L’énergie cinétique est l’énergie de la masse en mouvement. L’énergie cinétique d’un objet est l’énergie dont il dispose en raison de son mouvement.

En mécanique newtonienne (classique), qui décrit des objets macroscopiques se déplaçant à une petite fraction de la vitesse de la lumière, l’énergie cinétique (E) d’un corps massif en mouvement peut être calculé comme la moitié de sa masse (m) multipliée par le carré de sa vitesse (v): E = ½mv2. Notez que l’énergie est une quantité scalaire, c’est-à-dire qu’elle ne dépend pas de la direction et qu’elle est toujours positive. Lorsque nous doublons la masse, nous doublons l’énergie; cependant, lorsque nous doublons la vitesse, l’énergie augmente d’un facteur quatre.

Se mettre au travail

La propriété la plus importante de l’énergie cinétique est peut-être sa capacité à travailler. Le travail est défini comme une force agissant sur un objet dans le sens du mouvement. Le travail et l’énergie sont si étroitement liés qu’ils sont interchangeables. Alors que l’énergie du mouvement est généralement exprimée comme E = ½mv2, le travail (W) est plus souvent considéré comme la force (F) multipliée par la distance (d): W = Fd. Si nous voulons changer l’énergie cinétique d’un objet massif, nous devons travailler dessus.

Par exemple, pour soulever un objet lourd, nous devons faire un travail pour vaincre la force due à la gravité et déplacer l’objet vers le haut. Si l’objet est deux fois plus lourd, il faut deux fois plus de travail pour le soulever à la même distance. Il faut également deux fois plus de travail pour soulever le même objet deux fois plus loin. De même, pour faire glisser un objet lourd sur un sol, il faut vaincre la force de friction entre l’objet et le sol. Le travail requis est proportionnel au poids de l’objet et à la distance sur laquelle il est déplacé. (Notez que si vous portez un piano sur le dos dans un couloir, vous ne faites aucun travail réel.)

L’énergie potentielle

L’énergie cinétique peut être stockée. Par exemple, il faut du travail pour soulever un poids et le placer sur une étagère ou pour comprimer un ressort. Qu’arrive-t-il alors à l’énergie? Nous savons que l’énergie est conservée, c’est-à-dire qu’elle ne peut être ni créée ni détruite; il ne peut être converti que d’une forme à une autre. Dans ces deux cas, l’énergie cinétique est convertie en énergie potentielle car même si elle ne fait pas réellement de travail, elle a le potentiel de faire du travail. Si nous lâchons l’objet de l’étagère ou relâchons le ressort, cette énergie potentielle est reconvertie en énergie cinétique.

L’énergie cinétique peut également être transférée d’un corps à un autre lors d’une collision, qui peut être élastique ou inélastique. Un exemple de collision élastique serait une boule de billard en frappant une autre. En ignorant le frottement entre les billes et la table ou tout spin imparti à la bille blanche, idéalement l’énergie cinétique totale des deux billes après la collision est égale à l’énergie cinétique de la bille blanche avant la collision.

Un exemple de collision inélastique pourrait être un wagon en mouvement qui heurte un wagon stationnaire similaire et s’y attache. L’énergie totale resterait la même, mais la masse du nouveau système serait doublée. Le résultat serait que les deux voitures continuent dans la même direction à une vitesse inférieure telle que mv22 = ½mv12, où m est la masse d’une voiture, v1 est la vitesse de la première voiture et v2 est la vitesse des voitures couplées après la collision. En divisant par m et en prenant la racine carrée des deux côtés, nous obtenons v2 = √2 / 2 ∙ v1. (Notez que v2 ≠ ½v1.)

De plus, l’énergie cinétique peut être convertie en d’autres formes d’énergie et vice versa. Par exemple, l’énergie cinétique peut être convertie en énergie électrique par un générateur ou en énergie thermique par les freins d’une voiture. Inversement, l’énergie électrique peut être reconvertie en énergie cinétique par un moteur électrique, l’énergie thermique peut être convertie en énergie cinétique par une turbine à vapeur et l’énergie chimique peut être convertie en énergie cinétique par un moteur à combustion interne.

Jim Lucas est un écrivain et éditeur indépendant spécialisé en physique, astronomie et ingénierie. Il est directeur général de Lucas Technologies.