Tous les étudiants en physique ont du potentiel, c'est-à-dire de l'énergie potentielle. Mais ceux qui prendront le temps de déterminer ce que cela signifie en termes de physique aurontplus de potentield'affecter le monde qui les entoure que ceux qui ne le font pas. À tout le moins, ils pourront répondre en connaissance de cause à un adulte lancinant avec un mème Internet: "Je ne suis pas paresseux, je déborde d'énergie potentielle."
Qu'est-ce que l'énergie potentielle?
Le concept d'énergie potentielle peut sembler déroutant au premier abord. Mais en bref, vous pouvez considérer l'énergie potentielle comme l'énergie stockée. Il a lapotentielse transformer en mouvement et faire bouger les choses, comme une batterie qui n'est pas encore branchée ou une assiette de spaghettis qu'un coureur s'apprête à manger la veille de la course.
L'énergie potentielle est l'une des trois grandes catégories d'énergie présentes dans l'univers. Les deux autres sont l'énergie cinétique, qui est l'énergie du mouvement, et l'énergie thermique, qui est un type spécial d'énergie cinétique non réutilisable.
Sans énergie potentielle, aucune énergie ne pourrait être économisée pour une utilisation ultérieure. Heureusement, il existe beaucoup d'énergie potentielle et elle se convertit constamment entre elle-même et l'énergie cinétique, ce qui fait que des choses se produisent.
À chaque transformation, une partie de l'énergie potentielle et cinétique se transforme en énergie thermique, également appelée chaleur. Finalement, toute l'énergie de l'univers sera convertie en énergie thermique, et il subira une "mort par la chaleur", lorsqu'il n'y aura plus d'énergie potentielle. Mais jusqu'à ce lointain futur, l'énergie potentielle gardera ouvertes les possibilités d'action.
L'unité SI pour l'énergie potentielle, et tout pour l'énergie d'ailleurs, est le joule, où 1 joule = 1 (newton) (mètre).
Types et exemples d'énergie potentielle
Il existe plusieurs types d'énergie potentielle. Parmi ces formes d'énergie figurent :
Énergie potentielle mécanique :Également connue sous le nom d'énergie potentielle gravitationnelle, ou GPE, cela fait référence à l'énergie stockée par unposition de l'objet par rapport à un champ gravitationnel, tel que celui près de la surface de la Terre.
Par exemple, un livre posé en haut d'une étagère peut tomber sous l'effet de la gravité. Plus il est élevé par rapport au sol – et donc par rapport à la Terre, source du champ gravitationnel – plus il a le potentiel de traverser une chute longue. Plus à ce sujet plus tard.
Énergie potentielle chimique :L'énergie stockée dans les liaisons moléculaires est de l'énergie chimique. Il peut être libéré et transformé en énergie cinétique en cassant des liaisons.Par conséquent, plus une molécule contient de liaisons, plus elle contient d'énergie potentielle.
Par exemple, lorsque vous mangez de la nourriture, le processus de digestion décompose les molécules de graisses, de protéines, de glucides ou d'acides aminés afin que le corps puisse utiliser cette énergie pour se déplacer. Parce que les graisses sont les plus longues de ces molécules avec le plus de liaisons entre les atomes, elles stockent le plus d'énergie.
De même, les bûches utilisées dans un feu de camp contiennent de l'énergie potentielle chimique qui est libérée lorsqu'elles sont brûlées et les liaisons entre les molécules du bois sont rompues. Tout ce qui nécessite une réaction chimique pour « partir » – y compris l'utilisation de batteries ou la combustion d'essence dans une voiture – contient de l'énergie potentielle chimique.
Énergie potentielle élastique:Cette forme d'énergie potentielle est l'énergie stockée dans la déformation d'un objet à partir de sa forme normale. Lorsqu'un objet est étiré ou comprimé par rapport à sa forme d'origine - disons un élastique tiré ou un ressort maintenu dans une bobine serrée - il a lapotentielpour rebondir ou rebondir lorsqu'il est relâché. Ou, un coussin de canapé moelleux est pressé avec l'empreinte de quelqu'un assis dessus de sorte que, lorsqu'ils se tiennent debout, l'empreinte remonte lentement jusqu'à ce que le canapé ressemble à ce qu'il était avant de s'asseoir.
Énergie potentielle nucléaire :Une grande partie de l'énergie potentielle est stockée par les forces nucléaires qui maintiennent les atomes ensemble. Par exemple, la force nucléaire forte à l'intérieur d'un noyau qui maintient les protons et les neutrons en place. C'est pourquoi il est si difficile de diviser les atomes, un processus qui ne se produit que dans les réacteurs nucléaires, les accélérateurs de particules, les centres des étoiles ou d'autres situations à haute énergie.
A ne pas confondre avec l'énergie potentielle chimique, l'énergie potentielle nucléaire est stockéeà l'intérieur des atomes individuels. Comme leur nom l'indique, les bombes atomiques représentent l'une des utilisations les plus agressives de l'énergie nucléaire potentielle par l'humanité.
Énergie potentielle électrique :Cette énergie est stockée en maintenant des charges électriques dans une configuration particulière. Par exemple, lorsqu'un pull qui a beaucoup de charges négatives accumulées est amené à proximité d'un objet positif ou neutre, il a lepotentielprovoquer un mouvement en attirant des charges positives et en repoussant d'autres charges négatives.
Toute particule chargée maintenue en place dans un champ électrique possède également une énergie potentielle électrique. Cet exemple est analogue à l'énergie potentielle gravitationnelle en ce que la position de la charge par rapport au champ électrique est ce qui détermine sa quantité d'énergie potentielle, tout comme la position d'un objet par rapport au champ gravitationnel détermine son GPE.
Formule d'énergie potentielle gravitationnelle
L'énergie potentielle gravitationnelle, ou GPE, est l'un des rares types d'énergie pour laquelle les étudiants en physique du secondaire effectuent généralement des calculs (les autres sont l'énergie cinétique linéaire et rotationnelle). Il résulte de la force gravitationnelle. Les variables qui affectent la quantité de GPE d'un objet sont la massem,l'accélération due à la pesanteurg, et hauteurh.
GPE=mgh
Où GPE est mesuré en joules (J), masse en kilogrammes (kg), accélération due à la gravité en mètres par seconde par seconde (m/s2) et la hauteur en mètres (m).
Notez que sur Terre,gest traité comme toujours égal à 9,8 m/s2. Dans d'autres endroits où la Terre n'est pas la source locale d'accélération gravitationnelle, comme sur d'autres planètes,ga d'autres valeurs.
La formule du GPE implique que plus un objet est massif ou plus il est placé haut, plus il contient d'énergie potentielle. Cela explique à son tour pourquoi un sou tombé du haut d'un immeuble ira beaucoup plus vite en bas qu'un centime tombé de la poche d'une personne juste au-dessus du trottoir. (C'est aussi une illustration de la conservation de l'énergie: lorsque l'objet tombe, son énergie potentielle diminue, donc son énergie cinétique doit augmenter de la même quantité pour que l'énergie totale reste constant.)
Commencer à une hauteur plus élevée signifie que le centime accélérera vers le bas sur une plus longue distance, ce qui entraînera une vitesse plus rapide à la fin du voyage. Ou, pour continuer à se déplacer sur une plus longue distance, le centime sur le toit doit avoir commencé avec plus d'énergie potentielle, ce que la formule du GPE quantifie.
Exemple du GPE
Classez les objets suivants de l'énergie potentielle gravitationnelle la plus élevée à la moins élevée :
- Une femme de 50 kg en haut d'une échelle de 3 m
- Un carton de déménagement de 30 kg en haut d'un palier de 10 m
- Une barre de 250 kg maintenue à 0,5 m au-dessus de la tête d'un haltérophile
Pour les comparer, calculez GPE pour chaque situation en utilisant la formule GPE = mgh.
- Femme GPE = (55 kg) (9,8 m/s2)(3 m) = 1 617 J
- Caisse de déménagement GPE = (30 kg) (9,8 m/s2)(10 m) = 2 940 J
- Barbell GPE = (250 kg) (9,8 m/s2)(0,5 m) = 1 470 J
Ainsi, du plus au moins GPE, l'ordre est le suivant: boîte de déménagement, femme, haltère.
Notez que, mathématiquement, puisque tous les objets étaient sur Terre et avaient la même valeur pourg, laisser ce nombre de côté donnerait toujours le bon ordre (mais le fairene pasdonner les quantités réelles d'énergie en joules !).
Considérez plutôt que la boîte en mouvement était sur Mars au lieu de la Terre. Sur Mars, l'accélération due à la gravité est environ un tiers de ce qu'elle est sur Terre. Cela signifie que la boîte mobile aurait environ un tiers de la quantité de GPE sur Mars à 10 m de haut, soit 980 J.