Travail et puissance mécaniques - 1er s

Classe: 
Première
 

I. Travail d'une force

1. Observations

Un ouvrier monte un sac à l'aide d'une poulie. Lorsque le sac monte, l'ouvrier travail. Lorsque le reste immobile l'ouvrier se fatigue mais ne travaille pas.
 
Une pierre tombe verticalement sous l'action de la pesanteur. Le poids de la pierre est une force qui se déplace, il effectue un travail.

2. Définition

Une force travail lorsque son poids d'application se déplace

3. Expression du travail d'une force

3.1. Expression du travail d'une force constante

Une force constante est représentée par un vecteur qui reste parallèle à lui-même et qui conserve le même sens, et la même valeur (intensité) au cours du temps. 

3.1.1. Expression du travail d'une force constante sur un déplacement rectiligne

Dans un référentiel donné, le travail (w) d'une force constante (F) dont le point d'application de A à B se déplace suivant une ligne droite est donné par :
WAB(F)=FAB=||F||||AB||cos(FAB)
 
On  pose : ||F||=F  et  ||AB||=AB
 
WAB(F)=FAB=F ABcosα
 
 
F en newtons (N)
 
AB en mètres (m)
 
WAB(F) en joules (J)
 
 Travail moteur et resistant
 
Les deux valeurs F et AB étant toujours positives, le signe du travail dépend de l'angle.
 
Le travail est donc une grandeur algébrique c'est-à-dire, il peut être positif ou négatif.
 
 

3.1.2. Expression du travail d'une force constante sur un déplacement quelconque

La trajectoire AB peut être découpée en une infinité de petits vecteurs déplacent élémentaires rectilignes AB=AA1+A1A2+AnB
 
 
Le travail total est la somme de des travaux élémentaires successifs
 
WAB(F)=FAA1+FA1A2+FAnB
 
WAB(F)=F(AA1+A1A2+AnB)
 
WAB(F)=FAB
 
WAB(F)=FAB=F ABcosα
 
Le travail d'une force constante F ne dépend pas du chemin suivi. Il ne dépend que du point de départ et du point d'arrivée. La force F est appelée « Force conservative ».
 
 Application au travail du poids
Calculons le travail du poids au cours de son déplacement entre A et B
 
Le travail s'écrit :
 
WAB(P)=PAB=P(AH+HB)=PAH+PHB 
 
Or l'angle entre P et HB est un angle de 90 donc le produit scalaire de ces deux grandeurs sera nul. 
 
Soit WAB(P)=PAH
  
De plus AH=zAzB  et  P=mg
 
Finalement WAB(P)=mg(zAzB)   
 
 
Lorsque le centre d'inertie G d'un corps passe d'un point A à un point B, le travail du poids dépend seulement de l'altitude zA du point de départ et de l'altitude zB du point d'arrivée. Il ne dépend donc pas du chemin suivi.

Remarque :

On définit une différence d'altitude
 
h=|zAzB| ; on a alors : WAB(P)=±mgh
 
 Le signe plus () signifie que le corps descend (travail moteur)
 
 Le signe plus (+) signifie que le corps monte (travail résistant)

3.2. Expression du travail d'une force de moment constant 

3.2.1. Expression du travail du couple de force

F1=F1=F
 
W=W(F1)+W(F2)=F1rθ+F2rθ=F(rθ+rθ)=F×2rθW=Mcθ
 
 
Mc en newtons mètres (Nm) ; en radians (rad) ;
 
W en joules (J)

3.2.2. Généralisation

Le travail W effectuée par un force de moment constant, agissant sur un solide tournant d'un angle θ autour d'un axe fixe est donné par la relation :
W=Mcθ 
θ est positif si la relation s'effectue sur le sens positif
 
θ est négatif si la relation s'effectue sur le sens négatif

3.3. Expression du travail d'une force variable

3.3.1. Expression du travail d'une force élastique

Le travail  de la force élastique du ressort de raideur K dont l'allongement passe progressivement de xi à xf est donné par l'expression :
WT=12K(X2fX2i)
 
 
K en Nm1 ; xi et xf en m et WT en J
 
Le travail de la tension est un travail résistant 
 
La tension est une force conservatrice

3.3.2. Expression du travail des forces de torsion

Le travail W des forces de torsion d'un fil de constante de torsion (C) tordu progressivement de θi à θf est donné par l'expression :
Wc=12K(θ2fθ2i)
 
C constante de torsion en Nmrad1
 
θi et θf en rad et Wc en J
 
 

II. Puissance

1. Observation

Pour soulever une charge (s) d'une hauteur (h), une grue est plus efficace que l'homme (La grue met moins de temps que l'homme). Pourtant, le travail effectué par la grue est la même que celui effectué par l'homme.
 
On dit que la puissance de la grue est grande à celle de l'homme.

2. Définition

La puissance mécanique d'une force caractérise sa capacité à effectuer sur travail donné   rapidement.

3. La puissance moyenne

La puissance moyenne d'une force est le quotient du travail effectué par la force et par le temps mis pour l'effectuer.
PMoyenne=WΔt
 
 
W en joules (J) ; Δt en secondes (s) et PMoyenne en watts (W)

4. Puissance instantanée d'une force 

4.1. Puissance instantanée d'une force en mouvement de translation

La puissance instantanée d'une force en mouvement de translation est donnée par la relation :
 
P=WFt=FABt=FvP=Fvcos(F, v)

4.2. Puissance instantanée d'une force quelconque appliquée à un solide en rotation

La puissance instantanée d'une force quelconque s'exerçant sur un solide tournant autour d'un axe fixe  est à  chaque instant :
 
P=Wt=MΔ(F)×θt=MΔ(F)×θtP=MΔ(F)ω
 
Avec MΔ(F) en Nm en ω en rads1 et P en W

Remarque :

Autre unité du travail : le kilowattheure
 
W=P×t
 
Si P est kW et t en h alors W sera donc en kilowattheure 
 
1kWh=1kW×1h=103×36001kWh=36105
 
Autre unité de puissance : le cheval vapeur (Ch)
 
1Ch=736W
 
Quelques valeurs de puissance
Formule 1600kWCentrale hydraulique400MWMoteur de TGV6400kWRéacteur de centrale nucléaire900MW

Exercice d'application

Le point d'application d'une force est déplacé dans un repère orthonormé (O, i, j)  
 
On donne : F=σi
 
G est déplacé successivement de A à B puis de B à C en fin de C à D. on donne :
 
OA=2i+4j ;
 
OB=3i+4j ;
 
OC=2i+8j 
 
et OD=4j 
 
Les coordonnées sont en cm
 
Calculer le travail effectué par la force sur chaque déplacement
 
Résolution :
 
Calcul du travail effectué par la force sur chaque déplacement :
 
 Sur le déplacement AB
 
WAB(F)=FAB=F(AO+OB)=6j(2i4j+3i+4j)=6j5i=6×5102WAB(F)=30102J

 Sur le déplacement BC

WBC(F)=FBC=F(BO+OC)=6j(3i4j+2i+8j)=6j4j=6×4102WBC(F)=24102J


 Sur le déplacement CD

WCD(F)=FCD=F(CO+OD)=6j(2i8j4j)=6j12j=6×12102WCD(F)=72102J
 

Commentaires

tggedd

Bon cours

C'est un cours très bien fait.Merci

Merci pour les compliments et je suis à l'écoute s'il y a des choses qui ne sont pas claires ou s'il y a des choses à améliorer . Un cours n est jamais parfait

Le W est négatif le travail est résistant le corps montre Le W positif le travail est moteur donc l corps descend . Merci.

Merci monsieur pour votre altruisme. Cependant sans abuser de votre générosité est-il possible de l'avoir en format pdf ? Si oui laissez moi le lien en commentaire svp.

Merci pour le cour c très intéressant

Comment vous avez obtenu F=6j dans l'exercice

Pourquoi on utilise que le J lorsqu'on calcule le travail de F sur AB, BC, CD

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