Énergie

Mentor : Qu’est-ce qui te vient à l’esprit quand je dis qu’une personne a beaucoup d’énergie ?

Étudiant : Cette personne est très active, fait beaucoup de choses rapidement, etc.

Mentor : Exact, et la définition scientifique de l’énergie n’est pas très différente de cette idée. Fondamentalement, l’énergie est la capacité de faire du travail.

Étudiant : Mais les personnes énergiques ne font pas toujours du travail. La définition scientifique du travail est-elle différente de la définition normale ?

Mentor : Exactement ! En termes scientifiques, le travail est une force exercée parallèlement à la direction du mouvement. Pouvez-vous penser à un exemple ?

Étudiant : Lorsque vous soulevez une boîte, vous exercez une force vers le haut, la boîte se déplace vers le haut et vous effectuez un travail.

Mentor : Exact. Étant donné que l’énergie est la capacité de faire du travail, savez-vous quels types d’énergie existent ?

Étudiant : Eh bien, puisque l’énergie a à voir avec le déplacement des objets, existe-t-il une énergie de mouvement ?

Mentor : Oui, c’est ce qu’on appelle l’énergie cinétique. On dit que tout objet qui se déplace possède de l’énergie cinétique. Maintenant, qu’arrive-t-il à l’énergie si vous lancez une balle en l’air ?

Étudiant : Voyons…Au fur et à mesure que la balle s’élève dans l’air, sa vitesse diminue. Est-ce que cela signifie que l’énergie diminue ? Et puis quand elle redescend et accélère, est-ce que l’énergie augmente ?

Mentor : L’énergie cinétique diminue effectivement lorsque la balle s’élève dans l’air et ralentit. Ensuite, lorsque la balle redescend et augmente en vitesse, l’énergie cinétique augmente. Savez-vous pourquoi je précise l’énergie cinétique ?

Étudiant : Y a-t-il d’autres types d’énergie que l’énergie cinétique ?

Mentor : C’est exactement ça ! Selon la loi de conservation de l’énergie, la quantité d’énergie dans un système doit toujours rester constante. Mais nous savons que l’énergie cinétique diminue et augmente lorsque nous lançons une balle en l’air. Comment pensez-vous que cela se produit ?

Étudiant : L’énergie cinétique diminue et augmente définitivement, donc je suppose qu’il doit y avoir un autre type d’énergie que l’objet obtient en s’élevant.

Mentor : Tout à fait correct, ce type d’énergie est appelé énergie potentielle. Tu te souviens que j’ai dit que l’énergie est simplement la capacité de faire du travail ? Lorsque les objets se déplacent plus haut dans l’air, leur énergie potentielle augmente en raison de l’effet de la gravité – une balle haute dans l’air peut être lâchée, ce qui lui permet d’effectuer un travail.

Étudiant : C’est logique. Je suppose que si vous lancez une balle en l’air, l’énergie potentielle doit augmenter alors que l’énergie cinétique diminue, et vice versa, de sorte que l’énergie totale est toujours la même.

Mentor : Oui. L’énergie potentielle a à voir avec la hauteur d’un objet et la façon dont la gravité tire sur lui. Mais assez avec l’énergie potentielle et cinétique, y a-t-il d’autres types d’énergie ?

Étudiant : Je ne connais pas d’autres façons de faire du travail que de déplacer des objets.

Mentor : Eh bien, si tu ne peux pas penser à un autre type d’énergie, essaie d’utiliser à nouveau la loi de la conservation de l’énergie. Pourquoi un train s’arrête-t-il si tu appuies sur les freins ? Il perd de l’énergie cinétique mais ne gagne pas d’énergie potentielle.

Etudiant : J’ai toujours entendu dire que les trains s’arrêtent à cause de la friction, donc la friction doit être un type d’énergie.

Mentor : Vous êtes sur la bonne voie. La friction comprend en fait plusieurs types d’énergie différents que vous pouvez percevoir lorsqu’un train s’arrête :

• L’énergie thermique, qui est la chaleur qui peut être créée par la friction.
• L’énergie sonique, qui est le son que vous entendez lorsqu’un train s’arrête en criant.
• L’énergie lumineuse, que vous pouvez voir sous la forme d’étincelles qui volent ou du métal chaud du train qui rougeoie.

Étudiant : Donc cela signifie que lorsque vous vérifiez que l’énergie totale reste constante, vous devez inclure toutes ces autres formes d’énergie également.

Mentor : Correct ! Cependant, il y a encore quelques autres types d’énergie à considérer.

Étudiant : Attends une minute, comment les physiciens trouvent-ils réellement tous ces types d’énergie ? Comment pouvez-vous dire si quelque chose est de l’énergie ou non ?

Mentor : La façon la plus simple de trouver d’autres types d’énergie est d’imaginer un exemple du monde réel où il semble que l’énergie ne soit pas conservée. La loi de conservation de l’énergie est toujours correcte, donc il doit y avoir un ou plusieurs autres types d’énergie pour compenser les manques. Par exemple, qu’arrive-t-il aux énergies d’une personne lorsqu’elle saute sur un trampoline ?

Etudiant : Lorsqu’ils atterrissent, leur vitesse et leur énergie cinétique diminuent, mais ils descendent donc leur énergie potentielle diminue aussi. Les trampolines émettent bien des sons et dégagent un peu de chaleur lorsque tu sautes dessus, mais cela ne peut pas être suffisant pour inverser totalement ta chute. De plus, lorsque vous atterrissez, l’énergie emmagasinée est suffisante pour vous faire repartir vers le ciel. Par conséquent, il doit y avoir une sorte d' »énergie de ressort » que les trampolines gagnent en s’étirant.

Mentor : Oui, l' »énergie du ressort » à laquelle vous faites référence est appelée énergie mécanique et décrit l’énergie stockée des ressorts, des élastiques et, oui, des trampolines.

Étudiant : Cela semble assez facile. Y a-t-il d’autres types d’énergie ?

Mentor : Il y a trois autres formes d’énergie. Pouvez-vous en déterminer une à partir de votre vie et de vos expériences ?

Étudiant : Eh bien, quand j’allume une lumière, quelque chose doit créer de l’énergie lumineuse, alors l’électricité est-elle un type d’énergie ?

Mentor : Absolument, l’énergie électromagnétique – l’énergie des particules chargées électromagnétiquement – est l’une des formes d’énergie les plus pratiques car elle peut être transférée sur de grandes distances et stockée facilement sous forme de piles. Fondamentalement, l’énergie électromagnétique est l’énergie d’attraction entre des particules chargées positivement et négativement. Un flux d’électrons circulant le long d’un fil est comme l’eau qui descend un ruisseau : la force de son mouvement peut être utilisée pour effectuer un travail.

Etudiant : Et nous voyons ce genre d’énergie dans tous les appareils électroniques que nous utilisons, n’est-ce pas ?

Mentor : Exact ! Bien que les physiciens travaillent actuellement sur une soi-disant grande théorie unifiée qui combinerait la force électromagnétique et la force gravitationnelle, donc vos enfants pourraient n’avoir à apprendre qu’un seul type d’énergie et de force en moins.

Etudiant : Wow, parfois j’oublie que la physique est toujours en train de changer au fur et à mesure que de nouvelles découvertes sont faites. Vous avez généralement tendance à penser que les études mathématiques sont fixes, mais en fait les théories sont modifiées tout le temps au fur et à mesure que de nouvelles découvertes sont faites.

Mentor : Bon point. En fait, une des formes d’énergie les plus modernes a été théorisée en 1905 et a été utilisée avec succès dans les années 1940 – l’énergie nucléaire. Mais il reste encore une forme d’énergie connue. Prenons l’exemple de la combustion du bois. Quelles sont les entrées et sorties d’énergie ?

Etudiant : Voyons, pour brûler du bois, il faut d’abord l’enflammer, ce qui nécessite de l’énergie thermique, mais ensuite le bois produit beaucoup plus d’énergie thermique et lumineuse que l’étincelle qui a déclenché le feu. Peut-être que le bois perd de la masse en brûlant, puisqu’il reste toujours moins de cendres après le feu qu’il n’y avait de bois auparavant.

Mentor : C’est une idée intéressante, mais la seule façon dont la matière peut être convertie en énergie est par un processus nucléaire, et clairement un feu de joie ne provoque pas une explosion nucléaire. Toute la masse manquante que vous mentionnez quitte le feu sous forme de fumée et de vapeur d’eau. Non, l’énergie du bois est quelque chose de totalement différent : l’énergie chimique.

Étudiant : Donc l’énergie chimique est l’énergie stockée dans tout ce qui est inflammable ?

Mentor : Tout ce qui est inflammable a de l’énergie chimique, certainement, bien que l’énergie chimique puisse aussi être stockée dans des objets non inflammables. En général, l’énergie chimique est l’énergie stockée dans les liaisons entre les atomes. Lorsque le bois brûle, ces liaisons sont brisées et leur énergie est libérée sous forme de lumière et de chaleur.

Etudiant : Donc l’énergie chimique est spécifique à une substance, comme l’énergie thermique.

Mentor : Oui, beaucoup de types d’énergie sont liés les uns aux autres. La chose la plus importante à retenir, cependant, est la loi de la conservation de l’énergie. Peu importe le problème que vous résolvez, l’énergie totale du système doit toujours rester constante.