Mécanique 1 · Tutoriel

travail et puissance

La mécanique à maîtriser avant de passer aux exercices.

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Ce thème installe les deux grandeurs de base de la fiche : le travail d'une force (l'énergie qu'elle transfère en déplaçant un corps) et la puissance (la rapidité de ce transfert).

À retenirle travail d'une force constante

Pour une force F\vec{F} constante le long d'un déplacement rectiligne AB\vec{AB} :

  WAB(F)=FAB=F×AB×cosα  (en J)\boxed{\;W_{AB}(\vec{F})=\vec{F}\cdot\vec{AB}=F\times AB\times\cos\alpha\;}\qquad(\text{en }\mathrm{J})

FF est l'intensité de la force (N\mathrm{N}), ABAB la distance parcourue (m\mathrm{m}) et α\alpha l'angle entre F\vec{F} et AB\vec{AB}. Seule la composante de la force parallèle au déplacement, Fx=FcosαF_x=F\cos\alpha, travaille : W=Fx×ABW=F_x\times AB.

Méthodelire le signe du travail dans cosα\cos\alpha

Le facteur cosα\cos\alpha fixe à lui seul le sens physique du travail :

À retenirtrois travaux à connaître par cœur
  • Force perpendiculaire au déplacement W=0\Rightarrow W=0. C'est le cas de la réaction normale N\vec{N}, de la force centripète d'un mouvement circulaire, et du poids lors d'un déplacement horizontal.
  • Frottement : Ff\vec{F}_f est opposée au déplacement (α=180\alpha=180^{\circ}), donc W(Ff)=Ff×AB<0W(\vec{F}_f)=-F_f\times AB<0 : il dissipe l'énergie (travail résistant).
  • Poids sur une dénivellation hh : W(G)=+mghW(\vec{G})=+mgh à la descente, mgh-mgh à la montée.
À retenirla puissance : travail par unité de temps
  P=WAB(F)Δt  et, si la vitesse est connue :  P=Fv=F×v×cosα  \boxed{\;P=\dfrac{W_{AB}(\vec{F})}{\Delta t}\;}\qquad\text{et, si la vitesse est connue :}\qquad \boxed{\;P=\vec{F}\cdot\vec{v}=F\times v\times\cos\alpha\;}

PP est en watts (W\mathrm{W}), avec 1 W=1 J/s1\,\mathrm{W}=1\,\mathrm{J}/\mathrm{s}. À travail égal, le système le plus puissant est le plus rapide : pour un même WW, diviser Δt\Delta t par 66 multiplie PP par 66.

Exempleune force oblique qui tire une caisse

Une force F=50 NF=50\,\mathrm{N} inclinée de α=60\alpha=60^{\circ} tire une caisse sur AB=4 mAB=4\,\mathrm{m} en Δt=2 s\Delta t=2\,\mathrm{s}. Alors W=50×4×cos60=50×4×0,5=100 JW=50\times 4\times\cos60^{\circ}=50\times4\times0,5=100\,\mathrm{J} et P=1002=50 WP=\dfrac{100}{2}=50\,\mathrm{W}.

Piègeles trois erreurs classiques
  • Oublier cosα\cos\alpha et écrire W=F×ABW=F\times AB alors que la force est inclinée.
  • Croire que le poids « travaille toujours » : sur un trajet horizontal, W(G)=0W(\vec{G})=0.
  • Vitesse en km/h\mathrm{km}/\mathrm{h} dans P=FvP=Fv : il faut d'abord convertir en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s} en divisant par 3,63,6.
Ensuite, 3 niveaux d'exercices :
FacileMoyenDifficile
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