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 aspectcorpusculaire,
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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 abrégéécrire ^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).
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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
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.
Vitesse de la lumière
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