Formes d'énergie : cinétique, potentielle, thermique

Les prérequis (rien de méchant)

Avant de commencer, trois mots de vocabulaire suffisent, et tu les connais déjà :

• Mouvement : un objet qui bouge, qui roule, qui tombe.
• Hauteur : la distance au-dessus d'une référence (le sol, une table).
• Température : ce qui dit si un corps est chaud ou froid.

Un dernier point : l'énergie se mesure en joules, dont le symbole est $\text{J}$. C'est son unité, comme le mètre pour les longueurs.

L'essentiel en une minute

L'énergie, c'est la capacité d'un objet à produire un effet : le mettre en mouvement, l'élever ou le chauffer. Au programme, tu dois connaître trois formes.

1. L'énergie cinétique $E_c$ : celle d'un objet en mouvement. Elle est d'autant plus grande que l'objet va vite et qu'il est lourd (grande masse).

2. L'énergie potentielle de pesanteur $E_p$ : celle d'un objet situé en hauteur. Elle est d'autant plus grande que l'objet est haut et qu'il est lourd.

3. L'énergie thermique $E_{\text{th}}$ : celle d'un objet chaud. Elle est d'autant plus grande que la température est élevée.

À retenir absolument : toutes se mesurent en joules $(\text{J})$, et l'énergie ne disparaît jamais — elle se convertit d'une forme en une autre.

Un exemple traité en entier

Situation. Un livre est posé, immobile, sur une étagère à $2\,\text{m}$ du sol, puis il glisse et tombe. Quelle(s) forme(s) d'énergie possède-t-il ?

Étape 1 — sur l'étagère. Le livre ne bouge pas : pas d'énergie cinétique. Mais il est en hauteur : il possède de l'énergie potentielle de pesanteur $E_p$.

Étape 2 — pendant la chute. Il descend, donc il perd de la hauteur : son $E_p$ diminue. En même temps il va de plus en plus vite : son énergie cinétique $E_c$ augmente.

Étape 3 — la conclusion. L'énergie potentielle s'est convertie en énergie cinétique. Rien n'a été créé ni perdu : l'énergie a simplement changé de forme.

Réponse. Immobile en hauteur : $E_p$ seule. Pendant la chute : $E_p$ qui se transforme en $E_c$.

Ce qu'est l'énergie

Un système possède de l'énergie lorsqu'il est capable de produire un effet : mettre un objet en mouvement, le soulever, le chauffer, l'éclairer... L'énergie se mesure en joules, de symbole $\text{J}$.

Le principe le plus important du chapitre. L'énergie ne se crée pas et ne se détruit pas. Elle se convertit (elle passe) d'une forme à une autre, ou se transfère d'un objet à un autre. Quand une forme diminue, une autre augmente d'autant.

Les trois formes au programme

Énergie cinétique $E_c$ — l'énergie du mouvement. Un objet en possède dès qu'il se déplace. Elle augmente si la vitesse augmente et si la masse augmente. Un objet immobile a une énergie cinétique nulle.

Énergie potentielle de pesanteur $E_p$ — l'énergie de position en hauteur. Un objet en possède dès qu'il est situé au-dessus d'une référence (le sol). Elle augmente si la hauteur augmente et si la masse augmente. Attention : un objet immobile peut en posséder.

Énergie thermique $E_{\text{th}}$ — l'énergie liée à la température. Un corps chaud en possède plus qu'un corps froid ; elle augmente avec la température.

Le schéma ci-dessous montre comment ces formes se convertissent : par exemple lors d'une chute ($E_p \to E_c$) ou à cause des frottements ($E_c \to E_{\text{th}}$).

Méthode : reconnaître la forme d'énergie

Face à un objet, pose-toi les questions dans l'ordre.

Question 1 — Est-il en mouvement ? Si oui, il possède de l'énergie cinétique $E_c$.

Question 2 — Est-il en hauteur par rapport à une référence (sol, table) ? Si oui, il possède de l'énergie potentielle $E_p$.

Question 3 — Est-il chaud, ou y a-t-il un échauffement ? Si oui, il y a de l'énergie thermique $E_{\text{th}}$.

Point clé. Un même objet peut posséder plusieurs formes à la fois. Une balle en pleine chute possède $E_c$ (elle tombe vite) et $E_p$ (elle est encore en hauteur) : il faut alors les citer toutes les deux.

Ensemble : la voiture et le camion

Situation. Une voiture roule à $90\,\text{km/h}$. Un camion roule à la même vitesse. Compare leurs énergies, puis dis ce qui se passe quand la voiture freine.

On identifie la forme. Les deux sont en mouvement : ils possèdent de l'énergie cinétique $E_c$. (Ils ne sont ni spécialement en hauteur ni chauds, donc on ne parle ici ni de $E_p$ ni de $E_{\text{th}}$.)

On compare. À vitesse égale, c'est la masse qui départage. Le camion est bien plus lourd que la voiture : son énergie cinétique est plus grande.

On fait varier la vitesse. Si la voiture accélère, sa vitesse augmente, donc son $E_c$ augmente. Si elle freine et s'arrête, sa vitesse tombe à zéro : son $E_c$ diminue jusqu'à zéro.

Le petit plus. Où est passée cette énergie au freinage ? Dans les freins, qui chauffent : $E_c$ s'est convertie en énergie thermique $E_{\text{th}}$. Elle n'a pas disparu.

Ensemble : la pomme qui tombe

Situation. Une pomme est accrochée à une branche à $4\,\text{m}$ du sol, puis elle se détache. Décris l'énergie à chaque instant.

Avant de tomber. La pomme est immobile mais en hauteur : elle possède de l'énergie potentielle $E_p$, et son énergie cinétique est nulle.

On vérifie la règle de la hauteur. Une pomme identique accrochée à $8\,\text{m}$ aurait une $E_p$ deux fois plus grande : plus on est haut, plus $E_p$ est grande.

Pendant la chute. Elle perd de la hauteur ($E_p$ diminue) et gagne de la vitesse ($E_c$ augmente). L'énergie potentielle se convertit en énergie cinétique.

Juste avant le sol. La hauteur est presque nulle et la vitesse maximale : $E_p$ est au plus bas, $E_c$ au plus haut. La quantité totale d'énergie, elle, n'a pas changé.

Ensemble : les mains que l'on frotte

Situation. Tu frottes énergiquement tes mains l'une contre l'autre. Que se passe-t-il, du point de vue de l'énergie ?

Au départ. Tes mains bougent : ce mouvement est de l'énergie cinétique $E_c$.

Le frottement. Les deux surfaces frottent l'une contre l'autre. Ce frottement convertit l'énergie cinétique en énergie thermique $E_{\text{th}}$.

Le résultat. Tes mains chauffent : leur température monte, donc leur énergie thermique a augmenté. Le mouvement s'est transformé en chaleur.

À rapprocher. C'est exactement ce qui se passe dans les freins d'un vélo, ou quand une allumette s'enflamme en frottant. Et à l'inverse, l'eau d'une bouilloire à $80\,{}^{\circ}\text{C}$ possède plus d'énergie thermique qu'à $20\,{}^{\circ}\text{C}$, car sa température est plus haute.

Les pièges classiques (et comment les éviter)

Piège 1 — « il est immobile donc il n'a pas d'énergie ». Faux. Un objet immobile en hauteur possède de l'énergie potentielle. L'immobilité supprime seulement l'énergie cinétique, pas les autres.

Piège 2 — « la bille s'arrête, l'énergie a disparu ». Faux. L'énergie ne disparaît jamais. Quand une bille ralentit puis s'arrête à cause des frottements, son énergie cinétique s'est convertie en énergie thermique (les surfaces chauffent un peu).

Piège 3 — confondre énergie thermique et chaleur. L'énergie thermique $E_{\text{th}}$ est stockée dans un corps chaud. La chaleur est un transfert d'énergie d'un corps chaud vers un corps froid. L'une est un stock, l'autre un déplacement d'énergie.

Piège 4 — oublier une forme. Un objet peut en posséder plusieurs en même temps : cite-les toutes.

Problème résolu : le skateur sur la rampe

Énoncé. Un skateur part immobile en haut d'une rampe (point A), descend, et passe en bas (point B). Décris les conversions d'énergie, puis explique ce qui l'oblige à repousser pour continuer.

Point A, en haut. Il est immobile mais en hauteur : énergie potentielle $E_p$ grande, énergie cinétique $E_c$ nulle.

De A vers B. Il descend : la hauteur diminue donc $E_p$ diminue ; la vitesse augmente donc $E_c$ augmente. L'énergie potentielle se convertit en énergie cinétique.

Point B, en bas. Hauteur minimale, vitesse maximale : $E_c$ grande, $E_p$ petite.

Pourquoi doit-il repousser ? À cause des frottements (roues, air), une partie de l'énergie se convertit en énergie thermique $E_{\text{th}}$ à chaque instant. Cette énergie thermique n'est plus disponible pour le mouvement : sans un apport (le skateur qui pousse), il finirait par s'arrêter.

Ce que le correcteur attend. Le mot « se convertit », les formes nommées avec leur symbole ($E_p$, $E_c$, $E_{\text{th}}$), l'idée que l'énergie totale se conserve, et l'unité joule si on te demande une valeur.

Problème résolu : la balle en pleine chute

Énoncé. Au milieu de sa chute, une balle possède-t-elle une seule forme d'énergie ? Que devient son énergie quand elle finit par s'immobiliser au sol ?

Première partie. En pleine chute, la balle va vite : elle a de l'énergie cinétique $E_c$. Mais elle n'a pas encore touché le sol : elle est encore en hauteur, donc elle a aussi de l'énergie potentielle $E_p$. Réponse : deux formes en même temps, $E_c$ et $E_p$.

Deuxième partie. Quand elle s'immobilise au sol, sa vitesse est nulle ($E_c = 0$) et sa hauteur est nulle ($E_p = 0$). Pourtant l'énergie n'a pas disparu : elle s'est convertie en énergie thermique (le sol et la balle chauffent très légèrement) et en un peu d'énergie sonore (le bruit du choc).

La phrase qui fait mouche. « L'énergie n'a pas disparu, elle a changé de forme. » C'est la règle d'or du chapitre — écris-la, elle rapporte des points.

L'énergie qui fait des allers-retours : le pendule

Prends un pendule (une masse au bout d'un fil), ou pense à un grand huit. En haut de sa course, la masse s'arrête un instant : $E_p$ maximale, $E_c$ nulle. En bas, elle file à toute vitesse : $E_c$ maximale, $E_p$ minimale.

Entre les deux, l'énergie passe sans arrêt d'une forme à l'autre : $E_p \to E_c$ en descendant, $E_c \to E_p$ en remontant. La somme des deux, que l'on appellera l'énergie mécanique, resterait constante s'il n'y avait pas de frottements.

Et les frottements, justement ? Ils grignotent un peu d'énergie à chaque passage (convertie en $E_{\text{th}}$) : c'est pour cela qu'un vrai pendule finit par s'arrêter. Tu retrouveras exactement ce raisonnement dans le cours sur la conservation de l'énergie.

Bientôt, on mettra des chiffres

Cette année, tu décris l'énergie avec des mots : « plus grande », « plus petite ». Les années suivantes (en 3e, puis au lycée), tu la calculeras avec des formules. En avant-première :

L'énergie cinétique se calcule par $E_c = \frac{1}{2}\,m\,v^{2}$, où $m$ est la masse (en $\text{kg}$) et $v$ la vitesse (en $\text{m/s}$). Tu vois pourquoi la vitesse compte tant : elle est au carré ! Doubler la vitesse multiplie $E_c$ par quatre.

L'énergie potentielle de pesanteur se calcule par $E_p = m\,g\,h$, où $h$ est la hauteur (en $\text{m}$) et $g$ l'intensité de la pesanteur (environ $10\,\text{N/kg}$ sur Terre). On y lit tout de suite ce que tu sais déjà : plus la masse ou la hauteur est grande, plus $E_p$ est grande.

Rien à retenir pour le contrôle de 5e — mais si tu comprends déjà l'idée, ces formules te sembleront évidentes le moment venu.

L'énergie, fil rouge de toute la physique

Les trois formes que tu viens d'apprendre ne sont qu'un début. Il existe aussi l'énergie électrique, chimique (dans les aliments, les piles, l'essence), lumineuse, sonore... et toutes se convertissent les unes dans les autres.

Un exemple que tu croiseras : le barrage hydroélectrique. L'eau retenue en hauteur possède de l'énergie potentielle $E_p$ ; en tombant, elle gagne de l'énergie cinétique $E_c$ ; cette énergie fait tourner une turbine qui produit de l'énergie électrique. Une belle chaîne de conversions.

L'idée qui relie tout : dans l'Univers entier, l'énergie totale se conserve. On ne fait jamais que la déplacer et la transformer. C'est l'une des lois les plus profondes de la physique — et tu viens d'en poser la première pierre.