Objectifs

• Connaître les notions d'énergie cinétique et d'énergie potentielle gravitationnelle
• Écrire le bilan énergétique et distinguer énergie mécanique et énergie dissipée
• Comprendre les effets des forces non conservatives (frottement, résistance de l'air)
• Analyser des situations simples et effectuer des calculs (niveau 1ère)

Notions clés

• E_k = 1/2 · m · v^2
• E_p = m · g · h
• E_mech = E_k + E_p
• Travail des forces : W = F · d
• Forces non conservatives : frottement f_fric = μ_k N, résistance de l'air
• Énergie dissipée : E_diss = énergie mécanique perdue et transformée en chaleur

Bilan énergétique

Pour une trajectoire ou un mouvement, le bilan énergétique s’écrit :

E_mech_final = E_mech_initial + W_nc

où W_nc est le travail des forces non conservatives (frottement, résistance de l'air).

Exemple: bloc de masse m qui démarre à vitesse v0 sur une surface horizontale rugueuse et qui s’arrête après une distance d. Alors :

E_k_initial = 1/2 m v0^2 ; E_mech_initial = E_k_initial

À la fin: E_k_final = 0, E_mech_final ≈ 0 ; W_fric = - μ_k m g d ; E_k_final = E_k_initial + W_fric

Dissipation et frottement

La dissipation est le transfert d’énergie mécanique vers d’autres formes (principalement chaleur) sous l’action des forces non conservatives :

• Frottement mécanique : travail W_frot = -f_k d (f_k = μ_k N, N = m g)
• Résistance de l’air : traînée proportionnelle à v^2 ou v
• Déformations inélastiques et chaleur

Exercices rapides

1. Un bloc de masse 2 kg glisse sur une surface horizontale rugueuse avec μ_k = 0,3. S’il démarre avec v0 = 3 m/s et parcourt 5 m avant de s’arrêter, calculez : a) l’énergie cinétique initiale, b) le travail de friction, c) l’énergie dissipée.
2. Expliquez pourquoi l’énergie mécanique diminue sans que la vitesse soit nulle en présence de friction.

Conclusion

Le bilan énergétique relie les grandeurs mécaniques et les notions de dissipation. Dans les phénomènes mécaniques quotidiens, la perte d’énergie sous forme de chaleur illustre la seconde loi de la thermodynamique à l’échelle locale et l’importance de bien distinguer énergie mécanique et énergie dissipée.