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Physique · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Travail et énergie mécanique

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Travail d'une force constante : $W_{AB}(\vec{F}) = \vec{F} \cdot \vec{AB} = F \cdot AB \cdot \cos(\alpha)$.
  • Énergie cinétique : $E_c = \frac{1}{2}mv^2$.
  • Théorème de l'énergie cinétique (TEC) : $\Delta E_c = E_{c,B} - E_{c,A} = \sum W_{AB}(\vec{F}_{ext})$.
  • Énergie potentielle de pesanteur (EPP) : $E_{pp} = mgz + C$. On choisit $C=0$ au sol ($z=0$).
  • Énergie mécanique : $E_m = E_c + E_{pp}$.
  • Conservation de l'énergie mécanique : Si le système n'est soumis qu'à des forces conservatives, $E_m = \text{constante}$.
  • Non-conservation : $\Delta E_m = \sum W_{AB}(\vec{F}_{non-cons})$, souvent dû aux frottements.

Méthodes à maîtriser

  1. Bilan des forces : Toujours identifier toutes les forces appliquées au système.
  2. Choix de l'origine : Fixer l'axe $Oz$ vers le haut et choisir le niveau de référence pour $E_{pp}$ ($z=0$).
  3. Application du TEC : Très utile pour calculer une vitesse en un point sans passer par l'accélération.
  4. Calcul de $\Delta E_m$ : Identifier les forces de frottement $\vec{f}$ et calculer leur travail $W_{AB}(\vec{f}) = -f \cdot AB$ (si frottement constant).

Exemples corrigés

  • Chute libre : Un objet tombe sans vitesse initiale. $E_{m,A} = E_{m,B} \implies mgz_A = \frac{1}{2}mv_B^2 + mgz_B$. On en déduit $v_B = \sqrt{2g(z_A - z_B)}$.
  • Plan incliné : Si un solide glisse avec frottement, $\Delta E_m = W_{AB}(\vec{f}) = -f \cdot AB$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe $(-)$ dans le travail des forces de frottement.
  • Confondre $E_c$ et $E_m$.
  • Se tromper dans l'angle $\alpha$ entre la force et le vecteur déplacement.
  • Oublier la constante $C$ dans $E_{pp}$ si le niveau de référence n'est pas $z=0$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Travail et énergie mécanique

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L'unité de l'énergie mécanique est :

❓ Questions fréquentes

Pourquoi le travail des forces de frottement est-il toujours négatif ?

Parce que la force de frottement $\vec{f}$ est toujours opposée au vecteur déplacement $\vec{AB}$. L'angle entre eux est donc de $180^\circ$. Comme $\cos(180^\circ) = -1$, le travail est toujours négatif : $W_{AB}(\vec{f}) = -f \cdot AB$.

💡 À retenir : Les frottements dissipent l'énergie mécanique en chaleur.

Kifach n7seb l'énergie mécanique f wa7d l'instant ?
  1. 7seb $E_c = \frac{1}{2}mv^2$.
  2. 7seb $E_{pp} = mgz$ (b3d ma t7dd l'origine $z=0$).
  3. Jm3hom : $E_m = E_c + E_{pp}$.

💡 À retenir : $E_m$ hiya lmjmo3 dyal tta9a l7arakia o lwad3.

Qu'est-ce qu'une force conservative ?

Une force est dite conservative si le travail qu'elle effectue ne dépend pas du chemin suivi par le point d'application, mais uniquement des positions initiale et finale. Le poids $\vec{P}$ est l'exemple classique : $W_{AB}(\vec{P}) = mg(z_A - z_B)$.

💡 À retenir : Le travail des forces conservatives est égal à la variation opposée de l'énergie potentielle : $W_{AB}(\vec{F}) = -\Delta E_p$.

Kifach n3ref wach l'énergie mécanique conservée wla la ?
  1. Chouf l9owat li khdamin 3la ljism.
  2. Ila kan ghi lwadn (le poids) li khdam, l'énergie mécanique katb9a constante.
  3. Ila kano frottements (l'i7tikak) wla chi 9owa khra (force motrice extérieure), l'énergie mécanique katghayyer.

💡 À retenir : $\Delta E_m = \sum W_{AB}(\vec{F}_{non-cons})$.

Est-ce que le travail d'une force perpendiculaire au déplacement est nul ?

Oui, absolument. Si la force $\vec{F}$ est perpendiculaire au déplacement $\vec{AB}$, alors l'angle $\alpha = 90^\circ$. Comme $\cos(90^\circ) = 0$, le travail est nul. C'est le cas de la réaction du support $\vec{R}$ lors d'un mouvement sur un plan horizontal sans frottement.

💡 À retenir : $W_{AB}(\vec{F}) = F \cdot AB \cdot \cos(90^\circ) = 0$.

Chno hiya l'énergie potentielle de pesanteur ?

Hiya tta9a li mkhbya f jism bsbab l3lo dyalo 3la lard. Kat3temd 3la lktla ($m$), l'accélération ($g$) o l3lo ($z$).

💡 À retenir : $E_{pp} = mgz$.

Le travail dépend-il du référentiel ?

Oui, le travail d'une force dépend du déplacement $\vec{AB}$. Comme le vecteur déplacement dépend du référentiel choisi (car la position dépend du référentiel), le travail est une grandeur relative. Cependant, dans le programme, on travaille presque toujours dans le référentiel terrestre.

💡 À retenir : Le travail est lié au mouvement, donc au référentiel.

Est-ce que Ec peut être négative ?

Non, jamais. $E_c = \frac{1}{2}mv^2$. La masse $m$ est toujours positive et le carré de la vitesse $v^2$ est toujours positif ou nul. Donc $E_c \geq 0$.

💡 À retenir : L'énergie cinétique est toujours positive.

Quelle est la relation entre puissance et travail ?

La puissance moyenne $P_m$ est le rapport du travail effectué sur la durée $\Delta t$ : $P_m = \frac{W_{AB}(\vec{F})}{\Delta t}$. La puissance instantanée est $P = \vec{F} \cdot \vec{v}$.

💡 À retenir : La puissance mesure la rapidité avec laquelle une force travaille.

Est-ce que le travail du poids dépend de la trajectoire ?

Non, le poids est une force conservative. Le travail du poids entre deux points A et B ne dépend que de la différence d'altitude entre ces deux points : $W_{AB}(\vec{P}) = mg(z_A - z_B)$.

💡 À retenir : Peu importe le chemin, seul le dénivelé compte.

Comment choisir le niveau de référence pour E{pp} ?

On choisit généralement le niveau de référence ($E_{pp} = 0$) au point le plus bas de la trajectoire ou au sol pour simplifier les calculs. C'est un choix arbitraire qui ne change pas la variation de l'énergie $\Delta E_{pp}$.

💡 À retenir : Le choix est libre, mais doit être cohérent tout au long de l'exercice.

Peut-on utiliser le TEC si la force n'est pas constante ?

Oui, le théorème de l'énergie cinétique est valable même si la force varie, à condition de calculer le travail de cette force sur le trajet considéré (parfois par intégration ou par des méthodes graphiques).

💡 À retenir : $\Delta E_c = \sum W$ est toujours vrai.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un solide de masse $m = 200$ g est lâché sans vitesse initiale du sommet d'un plan incliné d'un angle $\alpha = 30^\circ$ par rapport à l'horizontale. La longueur du plan est $L = 2$ m. Il n'y a pas de frottements.

  1. Calculer le travail du poids lors de la descente.
  2. Calculer la vitesse du solide à la base du plan en utilisant le théorème de l'énergie cinétique. (Donnée : $g = 10$ m/s²)
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Un bloc de masse $m = 1$ kg glisse sur une piste horizontale rugueuse. Il possède une vitesse initiale $v_A = 4$ m/s au point A. Il s'arrête au point B après avoir parcouru une distance $d = 5$ m.

  1. Calculer la variation de l'énergie cinétique entre A et B.
  2. En déduire la valeur de la force de frottement $f$ (supposée constante).
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Un pendule simple est constitué d'une bille de masse $m = 0,5$ kg suspendue à un fil de longueur $l = 1$ m. On écarte le pendule d'un angle $\theta_0 = 60^\circ$ par rapport à la verticale et on le lâche sans vitesse initiale.

  1. Exprimer l'énergie mécanique en fonction de $m, g, l$ et $\theta$.
  2. Calculer la vitesse de la bille lorsqu'elle passe par la position d'équilibre ($\theta = 0$).
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

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