PhysiqueFiche 5 · Travail, énergie et puissance
Physique · Fiche de révision

Travail, énergie et puissance

Par cœur, méthodes, pièges et réflexes concours — la fiche condensée à relire la veille.

4 min de révisionDébloquée6 rubriques Télécharger en PDF

1Calculer le travail d'une force

Par cœurformule générale
WAB(F)=FAB=F×AB×cosα[J]W_{AB}(\vec F)=\vec F\cdot\vec{AB}=F\times AB\times\cos\alpha \quad[\mathrm{J}]

Signe donné par cosα\cos\alpha : moteur (α<90\alpha<90^{\circ}, W>0W>0) ; nul (α=90\alpha=90^{\circ}) ; résistant (α>90\alpha>90^{\circ}, W<0W<0). Force variable : W=xAxBF dxW=\displaystyle\int_{x_A}^{x_B} F\,\mathrm{d}x = aire sous F(x)F(x).

Figure 1 — Signe du travail selon l'angle α\alpha entre F\vec F et le déplacement
Piègeces travaux sont TOUJOURS nuls

la réaction normale N\vec N d'un support ; le poids sur un déplacement horizontal ; la force centripète en mouvement circulaire (elle est v\perp\vec v à tout instant, même si FcF_c est énorme). Le frottement, lui, travaille toujours négativement (α=180\alpha=180^{\circ}).

Réflexe concourstrajet fermé & pente — 2024, Q5 ; 2023, Q5

Sur un trajet fermé (retour au point de départ), le travail du poids est nul, quelle que soit la trajectoire : sur une grande roue, W=0W=0 (pas mg×2πRmg\times2\pi R). Le travail contre la pesanteur ne dépend que de la hauteur hh, jamais de la longueur du trajet : sur une rampe 3-4-5 (h=4 mh=4\,\mathrm{m}), W=mghW=mgh, pas mg×5 mmg\times5\,\mathrm{m} (piège du triangle rectangle).

2Calculer une puissance

Par cœur
P=WAB(F)Δt=Fv=F×v×cosα[W=J/s]P=\dfrac{W_{AB}(\vec F)}{\Delta t}=\vec F\cdot\vec v=F\times v\times\cos\alpha \quad[\mathrm{W}=\mathrm{J}/\mathrm{s}]

Conversion vitesse : km/hm/s\mathrm{km}/\mathrm{h}\to\mathrm{m}/\mathrm{s}, diviser par 3,63,6.

Méthodevitesse constante \Rightarrow bilan simple — 2018, Q22

À vitesse constante (MRU), W=0\sum W=0. Sur route horizontale, poids et normale ne travaillent pas, donc Wmotrice=WfrottementW_{\text{motrice}}=-W_{\text{frottement}}. Attention : ce n'est vrai que si la route est horizontale — sur une pente, le poids entre aussi dans le bilan.

Réflexe concourspuissance moyenne \neq instantanée — 2021, Q7

Sur une phase d'accélération, la puissance moyenne vaut Pmoy=ΔEcΔtP_{moy}=\dfrac{\Delta E_c}{\Delta t}, PAS F×vfinalF\times v_{final} (puissance instantanée finale, souvent 2× trop grande). Ex. : voiture 1 t1\,\mathrm{t}, 072 km/h0\to72\,\mathrm{km}/\mathrm{h} en 10 s10\,\mathrm{s} : Pmoy=20 kWP_{moy}=20\,\mathrm{kW} (et non Fvf=40 kWF v_f=40\,\mathrm{kW}).

3Appliquer le théorème de l'énergie cinétique

Par cœur
Ec=12mv2 [J](toujours 0, ne deˊpend jamais de g)E_c=\tfrac12\,m\,v^2\ [\mathrm{J}]\quad\text{(toujours $\geq0$, ne dépend \emph{jamais} de $g$)}

Théorème de l'énergie cinétique (référentiel galiléen) :

  WAB(F)=Ec(B)Ec(A)=12mvB212mvA2  \boxed{\;\textstyle\sum W_{AB}(\vec F)=E_c(B)-E_c(A)=\tfrac12\,m\,v_B^{\,2}-\tfrac12\,m\,v_A^{\,2}\;}
Piègela formule qui piège tout le monde — 2019, Q21

Travail nécessaire à un changement de vitesse :

W=ΔEc=12mvf212mvi2  12m(vfvi)2.W=\Delta E_c=\tfrac12 m v_f^2-\tfrac12 m v_i^2\ \neq\ \tfrac12 m (v_f-v_i)^2 .

Ex. chariot m=10 kilogramm=10\,\mathrm{kilogram}, v:13 m/sv:1\to3\,\mathrm{m}/\mathrm{s} : bon calcul 12×10×(91)=40 J\tfrac12\times10\times(9-1)=40\,\mathrm{J} ; piège n°1 : 12×10×9=45 J\tfrac12\times10\times9=45\,\mathrm{J} (oubli de viv_i) ; piège n°2 : 12×10×22=20 J\tfrac12\times10\times2^2=20\,\mathrm{J} (carré de la différence, faux).

Réflexe concoursTEC + frottement : la masse disparaît — 2020, Q11

Objet lancé à v0v_0, arrêté par frottement après une distance dd :

012mv02=μmgd  μ=v022gd.0-\tfrac12 m v_0^2=-\mu\,m\,g\,d\ \Longrightarrow\ \mu=\dfrac{v_0^2}{2\,g\,d}.

La masse se simplifie : inutile de la connaître pour trouver μ\mu !

4Calculer une énergie potentielle

Par cœur
  • pesanteur : Ep=mghE_p=mgh [J\mathrm{J}] — origine de hh arbitraire, seule ΔEp\Delta E_p compte ; WAB(G)=ΔEpW_{AB}(\vec G)=-\Delta E_p
  • élastique : Ep=12 k x2E_p=\tfrac12\,k\,x^2 [J\mathrm{J}] — xx = élongation
  • ressort : T=2πm/kT=2\pi\sqrt{m/k}, f=1/Tf=1/T
ComparatifEcE_c vs EpE_p : qui dépend de quoi ? — 2020, Q4
GrandeurFormuleDépend dePAS de
Én. cinétique EcE_c12mv2\tfrac12 mv^2m, vm,\ vgg
Én. pot. pesanteurmghmghm, g, hm,\ g,\ hvv
Én. pot. élastique12kx2\tfrac12 kx^2k, xk,\ xm, gm,\ g

Sur la Lune, un objet a la même EcE_c que sur Terre à vitesse égale (masse et vv inchangés) ; seuls son poids et son EpE_p changent avec gg.

Réflexe concoursressort : EcEpE_c\to E_p élastique — 2021, Q17

Bloc m=10 kilogramm=10\,\mathrm{kilogram} à v=36 km/h=10 m/sv=36\,\mathrm{km}/\mathrm{h}=10\,\mathrm{m}/\mathrm{s} percute un ressort (k=1000 N/mk=1000\,\mathrm{N}/\mathrm{m}). À la compression maximale, v=0v=0 : toute l'énergie cinétique devient élastique.

12mv2=12kx2  x=vmk=1m.\tfrac12\,m\,v^2=\tfrac12\,k\,x^2\ \Longrightarrow\ x=v\sqrt{\dfrac{m}{k}}=1\,\mathrm{m}.

Piège : convertir 36 km/h36\,\mathrm{km}/\mathrm{h} en 10 m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (diviser par 3,63,6), pas garder 3636 dans le calcul.

5Conserver l'énergie mécanique

Par cœur

Système sans frottement (forces conservatives) :

  Em=Ec+Ep=Cte  [J]\boxed{\;E_m=E_c+E_p=\text{Cte}\;}\quad[\mathrm{J}]
Méthodebilan d'énergie mécanique
  1. Choisir l'origine de hh (souvent Ep=0E_p=0 au point le plus bas).
  2. Écrire Ec(1)+Ep(1)=Ec(2)+Ep(2)E_c^{(1)}+E_p^{(1)}=E_c^{(2)}+E_p^{(2)}.
  3. Annuler les termes nuls (départ du repos Ec=0\Rightarrow E_c=0 ; niveau choisi Ep=0\Rightarrow E_p=0).
  4. Isoler l'inconnue : souvent h=v22gh=\dfrac{v^2}{2g} ou v=2ghv=\sqrt{2gh}.

Avec frottement (EmE_m non conservée — 2025, Q3) : Edissipeˊe=mgh12mv2E_{\text{dissipée}}=mgh-\tfrac12 mv^2. Ex. pierre m=5 kilogramm=5\,\mathrm{kilogram}, h=10 mh=10\,\mathrm{m}, v=12 m/sv=12\,\mathrm{m}/\mathrm{s} : 500 J360 J=140 J500\,\mathrm{J}-360\,\mathrm{J}=140\,\mathrm{J} (ni 500500, ni 360360 J seuls).

Figure 2 — Hauteur atteinte = altitude de départ + v02/(2g)+\ v_0^2/(2g)
Réflexe concourspiège n°1 des annales — 2019 Q4 ; 2021 Q30 ; 2018 Q24 ; 2025 Q4 ; 2020 Q6
  • hmax=v022gh_{max}=\dfrac{v_0^2}{2g} et a=gsinβa=g\sin\beta ne dépendent jamais de la masse ni (pour hmaxh_{max}) de l'angle de la pente : deux masses lancées à la même vitesse \Rightarrow même hauteur, même instant d'arrivée. La question la plus répétée aux annales.
  • La hauteur atteinte = altitude de départ + v02/2g+\ v_0^2/2g : ne pas oublier d'ajouter la base (rebond sur une plateforme, sac lâché d'un ballon en ascension).

6Quantité de mouvement & formulaire

Par cœur
p=mv[kilogramm/s]\vec p=m\,\vec v \quad[\mathrm{kilogram}\mathrm{m}/\mathrm{s}]

Grandeur vectorielle, même direction et sens que v\vec v. Plus un corps est massif et rapide, plus il est difficile à arrêter (freinage p\propto p).

ComparatifFormulaire complet
GrandeurFormuleUnité SI
TravailW=F ABcosαW=F\,AB\cos\alphaJ\mathrm{J}
PuissanceP=WΔt=FvcosαP=\dfrac{W}{\Delta t}=Fv\cos\alphaW\mathrm{W}
Én. cinétiqueEc=12mv2E_c=\tfrac12 mv^2J\mathrm{J}
Th. énergie cinétiqueW=Ec(B)Ec(A)\sum W=E_c(B)-E_c(A)J\mathrm{J}
Én. pot. pesanteurEp=mghE_p=mghJ\mathrm{J}
Én. pot. élastiqueEp=12kx2E_p=\tfrac12 kx^2J\mathrm{J}
Én. mécaniqueEm=Ec+Ep=E_m=E_c+E_p= CteJ\mathrm{J}
Période du ressortT=2πm/kT=2\pi\sqrt{m/k}s\mathrm{s}
Qté de mouvementp=mv\vec p=m\vec vkilogramm/s\mathrm{kilogram}\mathrm{m}/\mathrm{s}