : astronoo.com

Principe de conservation de l'énergie mécanique

Le concept d'énergie, tel que nous le comprenons aujourd'hui, a évolué au fil des siècles. Il a longtemps été confondu avec la force et la puissance.
Le mot 'énergie' apparait en 1717 dans une lettre écrite par Jean Bernoulli (1667-1748) pour définir le travail mécanique. Cependant, il faudra attendre le milieu du 19è siècle pour que le principe de conservation de l'énergie soit établi. C'est Max Plank (1858-1947) qui a compris la portée essentielle de cette loi dans son livre de 1887, "Le principe de conservation d'énergie".
L'idée centrale est que l'énergie est une constante de l'univers, qu'elle ne peut être créée ou détruite, mais qu'elle adopte différentes formes au cours du temps.

La deuxième équation essentielle en physique, souvent enseignée juste après la deuxième loi de Newton, est l'équation de la conservation de l'énergie mécanique dans un système isolé.

E_méc = E_c + E_p = constante

• E_méc est l'énergie mécanique totale du système en Joule.

• E_c = ½ mv² est l'énergie cinétique, où m est la masse de l'objet et v sa vitesse. Les contributions de Jean le Rond d'Alembert (1717-1783) et d'autres scientifiques, tels que Daniel Bernoulli (1700-1782), ont été cruciales pour le développement de cette formule.

• E_p = mgh est l'énergie potentielle, qui dépend de la nature du champ de force considéré (gravitationnel, élastique, etc.), où h est la hauteur par rapport à un point de référence et g est l'accélération due à la gravité (9,806 65 m/s2). Cette formule est associée aux travaux de Isaac Newton (1643-1727).

Que nous dit E_méc = E_c + E_p ?

L'énergie potentielle peut être convertie en énergie cinétique et vice versa. Par exemple, un objet qui tombe transforme son énergie potentielle gravitationnelle (mgh) en énergie cinétique (½ mv²). Étant donné que l'énergie se conserve, E_c + E_p = constante.
C'est le joule qui a été choisi pour mesurer les différents types d'énergie.

Cette équation est cruciale car elle exprime le principe de conservation de l'énergie, l'un des principes les plus fondamentaux de la physique. Elle montre que, dans un système isolé (sans échange d'énergie avec l'extérieur), l'énergie totale reste constante, même si elle peut se transformer d'une forme à une autre (par exemple, de l'énergie potentielle en énergie cinétique et vice versa).
James Prescott Joule (1818-1889) a joué un rôle crucial dans l'établissement de ce principe, avec ses expériences sur la conservation de l'énergie thermique et mécanique.

Pourquoi utiliser le Joule ?

Pour mesurer une quantité d'énergie, le joule est l'unité la plus appropriée. Il nous donne une "photographie" de l'énergie présente dans un système. Par exemple, l'énergie stockée par un barrage en raison de sa position dans le champ de gravitation (E_p = mgh) est une quantité d'énergie bien que l'eau soit au repos.
En combinant les informations sur la masse, la hauteur, et l'accélération due à la gravité, on peut calculer l'énergie potentielle gravitationnelle stockée. Cette énergie représente le potentiel énergétique de l'eau pour effectuer du travail (comme faire tourner une turbine) lorsqu'elle descend sous l'effet de la gravité.
L'utilisation du Joule permet d'unifier la mesure de différentes formes d'énergie et de simplifier les calculs en physique.

Pourquoi pas le Watt ?

Le watt qui est une unité très courante, notamment en électricité, ne mesure pas la même chose que le joule.
C'est l'unité de puissance.
La puissance, c'est la vitesse à laquelle l'énergie est transférée ou transformée. En d'autres termes, le watt mesure la quantité d'énergie par unité de temps. Par exemple, 1 kilowatt-heure.

L'énergie est une quantité, la puissance un débit.
Par exemple, dans un tuyau d'eau, le débit d'eau (en litres par seconde) correspond à la puissance, tandis que la quantité totale d'eau qui sort du tuyau (en litres) correspond à l'énergie.

1 watt correspond à 1 joule par seconde. Une ampoule de 100 watts consomme 100 joules d'énergie électrique chaque seconde.