Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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Signets :
  Vitesse de la lumière        Les obstacles à la lumière      Polarisation de la lumière
  Éclairage et intensité lumineuse   Force, travail, puissance et énergie     Bas de page


Physique - Vitesse de la Lumière :



PHYSIQUE     "1ère PARTIE"


Dans le premier chapitre de cette leçon de physique, nous allons approfondir les connaissances que nous avons sur la lumière : comment elle se propage, à quelle vitesse, quelle est sa constitution...?

Le second, nous permettra de préciser le sens que nous devons attribuer aux termes : force - travail - puissance - énergie.

1. - LA LUMIÈRE

Ce qu'est la lumière est un problème qui a occupé l'esprit de la plupart des savants de tous les temps et qui a aussi intéressé toutes les personnes curieuses des phénomènes naturels. Plus particulièrement à partir de l'an 1 600, et pendant près de trois cents ans, les physiciens se sont demandés si la lumière était constituée de corpuscules très petits, autrement dit, si elle présentait un aspect corpusculaire, ou bien d'ondes qui se propageaient dans l'espace comme les vagues sur l'eau et le son dans l'air, c'est-à-dire si elle présentait un aspect ondulatoire.

Cela semble un problème facile à résoudre. En effet, chacun d'entre nous saurait distinguer sans trop de difficultés le mouvement d'un corpuscule allant d'un endroit à un autre, d'un mouvement ondulatoire qui se propage en s'élargissant autour de sa propre source. En réalité, il y a des raisons d'être perplexe. C'est qu'après avoir effectué diverses expériences, certaines rendaient acceptable l'idée corpusculaire, d'autres permettaient plutôt de retenir l'aspect ondulatoire.

En considérant ces deux aspects, nous pouvons comparer un faisceau de lumière traversant l'espace à une bande de phoques se déplaçant à la surface de la mer (figure 1-a).

N1

Chaque phoque représente simultanément un corpuscule de lumière et une onde lumineuse. En effet, bien que se déplaçant avec ses compagnons d'un point à l'autre de la surface de la mer, et cela en conservant une direction bien définie, il suit, là ou il se trouve, l'ondulation des vagues.

Les trois files rectilignes qui composent la bande, en se maintenant toujours en bon ordre, nous ramènent à l'idée du rayon lumineux qui, dans la figure 1-b, est représenté par une ligne droite de couleur jaune.

Cette comparaison est seulement figurative et ne peut donner aucune explication concernant la véritable nature de la lumière. Si nous désirons en savoir un peu plus, il nous faut examiner le comportement des rayons lumineux dans les cas les plus significatifs.

Nous décrirons dans cette leçon les principaux phénomènes lumineux, en nous limitant à leur observation.

Les rayons lumineux peuvent se voir en été, quand, après un orage, le soleil apparaît entre les nuages. Ils peuvent aussi se manifester lorsque pénètre dans une pièce obscure un faisceau de lumière à travers un petit trou. Ces images donnent une idée de la trajectoire du rayon lumineux et mettent en relief la propriété fondamentale suivante : La lumière se propage en ligne droite, tout au moins tant qu'elle ne rencontre pas un obstacle.

HAUT DE PAGE 1. 1. - VITESSE DE LA LUMIÈRE

Dans les espaces vides (ou presque vides) qui séparent les étoilent, il y a des torrents de lumière qui se croisent et vont dans toutes les directions, tous à la même fantastique vitesse.

Pendant longtemps, on a pensé que la lumière s'éloignait de sa source à une vitesse infinie, ce qui veut dire que l'on supposait qu'elle se propageait instantanément d'un point à l'autre de l'espace, quelle que soit la longueur du parcours. Mais cela est une erreur : la lumière met toujours un certain temps pour aller d'un point à un autre.

La vitesse de la lumière étant supposée très grande, il s'est avéré nécessaire pour mesurer ce temps, de considérer un parcours de très grande longueur. Ce sont très naturellement les astronomes les mieux placés pour disposer de tels parcours : terre-lune ; terre-soleil ;... Et ce fut effectivement l'un d'eux qui eut, le premier, l'occasion de mesurer cette vitesse. Vers la fin du XVIIème siècle, l'astronome hollandais ROEMER, qui effectuait des observations sur les mouvements de Jupiter et de quatre de ses satellites, releva que ces derniers, dans certaines conditions, avaient des retards notables par rapport à leur tableau de marche dans l'espace.

Ce fait nécessite une explication, car tous les astres, grands et petits, sont toujours très ponctuels.

ROEMER, après de nombreuses observations, réussit à déterminer avec une grande exactitude la révolution d'un satellite de la planète Jupiter. Entre outre, il sait que la terre et Jupiter tournent autour du soleil. A l'aide de ces données et en effectuant de nombreux et complexes calculs, il détermine les points où Jupiter et son satellite doivent se trouver un jour donné, à une heure et une minute précises.

ROEMER entreprend alors de vérifier par l'observation astronomique l'exactitude de ses calculs. A cette fin, il attend que la Terre et Jupiter soient en conjonction, c'est-à-dire tous deux alignés avec le soleil, La terre étant au milieu comme le montre la figure 2-a. Il note alors l'instant exact où le satellite de Jupiter entre dans la zone d'Ombre de la planète.

N2

Il calcule alors dans combien de temps les trois planètes seront alignées, mais cette fois avec le soleil au milieu (figure 2-b). La Terre et Jupiter sont alors en opposition. De plus, ses calculs lui permettent de préciser l'instant où le satellite de Jupiter disparaîtra dans le cône d'Ombre.

Ses observations l'amènent à constater, avec surprise, que la pénétration du satellite derrière sa planète s'effectue plus tard que les calculs le prévoyaient. Ce retard est de 1 000 secondes. ROEMER en cherche la cause, étant certain de l'exactitude de ses calculs et observations. Il remarque alors que la Terre, lorsqu'elle est en opposition avec Jupiter, se trouve plus éloignée de cette planète que lorsqu'elle est en conjonction. Il calcule alors que la différence des distances entre opposition et conjonction est d'environ 298 millions de kilomètres.

ROEMER explique alors le retard constaté de la manière suivante : si le parcours de la lumière envoyée par le satellite vers la Terre a été allongé de 298 millions de kilomètres et que le retard observé est de 1 000 secondes, cela signifie que ce temps est celui nécessaire à la lumière pour parcourir 298 millions de kilomètres.

En partant de ces deux nombres, il est facile de calculer la vitesse de la lumière. En effet, en divisant une distance parcourue par le temps mis à la parcourir, on obtient la vitesse. Dans notre cas, on trouve 298 000 km/s. Ainsi, ROEMER peut dire que la lumière se propage dans le vide intersidéral à la vitesse fantastique de 298 000 km / s.

Par la suite, après l'expérience de ROEMER, d'autres mesures ont été effectuées dans des conditions différentes et avec des instruments de mesure perfectionnés. On a ainsi pu établir que la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est de 299 776 km /s, soit une vitesse légèrement supérieure à celle que ROEMER avait trouvée. Pratiquement, on arrondit ce nombre à 300 000 km /s, comme cela est mentionné figure 2.

HAUT DE PAGE 1. 2. - LES OBSTACLES A LA LUMIÈRE

La lumière naît de la matière, c'est-à-dire des substances qui constituent les corps. Une simple ampoule électrique met cette affirmation en application.

Le courant électrique parcourant le fil de tungstène de l'ampoule a pour but exclusif de le chauffer jusqu'à ce que sa température soit de 3 000°C. A ce moment, le fil émet de la lumière sous forme de rayons et dans toutes les directions.

Il serait intéressant de voir comment la chaleur peut être transformée en lumière. Pour cela, il nous faudrait connaître plus à fond la structure de la matière, ce qui sera fait ultérieurement. Pour le moment, nous nous limiterons à suivre le parcours des rayons lumineux, en notant les causes qui les écartent de leur direction rectiligne naturelle ou qui en modifient la couleur.

Tout le monde peut observer ce qui se passe lorsque l'on projette un rayon de lumière colorée sur un corps blanc.

Si la lumière est rouge, le corps blanc nous paraît rouge ; si elle est jaune le corps nous paraît jaune, si elle est verte, le corps nous paraît vert et ainsi de suite.

Le blanc ne peut être perçu qu'à la lumière naturelle, qui est blanche, ou à la lumière presque blanche d'une ampoule.

Ces observations nous amènent à penser que la couleur des corps est due, au moment en partie, au type de lumière qu'ils reçoivent. Contrairement à ce qui se passe pour le corps blanc, on peut observer qu'un corps noir, mais d'un noir mat, paraît toujours noir sous n'importe quelle lumière.

La perception du noir indique l'absence de lumière. Dans une chambre totalement obscure, on peut constater que les corps blancs, noirs ou colorés sont tous noirs et ne peuvent être distingués. D'autre part, si l'on observe un corps noir successivement sous différents types de lumière, on constate qu'il ne prend jamais la couleur de la lumière qui l'éclaire.

Le corps blanc, qui se colore différemment selon le type d'éclairage, montre que les substances peuvent renvoyer les rayons qui les frappent. D'autre part, le corps noir effaçant toute trace de lumière, montre que les substances peuvent absorber les rayons qui les frappent.

Le premier phénomène, dans lequel les rayons sont renvoyés dans toutes les directions (figure 3), est appelé phénomène de diffusion de la lumière.

Le second phénomène, dans lequel les rayons sont absorbés est appelé phénomène d'absorption de la lumière.

N3

Notons que ces deux phénomènes se produisent simultanément et plus ou moins chaque fois qu'un obstacle matériel se trouve sur le trajet d'un rayon.

L'absorption et la diffusion de la lumière sont les causes principales de la coloration des corps. Elles permettent en outre de démontrer facilement que la lumière blanche est en réalité un mélange de lumières colorées.

Prenons par exemple deux objets, l'un rouge, l'autre vert. Pourquoi cette différence de couleur puisque tous les deux éclairés par la même lumière blanche ?

L'observateur voit l'objet rouge, parce que cet objet diffuse des rayons de lumière rouge ; de même l'observateur voit un autre objet vert parce que ce dernier diffuse des rayons de lumière verte. On peut penser que la matière constituant les deux corps transforme la lumière blanche en lumière rouge et en lumière verte. Ce n'est pas le cas !

La raison est que la lumière blanche est composée de lumières rouge, orange, jaune, bleue, indigo et violette, avec toutes les graduations. Ainsi, l'objet rouge présente cette couleur sous la lumière blanche parce qu'il absorbe toutes les lumières colorées constituant la lumière blanche sauf la lumière rouge qu'il diffuse autour de lui. D'une manière analogue, l'objet vert nous paraît vert parce qu'il absorbe toutes les couleurs de la lumière blanche sauf la verte qu'il diffuse autour de lui.

Il existe cependant des matières qui ne constituent pas un obstacle infranchissable au cheminement des rayons lumineux.

Considérons par exemple la figure 4-a. Le rayon arrivant sur la surface du verre, appelé rayon incident, change de direction dès qu'il pénètre dans l'épaisseur de verre où il n'est ni diffusé, ni absorbé.

N4

Après avoir suivi dans toute l'épaisseur du verre un parcours rectiligne, il en sort en reprenant sa direction initiale mais décalée par rapport à celle-ci.

Le changement de direction que subit le rayon lumineux en passant de l'air dans le verre puis du verre dans l'air s'appelle la réfraction.

Le phénomène de la réfraction se produit chaque fois qu'un rayon lumineux passe d'un milieu transparent dans un autre également transparent.

Par exemple, il se produit lorsque la lumière passe de l'air dans l'eau, ou inversement, comme on le voit figure 4-b en suivant le parcours des rayons qui vont de la mouette à l'œil du poisson.

Remarquons sur cette figure qu'à cause de la réfraction, le poisson voit la mouette à un endroit où elle n'est pas et de ce fait, il peut ne pas percevoir le danger qui le menace.

Nous avons dit au sujet de la figure 4-a que le rayon sortant du verre reprenait sa direction initiale mais décalée par rapport à celle-ci. Il nous faut préciser que cela n'a lieu que lorsque les deux faces du corps transparent, la face par laquelle le rayon pénètre dans le corps et celle par laquelle il en sort, sont parallèles. Dans le cas contraire, il en va tout autrement.

Considérons par exemple le prisme représenté figure 4-c. Si le rayon incident est une lumière colorée pure, c'est-à-dire d'une seule couleur ce qui se dit encore monochrome, à la sortie du prisme le rayon a une inclinaison variable selon sa couleur. Ainsi, la lumière violette a la plus grande déviation. Les autres lumières colorées subissent des déviations plus faibles. On observe que la réfraction est de moins en moins prononcée au fur et à mesure que les couleurs passent du violet au rouge.

Si, au lieu d'une lumière monochrome on utilise une lumière blanche comme rayon incident, on observe qu'à la sortie du prisme on obtient un éventail de lumières colorées révélant dans la lumière blanche toutes les couleurs allant du violet au rouge.

Ces phénomènes de décomposition et de dispersion de la lumière blanche sont à la base de l'arc-en-ciel et du scintillement multicolore des cristaux. Dans le cas de l'arc-en-ciel, la fonction du prisme est accomplie par les innombrables gouttelettes d'eau qui, après un orage, sont transportées par les vents.

HAUT DE PAGE 1. 3. - RÉFLEXION - DIFFRACTION - POLARISATION DE LA LUMIÈRE

Jusqu'à présent nous avons considéré trois types d'obstacle pouvant se présenter sur le chemin d'un rayon lumineux.

  • Le corps blanc (ou coloré) qui diffuse la totalité (ou une partie) de la lumière incidente ;

  • Le corps noir (ou coloré) qui absorbe la totalité (ou une partie) de la lumière incidente ;

  • Le corps transparent, qui entraîne la formation des phénomènes de réfraction, de décomposition et de dispersion.

Trois cas particuliers nous restent encore à examiner. Le premier est celui de la surface réfléchissante : le miroir (figure 5).

N5 

Le miroir, à la différence du corps blanc, ne se borne pas à renvoyer les rayons incidents dans toutes les directions. Les rayons qu'il renvoie, appelés rayons réfléchis, sont dirigés dans des directions bien définies obéissant toutes à une même loi appelée loi de la réflexion. Cette loi s'énonce ainsi :

Le rayon incident et le rayon réfléchi forment avec la perpendiculaire au point d'incidence deux angles égaux entre eux appelés angle d'incidence et angle de réflexion (figure 5).

Sur cette figure, l'angle d'incidence est désigné par le symbole (^i) et l'angle de réflexion par le symbole (^r). Les accents circonflexes sur les lettres ^i et ^r rappellent que l'on désigne des angles. L'angle d'incidence et l'angle de réflexion étant égaux, on peut en abrégé écrire ^i = ^r.

La même figure montre que l'œil recevant les rayons provenant du cône et réfléchis par le miroir est trompé comme l'était l'œil du poisson dans le phénomène de la réfraction. En effet, l'œil semble prolonger les rayons réfléchis derrière le miroir et y reconstruire l'image du cône. Mais il s'agit là, bien évidemment, d'une image illusoire encore appelée image virtuelle, et tournée vers l'objet réel. De même, lorsque nous nous regardons dans un miroir, notre visage constitue l'objet réel et notre image que nous voyons est l'image virtuelle.

On peut observer que l'objet réel et son image virtuelle sont symétriques.

Cette symétrie peut être vérifiée très simplement.

  • En prenant comme référence la base du miroir, on constate que :

  • - l'objet et l'image se trouvent à la même hauteur ;

  • - l'objet d'une part et l'image d'autre part se trouvent à la même distance de la surface du miroir ;

  • - l'objet et l'image se regardent.

Examinons maintenant un autre phénomène, celui qu'illustre la figure 6. Notons au passage que son étude nous montre que l'idée du rayon lumineux est acceptée avec quelques réserves.

Dans cette nouvelle expérience, on fait tomber un cône de lumière monochrome, une lumière rouge par exemple, sur une plaque de verre rayée verticalement par de fines incisions, parallèles et très serrées (figure 6).

 N6

Le verre, aux points où il est gravé, devient presque opaque et ne laisse donc pas passer la lumière. Par contre, entre chaque paire de rainures il y a une mince lamelle de verre au travers de laquelle les rayons lumineux peuvent passer librement.

Dans les conditions de l'expérience, on peut donc s'attendre à voir apparaître sur l'écran autant de fines bandes de lumière et d'Ombre qu'il y a de lamelles transparentes et de rainures opaques. Or, cela ne se produit pas ainsi.

Sur l'écran apparaît en effet des bandes éclairées et obscures mais beaucoup plus larges et aussi beaucoup plus marquées que l'on pouvait s'y attendre. D'autre part, le nombre de bandes éclairées est inférieur à celui des lamelles transparentes.

On peut donc en déduire que les rayons lumineux issus de la grille n'arrivent pas sur l'écran et qu'en conséquence ils seraient susceptibles de ne pas se propager en ligne droite.

Ce singulier comportement de la lumière passant à travers une fente très mince est appelée le phénomène de diffraction.

La diffraction montre donc que la lumière ne se propage pas toujours comme un rayon. Cependant, on imagine mal que certains rayons soient détruits. En réalité, tout se passe comme si certains d'entre eux se renforcent et que d'autres s'affaiblissent. Le résultat est celui observé sur l'écran : des bandes très éclairées et d'autres très noires.

Le phénomène est semblable à celui du son : deux ondes sonores se propageaient en donnant naissance au phénomène d'interférence. Cela se traduisait par un renforcement ou un affaiblissement de l'onde résultante qui donnait lieu à un son intense ou faible ou même inexistant. Dans le cas présent, deux ou plusieurs rayons s'additionnent donnant lieu à une lumière plus intense ou, au contraire, ils se contrarient en déterminant une large bande noire. Cela va à l'encontre de la loi de la propagation rectiligne des rayons lumineux.

La similitude avec les ondes sonores nous amène à dire qu'avec la lumière il peut exister une interférence d'ondes. La lumière est donc constituée d'ondes lumineuses, c'est son aspect ondulatoire.

La figure 7 représente une autre expérience dont les résultats peuvent nous amener à une perplexité encore plus grande.

 N7

Dans cette expérience, on observe que deux cristaux d'une matière transparente, la tourmaline, disposés dans une position donnée, laissent passer la lumière. Si l'on tourne l'un des cristaux, la lumière ne passe plus. Ce phénomène s'explique si l'on a recours à l'aspect ondulatoire de la lumière.

L'onde lumineuse peut se propager dans toutes les directions. Or, dans notre expérience, on suppose que la tourmaline ne transmet qu'une onde lumineuse orientée de façon bien définie par rapport au cristal. Plus précisément, le rayon sortant du premier cristal ne peut traverser le second que si celui-ci se trouve dans la même position que le premier.

En tournant l'un des cristaux, la lumière vibre entre eux d'une façon telle qu'elle ne peut pas traverser le second. On peut donc considérer qu'elle est arrêtée par ce dernier qui se comporte alors comme un corps opaque. L'effet produit par les cristaux de ce type est appelé polarisation de la lumière.

Sur la polarisation de la lumière est basé le fonctionnement de certains filtres pour appareils photographiques. Dans cette application, on élimine les reflets se formant sur les surfaces brillantes de certains objets et particulièrement indésirables dans le cas de la photographie en couleur.

HAUT DE PAGE 1. 4. - ÉCLAIRAGE ET INTENSITÉ LUMINEUSE

L'effet lumineux le plus courant que tout le monde constate journellement est l'éclairement des locaux : domicile, lieu de travail, magasins... Cet effet lumineux est communément appelé éclairage.

Chacun de nous a pu constater que l'éclairage d'un corps dépendait de la distance le séparant de la source lumineuse. Il suffit en effet d'approcher et d'éloigner une lampe de poche d'un objet quelconque pour constater que lorsque la lampe est près de l'objet, celui-ci apparaît bien éclairé, lorsqu'au contraire on éloigne la lampe, l'objet devient moins bien éclairé.

L'influence de la distance source lumineuse-objet étant établie, faisons en sorte de la mesurer.

Considérons la petite installation représentée figure 8-a et composée d'une lampe et de deux écrans de surfaces différentes.

N8 

Éclairons le petit écran placé à 2,5 m de la lampe. Mesurons à l'aide d'un appareil spécial (cellule photo-électrique) l'éclairage de l'écran. Supposons que le nombre indiqué par la cellule soit 20.

Éclairons maintenant le grand écran placé cette fois à 5 m de la lampe, la figure 8 montre que la même quantité de lumière tombe sur les deux écrans. Mais, en mesurant avec la même cellule l'éclairage du grand écran, c'est-à-dire sa luminosité ou encore la quantité de rayons lumineux qu'il renvoie, le nombre indiqué par l'appareil n'est plus 20 mais 5, c'est-à-dire quatre fois moins.

Nous venons de constater qu'en doublant la distance source-écran, nous avons divisé la luminosité par 4. Nous pouvons donc énoncer une loi importante :

L'éclairage est inversement proportionnel au carré de la distance.

(Les leçons mathématiques expliquent ce qu'il faut entendre par "inversement proportionnel" et "carré").

Si donc, dans notre expérience la distance lampe-grand écran avait été de 7,5 m, c'est-à-dire 3 fois celle de la lampe-petit écran, l'éclairage aurait été 3 x 3 = 9 fois moindre ; si au lieu de 3 fois elle avait été de 4 fois, l'éclairage devenait 4 x 4 = 16 fois moindre....

La figure 8-b représente une expérience qui sert à comparer la quantité de lumière émise par deux sources lumineuses S1 et S2.

L'écran, qui y est représenté, est opaque sur toute la surface, excepté le cercle central (C) qui est translucide, c'est-à-dire semi-transparent comme par exemple une tache d'huile sur une feuille de papier.

Si l'intensité lumineuse de la source S1 est supérieure à celle de la source S2, une certaine quantité de lumière venant de S1 filtre à traverse le cercle (C) vers S2 et inversement. Toutefois, si les deux intensités lumineuses sont égales, l'éclairement de la zone (C) est égale des deux côtés de l'écran et par conséquent, aucune lumière ne filtre ni d'un côté, ni de l'autre. Il en résulte la disparition de la tache.

HAUT DE PAGE 2. - FORCE - TRAVAIL - PUISSANCE - ÉNERGIE

2. 1. - FORCE

2. 1. 1. - DÉFINITION

On appelle force tout ce qui est capable :

  • de déformer un corps ;

  • de mettre un corps en mouvement s'il est au repos ou de l'arrêter s'il est en mouvement ;

  • de modifier le mouvement d'un corps.

Exemples :

Sur un établi, bloquons une barre d'acier par l'une de ses extrémités. Appuyons en B dans le sens de la flèche F. Nous constatons que la barre se déforme et prend la position B' (figure 9-a).

Fixons à un crochet C, un ressort à boudin R. Tirons l'extrémité libre dans le sens de la flèche F. Nous constatons que le ressort s'allonge (figure -9b).

 N9

Dans ces deux expériences, il y a déformation d'un corps. Tant que l'effort ne dépasse pas une certaine valeur, la barre et le ressort reprennent leur forme primitive quand cet effort cesse : on dit qu'il a déformation élastique.

Considérons maintenant un morceau de bois B posé sur une table T (figure 9-c). Il reste immobile si rien ne vient le déplacer. D'autre part, il ne peut se mettre en mouvement de lui-même. Mais si on le tire suivant la flèche F, il se déplace : c'est la mise en mouvement. Si l'on cesse de le tirer, il s'arrête presque immédiatement : c'est l'arrêt de mouvement dû aux forces de frottement. Enfin, si nous lâchons une boule de papier au point A, elle tombe en B, juste en-dessous de A. Mais si un courant d'air se produit, elle tombe en C : il y a eu modification du mouvement par la force du vent...

Un homme, un animal, l'eau, le vent, la vapeur d'eau, un aimant... sont capables d'exercer des forces.

2. 1. 2. - FORCES ÉGALES

Définition : On dit que deux forces sont égales quand elles produisent, dans les mêmes conditions, la même déformation élastique d'un corps.

Ainsi, dans l'expérience représentée figure 9-a, si une personne appuyant sur la barre en fait baisser l'extrémité jusqu'en B' puis qu'une autre la soulève au même endroit, jusqu'en B", les distances B - B' et B - B" étant équivalentes, on dit que les deux personnes ont exercé des forces égales. On peut alors écrire F = F'.

On dira aussi que ces personnes exercent des forces égales si, simultanément, l'une appuyant et l'autre soulevant en un même point de la barre, celle-ci ne subit aucune déformation. On dit alors que les deux forces s'équilibrent.

2. 1. 3. - LES FORCES SONT DES GRANDEURS MESURABLES

Si l'on soutient, sans la laisser reposer sur un appui, une masse de un kilogramme, on dit qu'on exerce sur cette masse une force verticale dirigée de bas en haut de un kilogramme-poids (kgp). Cette force est équilibrée par le poids de cette masse de 1 kilogramme qui est également une force de un kilogramme-poids, mais dirigée verticalement de haut en bas.

Le kilogramme-poids (kgp), bien qu'encore utilisé, est une ancienne unité de mesure. L'unité officielle est le Newton dont le symbole est N. La relation entre ces unités est donnée par l'égalité suivante : 1 kgp = 9,81 N. Le sous multiple du Newton est le dyne qui vaut 0,000 01 N ou 10-5 N.

2. 1. 4. - ÉLÉMENTS D'UNE FORCE

Une force peut être décomposée en un certain nombre de composants. Ainsi, dans l'expérience de la figure 9-b :

  • le point B où s'exerce la force est son point d'application ;

  • l'axe xy dans lequel on tire le ressort s'appelle la droite d'action ou direction de la force ;

  • le sens suivant lequel le ressort se déplace sous l'action de la force est tout naturellement son sens ;

  • l'allongement du ressort est fonction de la grandeur de la force, encore appelée intensité, que l'on exprime en Newton ou en dyne.

Une force est donc caractérisée par quatre éléments : son point d'application, sa direction, son sens et son intensité.

Quand une force appliquée à un corps déplace ce corps, autrement dit, quand une force déplace son point d'application, on dit qu'il y a production de travail.

2. 2. - TRAVAIL

Si l'on élève à 1 mètre du sol un corps dont le poids est de 1 kgp (ce qui revient à déplacer de un mètre, dans sa propre direction, le point d'application d'une force de un kgp) on dit que le travail de la force est de un kilogrammètre (kgm). De même, si l'on tire un chariot avec une force de 1 kgp et qu'on lui fasse parcourir un mètre, on dira aussi que le travail de la force est de un kilogrammètre. Plus généralement, quand le déplacement a lieu dans la direction de la force, le travail W de la force exprimé en kilogrammètres, est égal au produit de la force (kgp) par la longueur du déplacement (en mètres). D'où la formule :

W = F . l

Cette relation montre bien qu'il n'y a travail que s'il y a déplacement ; mais le déplacement doit être effectué dans le sens de la force.

Le kilogrammètre est également une unité ancienne. L'unité légale est le Joule (J) et sa valeur par rapport à la précédente est donnée par la relation : 1 kgm = 9,81 J. Le sous multiple est l'erg qui vaut 0,000 0001 J = 10-7 J.

Dans la relation précédente, les unités à utiliser sont donc le Joule (J) pour le travail W, le Newton (N) pour la force F, le mètre (m) pour la longueur du déplacement. On écrit alors :

W(J) = F(N) . l(m)

2. 3. - PUISSANCE

Le travail effectué par un moteur électrique donne des renseignements insuffisants sur ses capacités. Ainsi, un moteur qui fournit un certain travail dans une minute n'est pas le même que celui qui fournit le même travail en une seconde. Pour être plus précis, on dira alors que le second moteur est soixante fois plus puissant que le premier parce qu'il peut faire le même travail en soixante fois moins de temps. On définira la puissance P d'un moteur comme étant le travail qu'il peut effectuer en une seconde, et plus généralement : la puissance est le travail fourni en une seconde. De cette définition, on obtient la relation :

P = W / t

L'unité de puissance est le watt (W) et son multiple est le kilowatt (kW) qui vaut évidemment 1 000 watts. L'ancienne unité, que l'on trouve encore sur les plaques signalétiques des moteurs, est le cheval-vapeur (ch) qui vaut 736 W.

La relation précédente exprimée avec les unités devient :

P(W) = W(J) / t(s)

On remarque que si le travail effectué est de 1 joule en 1 seconde, on peut alors dire que le watt est le joule par seconde (J / s)

Le watt, qui est l'unité de puissance mécanique est aussi l'unité de puissance électrique. Notons enfin la relation entre les deux anciennes unités de puissance (cheval) et de travail (kgm) : 1cv = 75 kgm / s.

2. 4. - ÉNERGIE

2. 4. 1. - DÉFINITION

On dit qu'un corps possède de l'énergie quand il est capable de produire un travail.

2. 4. 2. - UNITÉ ET SYMBOLE

L'énergie s'exprime comme le travail en joule et a le même symbole W.

2. 4. 3. - ÉNERGIE POTENTIELLE ET ÉNERGIE CINÉTIQUE

Soit un corps (C) arrêté en B, à 5 m du sol et pesant 600 Newtons (ce qui équivaut à environ 60 kgp) figure 10-a.

Laissons le tomber sans lui donner de vitesse au départ (on dit aussi : sans vitesse initiale). Ce corps prend sous l'action de son poids, qui est une force constante en grandeur et direction, un mouvement uniformément accéléré qui l'amène au sol au point D.

N10

Entre les points B et D, le travail effectué par la force F de 600 newtons est de :

WJ = FN . lm

WJ = 600 . 5 = 3 000 J

Pendant le mouvement, ce travail s'emmagasine dans le corps qui arrive en D avec une certaine vitesse. Cela lui donne ce que l'on appelle de l'énergie cinétique. Celle-ci peut par exemple se traduire en D par l'enfoncement d'un piquet. On dit alors que l'énergie cinétique du corps C en D est de 3 000 joules.

Les machines à enfoncer les pieux, appelées "moutons", et les marteaux-pilons sont basés sur ce principe.

Cette énergie cinétique de 3 000 joules enfoncerait de 3 cm un piquet qui résisterait à l'enfoncement avec une force constante de 100 000 newtons :

W(J) = F(N) . l(m)

3 000 J = 100 000 x 0,03

Nous nous souviendrons que l'énergie cinétique d'un corps est l'énergie acquise pendant son mouvement.

Remarquons maintenant que lorsque le corps C est arrêté en B, la force qui agit sur lui et due à son poids, ne travaille pas puisqu'il n'y a pas de déplacement. Cependant, ce corps est capable de produire du travail, il possède donc de l'énergie. Nous dirons que cette énergie est à l'état potentiel ou que c'est de l'énergie potentielle.

Nous retiendrons que l'énergie potentielle d'un corps est l'énergie que possède ce corps lorsqu'il est au repos.

2. 4. 4. - PRINCIPE DE LA CONSERVATION DE L'ÉNERGIE

Considérons la figure 10-b avec le corps successivement en B, N, D.

1 - En B, son énergie cinétique est nulle, puisqu'il n'est pas en mouvement.

Son énergie potentielle est :

W(J) = F(N) . l(m)

W(J) = 600 x 5 = 3 000 joules

Nous avons alors : Énergie potentielle + énergie cinétique = 0 + 3 000 = 3 000 joules

2 - Le corps est en N :

Son énergie cinétique est :

W(J) = F(N) . l(m)

W(J) = 600 x 3 = 1 800 joules

Son énergie potentielle est :

W(J) = 600 x 2 = 1 200 joules

Nous avons à ce point :

Énergie potentielle + énergie cinétique : 1 800 + 1 200 = 3 000 joules.

3 - Le corps est en D.

Son énergie cinétique est, comme nous l'avons déjà calculée, 3 000 J.

Son énergie potentielle est nulle (le corps ne peut plus tomber).

Nous avons donc maintenant :

   Énergie potentielle + énergie cinétique = 0 + 3 000 = 3 000 joules.

Nous voyons qu'à chaque instant la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle est constante. Quand il apparaît de l'énergie cinétique, il disparaît une quantité égale d'énergie potentielle.

Ce principe est général. C'est le principe de conservation de l'énergie.

2. 4. 5. - FORMES ET TRANSFORMATION DE L'ÉNERGIE

L'énergie se présente sous de multiples formes :

  • l'eau d'un barrage (énergie potentielle) en tombant (énergie cinétique) sur les pales de turbines produit de l'énergie mécanique ; à leur tour, les turbines entraînent des alternateurs et l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique ;

  • Un four électrique transforme l'énergie électrique en énergie calorifique ;

  • l'énergie chimique d'une pile ou d'un accumulateur se transforme en énergie électrique ;

  • le démarreur équipant le moteur d'une voiture transforme l'énergie électrique qu'il reçoit de l'accumulateur en énergie mécanique...

Il existe encore beaucoup d'autres formes d'énergie : énergie nucléaire, énergie solaire, énergie éolienne (énergie des vents)...

Nous noterons, pour terminer, que l'énergie est réversible. C'est-à-dire, par exemple, que l'énergie mécanique peut se transformer en énergie électrique et réciproquement ; l'énergie électrique peut se transformer en énergie mécanique.

 




  

    






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