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)=→F⋅→AB=||→F||||→AB||cos(→F→AB)
On pose : ||→F||=F et ||→AB||=AB
⇒WAB(→F)=F⋅AB=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)=→F⋅→AA1+→F⋅→A1A2+…→F⋅→AnB
⇒WAB(→F)=→F⋅(→AA1+→A1A2+…→AnB)
⇒WAB(→F)=→F⋅→AB
⇒WAB(→F)=F⋅AB=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)=→P⋅→AB=→P⋅(→AH+→HB)=→P⋅→AH+→P⋅→HB
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)=→P⋅→AH
De plus AH=zA−zB et P=mg
Finalement WAB(→P)=mg(zA−zB)

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=|zA−zB| ; 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×2rθ⇒W=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 :
W→T=−12K(X2f−X2i)

K en N⋅m−1 ; xi et xf en m et W→T 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(θ2f−θ2i)
C constante de torsion en N⋅m⋅rad−1 ;
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=W→Ft=→F⋅→ABt=→F⋅→v⇒P=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)×θt⇒P=MΔ(→F)ω
Avec MΔ(→F) en N⋅m en ω en rads−1 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=103×3600⇒1kWh=36⋅105
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=σ→i
G est déplacé successivement de A à B puis de B à C en fin de C à D. on donne :
→OA=2→i+4→j ;
→OB=−3→i+4→j ;
→OC=2→i+8→j
et →OD=−4→j
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)=→F⋅→AB=→F⋅(→AO+→OB)=6→j⋅(−2→i−4→j+−3→i+4→j)=6→j⋅−5→i=6×−5⋅10−2⇒WAB(→F)=−30⋅10−2J
▸ Sur le déplacement BC
WBC(→F)=→F⋅→BC=→F⋅(→BO+→OC)=6→j⋅(3→i−4→j+2→i+8→j)=6→j⋅4→j=6×4⋅10−2⇒WBC(→F)=24⋅10−2J
▸ Sur le déplacement CD
WCD(→F)=→F⋅→CD=→F⋅(→CO+→OD)=6→j⋅(−2→i−8→j−4→j)=6→j⋅−12→j=6×−12⋅10−2⇒WCD(→F)=−72⋅10−2J
Commentaires
Cheikhdieng002 (non vérifié)
dim, 07/25/2021 - 14:08
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Ff
Laplace (non vérifié)
sam, 09/18/2021 - 11:31
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Cours
Anonyme (non vérifié)
dim, 11/14/2021 - 01:56
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Nice
Anonyme (non vérifié)
dim, 11/14/2021 - 01:57
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Nice
Dame Drame (non vérifié)
dim, 11/21/2021 - 09:02
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Document pdf
Sidymohamed.ndi... (non vérifié)
mer, 05/18/2022 - 23:51
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Merci pour les compliments
Abou Deme (non vérifié)
lun, 11/14/2022 - 21:47
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Le W est négatif le travail
ZADI (non vérifié)
dim, 10/09/2022 - 05:20
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Demande du PDF
Somono (non vérifié)
jeu, 10/27/2022 - 22:37
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Merci pour le cour c très
Nndiaye (non vérifié)
sam, 12/31/2022 - 14:33
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Comment vous avez obtenu F=6j
Aboubacar Sidik... (non vérifié)
lun, 07/29/2024 - 12:44
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Question
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