L’énergie (0 – Introduction)

Tout le monde parle d’énergie. Mais pourtant, il est important de réaliser que dans la physique d’aujourd’hui nous n’avons aucune connaissance de ce qu’est l’énergie. Nous savons seulement qu’une certaine quantité que nous appelons énergie ne change pas dans les multiples transformations que peut subir la nature.

Ne vous méprenez pas ! Je ne vais pas vous parler de gaz, de pétrole, d’éoliennes, de centrales nucléaires. Non pas qu’il s’agisse là de sujets sans intérêt. Bien au contraire. Mais alors, nous nous placerions de plein pied sur un terrain technologique. Et le discours à tenir concernerait alors, non pas la question de l’énergie – selon l’entendement d’un physicien tout au moins – mais celle de l’exploitation des sources d’énergie accessibles, ce qui est tout autre chose.

Certes, faire la distinction entre énergie et sources d’énergie peut, à ce stade, vous apparaître comme une déclinaison de l’art de couper les cheveux en quatre. Après tout, quand on parle d’énergie, chaque citoyen est plus ou moins convaincu de savoir ce dont il s’agit. Il trouve l’énergie coûteuse, tout en appréciant sa contribution essentielle au fonctionnement du monde moderne. Et il craint la perspective de sa pénurie.

Cependant, pour comprendre la physique, il convient de dépasser le stade de cette confusion, et de réaliser que la question de chercher, découvrir, domestiquer des sources d’énergie est une chose, tandis que celle de saisir la nature du concept d’énergie, en est une autre.

Ce concept est au demeurant parfaitement abstrait. Nul n’a jamais vu, ni encore moins manipulé d’énergie. L’énergie n’est qu’une idée, en relation étroite avec deux aspects importants des phénomènes naturels. L’un concerne le mouvement des objets dans l’espace. L’autre la nature de ce que l’on appelle la chaleur. Nous commencerons donc par parler du mouvement des objets dans l’espace.

Énergie potentielle

Un objet a de l’énergie du simple fait de son existence. Prenons par exemple une brique pesant un kilogramme, et suspendons-la à un fil à deux mètres du sol. Nous dirons que cette brique possède de l’énergie potentielle gravitationnelle. Potentielle, parce que tant que la brique demeure immobile au bout de son fil, aucun changement dans l’état de la brique ne peut être observé. Gravitationnelle, parce que du fait de l’existence de la force de gravité exercée par la Terre, l’action très simple de couper le fil va changer totalement l’état de la brique, qui va entamer un mouvement de chute libre (jusqu’au sol, mais pas plus loin !). Sa vitesse verticale va passer d’une valeur initiale nulle v(0) à des valeurs v(t) croissant proportionnellement au temps t qui s’écoule depuis qu’on a coupé le fil. Sa distance au sol va diminuer depuis la cote initiale z(0) jusque finalement s’annuler lors de la rencontre avec le sol, fin de la chute.

Depuis Newton, nous savons que la grandeur que nous appelons le poids P de la brique est une force d’attraction. La force d’attraction exercée par la masse M de la Terre sur la masse m de la brique. Et nous savons aussi que cette force d’attraction P peut être calculée par une formule très simple :

P = m g

La grandeur m désigne la quantité de matière constituant la brique.

Le coefficient multiplicatif g est ce qu’on appelle en physique une accélération. Par définition, une accélération est le taux de variation caractérisant à un instant donné le changement d’une vitesse. Tandis qu’une vitesse est elle-même le taux de variation caractérisant à un instant donné le changement de la position d’un objet.

Résumons. En mécanique, la branche de la physique qui s’occupe de l’étude du mouvement des objets, on repère la position de ces objets au cours du temps t par leur distance x(t) à une position de référence appelée origine du déplacement.

Si cette distance x(t) ne change pas quand le temps t varie, l’objet est dit immobile. On dit que sa vitesse est nulle : v(t) = 0 quel que soit t.

Si au contraire la position x(t) de l’objet change au cours du temps, autrement dit si :

pendant que le temps a changé d’une valeur : t2 – t1 , la position de l’objet a changé d’une quantité :

De la même manière que vous avez sans aucun doute l’habitude de le calculer avec votre argent placé à la Caisse d’Épargne, on peut calculer le taux de variation de la position de l’objet. Un tel taux sera dit un taux moyen calculé sur la période t2 – t1 . Il sera simplement égal au quotient :

On appellera ce taux moyen la vitesse moyenne de l’objet entre les temps t2 et t1. Cette vitesse s’exprime, comme le montre la formule de calcul ci-dessus, en mètres par seconde (m/s).

Si on réalise ce calcul avec des intervalles de temps t2 – t1 aussi petits que l’on veut, cela nous conduit à définir la vitesse instantanée 1 de l’objet observée à l’instant t2 ≈ t1 . (Ici, le symbole ≈ est utilisé pour signifier ‘pratiquement égal à’ , le ‘pratiquement égal à’ évitant le gros désagrément de se retrouver avec la division de 0 par 0.).

On appellera ce taux moyen la vitesse moyenne de l’objet entre les temps t2 et t1. Cette vitesse s’exprime, comme le montre la formule de calcul ci-dessus, en mètres par seconde (m/s).

Si on réalise ce calcul avec des intervalles de temps t2 – t1 aussi petits que l’on veut, cela nous conduit à définir la vitesse instantanée 1 de l’objet observée à l’instant t2 ≈ t1 . (Ici, le symbole ≈ est utilisé pour signifier ‘pratiquement égal à’ , le ‘pratiquement égal à’ évitant le gros désagrément de se retrouver avec la division de 0 par 0.).

On peut suivre exactement selon la même méthode la variation éventuelle de cette vitesse instantanée v(t) lorsque le temps t s’écoule. On définira ainsi l’accélération comme le taux de variation de la vitesse instantanée au cours du temps. Il s’en suit que les accélérations s’expriment en m/s par seconde, soit d’une manière condensée, en mètres par secondes au carré (m/s2).

Tout cela constitue l’essentiel de ce que l’on appelle en mécanique la cinématique du point matériel. Nous pouvons maintenant revenir à la formule P = mg reliant la masse m de la brique à son poids P.

Le coefficient g qui y figure s’appelle l’accélération de la pesanteur terrestre. C’est une des constantes classiques de la physique. Sa valeur est la suivante :

g = 9,81 m/s2

Si la brique a une masse de 1 kg, son poids P est donc :

P = 1 kg x 9,81 m/s2 = 9,81 Newton

Le Newton est l’unité légale de force. Bien qu’on utilise très fréquemment ce mot de force dans le langage courant, le concept de force n’est pas du tout évident en physique. Pour tout dire, il est même assez compliqué. C’est sans doute pour cette raison que les physiciens ont souvent confondu masse et force, attribuant tantôt à l’une, tantôt à l’autre, le rôle d’unité fondamentale. Si bien que dans la vie courante, on en est encore réduit à compter des forces (les poids) en utilisant une unité de masse (le kilogramme).

Pour illustrer cette complexité avec une force particulière, considérons la résistance à l’avancement d’un avion qui vole. Quelle est la loi de cette force ? Essayons d’imaginer ce qui produit cette résistance sur un avion volant dans l’air – l’air se précipitant par-dessus les ailes, les remous à l’arrière, les changements autour du fuselage, et bien d’autres complications. Vous voyez que ce ne sera pas une loi simple. En fait, nous ne pourrons déterminer cette force qu’empiriquement, à l’aide d’expériences dans une soufflerie.

Je crois que c’est assez pour aujourd’hui. Dans un second article, nous découvrirons comment on définit les unités nécessaires à la réalisation d’évaluations quantitatives dans les questions d’énergie.

Rappelez-vous que pour comprendre ce qui se passe autour de nous, il est indispensable d’avoir des idées saines sur les ordres de grandeur des quantités auxquelles on réfléchit, et donc une vue précise des unités utilisées pour afficher des nombres.

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5 commentaires

  1. Le chimiste suit, ce qui, somme toute, est assez rassurant. Je trouve toutefois le propos peu didactique pour celui qui n’a jamais étudié ces phénomènes. Ne pourrait-on revenir à des explications types Jules Verne ou la Science amusante de mes grands-parents ? Finalement ils étaient plus simples et plus clairs. Je suis persuadé que les modélisations mathématiques indispensables aux scinetifiques rendent immédiatement le propos rébarbatif au néophyte. La simple notion de proportionnalité est inconcevable pour le grand nombre.
    Je vais essayer de traduire le propos pour ma petite-fille actuellement en 6° et ce n’est pas simple !

    1. Je renouvelle mon conseil. Je vous trouve trop pessimiste. Je ne suis pas d’accord pour infantiliser mes interlocuteurs. Je trouve plus motivant de vouloir les tirer vers le haut, s’il en est besoin.
      Quant aux difficultés que vous voyez dans A que multiplie B, il me semble que chacun dans ce pays est parfaitement capable d’apprécier la signification du taux d’intérêt de son Livret A. Avec cela, on peut déjà aller assez loin en physique.
      Quant à Jules Verne, vous tombez bien, et je n’omettrai pas de le citer le moment venu…

  2. Sur le fond de votre propos je n’ai rien à redire, au contraire !
    Mais la vie quotidienne montre tous les jours que nombre de nos compatriotes ne maitrisent pas un minimum scientique et cela ne va pas s’arranger. Dans le milieu enseignant, que je connais bien, on estime que 50 % des élèves de 6° ne maitrisent pas leurs tables de multiplication et sont incapables de concevoir une abstraction.
    Alors quand vous parlez, à juste titre, de la pertinence des unités et de l’importance des ordres de grandeur vous voyez le cap à franchir !
    Quant on voit les réactions irrationnelles aux informations sur le nucléaire, cela me fait penser à ces scientifiques du XVIII° qui démontraient (!?!) qu’il est impossible de faire voler le plus lourd que l’air et beaucoup aujourd’hui ont encore peur de l’avion.

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