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Physique-Chimie · 1ère Année Bac — Sciences et Technologies Mécaniques

Travail et énergie cinétique

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

  1. Énergie cinétique (Translation) : Pour un solide de masse $m$ en translation, $E_c = \frac{1}{2}mv_G^2$ (en Joules).
  2. Énergie cinétique (Rotation) : Pour un solide en rotation autour d'un axe fixe, $E_c = \frac{1}{2}J_\Delta \omega^2$, où $J_\Delta$ est le moment d'inertie et $\omega$ la vitesse angulaire.
  3. Théorème de l'énergie cinétique (TEC) : La variation de l'énergie cinétique entre deux positions A et B est égale à la somme des travaux des forces appliquées : $$\Delta E_c = E_c(B) - E_c(A) = \sum W_{AB}(\vec{F})$$

Méthodes à maîtriser

  • Identifier toutes les forces appliquées au système.
  • Calculer le travail de chaque force : $W_{AB}(\vec{F}) = \vec{F} \cdot \vec{AB} = F \cdot AB \cdot \cos(\alpha)$.
  • Appliquer le TEC pour trouver une vitesse inconnue ou une force.
  • Ne pas oublier de convertir les unités en unités SI (kg, m/s, rad/s).

Exemples corrigés

Exemple : Un solide de $2,\text{kg}$ part du repos et parcourt $5,\text{m}$ sous l'action d'une force constante de $10,\text{N}$. $E_c(A) = 0$. $W_{AB}(\vec{F}) = F \cdot AB = 10 \times 5 = 50,\text{J}$. D'après le TEC : $E_c(B) - 0 = 50 \implies \frac{1}{2}mv_B^2 = 50 \implies v_B = \sqrt{\frac{100}{2}} = 7,07,\text{m/s}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le travail du poids si le mouvement n'est pas horizontal.
  • Confondre la vitesse linéaire $v$ et la vitesse angulaire $\omega$.
  • Oublier le signe du travail (négatif si la force s'oppose au mouvement).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Travail et énergie cinétique

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L'unité de l'énergie cinétique est :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le travail du poids dépend du chemin suivi ?

Non, le travail du poids ne dépend que de la différence d'altitude entre le point de départ et le point d'arrivée : $W_{AB}(\vec{P}) = mg(z_A - z_B)$.

💡 À retenir : Le poids est une force conservative.

Kifach n7seb JDelta ila ma3tahach lia f'tamerin ?

Normalement, $J_\Delta$ est donnée dans l'énoncé. Si ce n'est pas le cas, c'est peut-être un solide simple (cylindre, tige) dont la formule est connue, mais vérifie bien l'énoncé.

💡 À retenir : $J_\Delta$ dépend de la répartition de la masse par rapport à l'axe.

Est-ce que la réaction du support travaille toujours ?

Non. Si le support est fixe et sans frottement, la réaction est perpendiculaire au déplacement, donc son travail est nul ($W = 0$).

💡 À retenir : Si $\vec{R} \perp \vec{AB}$, alors $W_{AB}(\vec{R}) = 0$.

Wach l'energie cinétique katkon dima moujaba ?

Oui, car $m > 0$ et $v^2 \geq 0$ (ou $J_\Delta > 0$ et $\omega^2 \geq 0$). L'énergie cinétique est toujours positive ou nulle.

💡 À retenir : $E_c \geq 0$ toujours.

Comment savoir si le travail est moteur ou résistant ?
  1. Si $W > 0$, le travail est moteur (il favorise le mouvement).
  2. Si $W < 0$, le travail est résistant (il s'oppose au mouvement).

💡 À retenir : Signe du travail = signe du cosinus de l'angle entre la force et le déplacement.

Chno l'farq bin v w omega ?

$v$ est la vitesse linéaire (m/s) d'un point, $\omega$ est la vitesse angulaire (rad/s) du solide. Elles sont liées par $v = r \cdot \omega$.

💡 À retenir : $\omega$ est commune à tous les points du solide en rotation.

Est-ce que le TEC s'applique si le solide est déformable ?

Le programme de 1ère Bac STM se limite aux solides indéformables. Pour un système déformable, le TEC est plus complexe.

💡 À retenir : On travaille uniquement avec des solides indéformables.

Kifach nkhdem b'TEC ila kan l'corps kaydor w kayt7rek f'nafs l'waqt ?

Tu calcules l'énergie cinétique totale : $E_c = E_{c,trans} + E_{c,rot} = \frac{1}{2}mv_G^2 + \frac{1}{2}J_\Delta \omega^2$.

💡 À retenir : L'énergie cinétique est additive.

Le travail d'une force constante est-il toujours F cdot d ?

Non, c'est $F \cdot d \cdot \cos(\alpha)$. Si la force est perpendiculaire au déplacement, le travail est nul.

💡 À retenir : Le produit scalaire est essentiel.

Pourquoi on utilise souvent le référentiel terrestre ?

Parce que les expériences de laboratoire se font à la surface de la Terre, qui est considérée comme un référentiel galiléen pour ces mouvements.

💡 À retenir : Le référentiel doit être précisé dès le début.

Est-ce que la masse influence l'énergie cinétique ?

Oui, plus la masse est grande, plus l'énergie cinétique est élevée pour une même vitesse.

💡 À retenir : $E_c$ est proportionnelle à la masse $m$.

Wach l'vitesse katbdel ila tghyrat l'energie cinétique ?

Oui, puisque $E_c = \frac{1}{2}mv^2$, si $E_c$ change, $v$ change obligatoirement.

💡 À retenir : $\Delta E_c \neq 0 \implies \Delta v \neq 0$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un solide est tiré par une force horizontale $F=50,\text{N}$ sur un plan horizontal. Il y a des frottements $f=10,\text{N}$. Calculer la vitesse après $10,\text{m}$ (masse $m=5,\text{kg}$, départ arrêté).

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Exercice 2

Un solide de masse $m = 2,\text{kg}$ glisse sans frottement sur un plan incliné d'un angle $\alpha = 30^\circ$ par rapport à l'horizontale. Il part du repos du point A et parcourt une distance $AB = 2,\text{m}$. Calculer la vitesse au point B. (On prendra $g = 10,\text{m/s}^2$).

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Exercice 3

Un volant de moment d'inertie $J_\Delta = 0,5,\text{kg}\cdot\text{m}^2$ tourne à $10,\text{rad/s}$. On applique un couple de freinage constant de moment $M_\Delta = -2,\text{N}\cdot\text{m}$. Quel angle $\theta$ doit-il parcourir pour s'arrêter ?

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