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énergie potentielle

Chute libre
Chute libre

Énergie d'un système due à la position relative de ses composants.

MÉCANIQUE

1. Généralités

L’énergie potentielle est une notion fondamentale en physique, en particulier en dynamique (→ mécanique).

Comme toute énergie, l’énergie potentielle s'exprime en joules (J).

À chaque type d'interaction correspond une énergie potentielle particulière : de pesanteur, électrique, élastique, etc.

2. Énergie potentielle de pesanteur

L’énergie potentielle de pesanteur est proportionnelle à l’altitude z du corps et à l’intensité g du champ de pesanteur considéré. Elle se note Epp et est exprimée en joules (J). Cette énergie est définie par rapport à une position choisie arbitrairement servant de référence, en général le sol :

avec m en kilogrammes (kg), g en newtons par kilogramme (N•kg–1) et z en mètres (m).

3. Énergie potentielle électrique

Une particule chargée placée dans un champ électrique (→ électricité) possède une énergie potentielle électrique, notée Epe. Cette énergie dépend de la charge q de la particule et du potentiel électrique V du point où se trouve la particule :

avec q en coulombs (C) et V en volts (V).

4. Énergie potentielle élastique

L’énergie potentielle élastique est l'énergie potentielle emmagasinée dans un corps élastique (→ solide) lorsque ce dernier est compressé ou étiré par rapport à sa position naturelle. Lorsque la force comprimant ou étirant le corps élastique cesse, celui-ci tend naturellement à retourner à sa position naturelle et transforme ainsi son énergie potentielle en énergie cinétique.

Dans le cas classique d’un ressort, l’énergie potentielle élastique Epe dépend de l’allongement ou du raccourcissement du ressort, noté x, et de la constante de raideur k du ressort selon la relation :

avec k en newtons par mètre (N•m−1) et x en mètres (m).

5. Énergie potentielle et force conservative

Une force est conservative si elle dérive d’une énergie potentielle. Ceci se traduit par le fait que le travail de la force entre deux points A et B est égal à l’opposé de la variation d’énergie potentielle ΔEp entre ces deux points :

6. Loi de conservation de l’énergie

L’énergie potentielle intervient également dans la loi de conservation de l’énergie. En effet, pour un système isolé, sans interaction avec d'autres systèmes, la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique (c’est-à-dire l’énergie mécanique) est constante au cours du temps :

Ec + Ep = Em = cte

Au cours d'un mouvement, l'énergie potentielle peut se transformer en énergie cinétique et vice versa sans que leur somme ne change (exemple : pendule oscillant, sans frottements).

7. Transformations et applications

L'énergie potentielle est de l'énergie « disponible », qui peut être convertie en d'autres formes d'énergie. Ainsi, lorsqu'une balle tombe en chute libre vers le sol, à chaque instant son énergie potentielle diminue tandis que son énergie cinétique augmente.

De même, une substance explosive possède de l'énergie chimique potentielle qui est transformée en chaleur, en lumière et en énergie cinétique lors de l'explosion.

Les noyaux atomiques ont également une énergie potentielle qui peut être libérée sous une forme utilisable dans les réacteurs nucléaires (énergie nucléaire).