Travail

Le travail est le transfert d'énergie mécanique d'un objet à un autre. Comme le travail est un mouvement d'énergie, il est mesuré dans les mêmes unités que cette dernière : les joules (J). La définition du travail dans un contexte de physique est très différente de celle utilisée dans la vie quotidienne d'une personne et est la suivante :

Le travail est effectué lorsqu'une force est appliquée sur un objet à travers une distance.

Cela signifie que lorsqu'une force est appliquée à un objet sur une certaine distance, l'énergie totale de l'objet est affectée. L'objet peut soit accélérer ou ralentir, ce qui entraîne une modification de son énergie cinétique (voir la figure 1), ou bien il aura une énergie potentielle modifiée si, par exemple, il a été soulevé d'une certaine hauteur sous la force de la gravité.

Figure 1. Un lanceur effectue un travail sur une balle de baseball afin d'augmenter son énergie cinétique. Son bras va le plus loin en arrière, puis le plus en avant, afin de maximiser la distance à laquelle la force a été appliquée.

Le travail s'étend également au-delà de ce qu'une personne peut physiquement voir. Il peut également affecter les propriétés microscopiques d'un système, comme la température. En 1843, cette idée a commencé à être explorée par les scientifiques, et ses résultats ont conduit à la formulation de ce qui est maintenant connu sous le nom de la thermodynamique. Le fait d'effectuer un travail sur un système peut affecter son énergie interne, tout comme l'ajout de chaleur. Cependant, les deux processus sont fondamentalement différents et peuvent être étudiés sur la page chaleur vs travail.

Tous les cas décrits jusqu'à présent sur la façon dont le travail peut affecter un système peuvent être résumés en une seule équation :

[math]\displaystyle{ W=\Delta K + \Delta U + \Delta E_{th} }[/math]

Cette équation indique que le travail ([math]\displaystyle{ W }[/math]) peut modifier ([math]\displaystyle{ \Delta }[/math]) l'énergie cinétique ([math]\displaystyle{ K }[/math]), l'énergie potentielle ([math]\displaystyle{ U }[/math]), l'énergie thermique ([math]\displaystyle{ E_{th} }[/math]), ou toute combinaison des trois d'un système.

Le travail réellement effectué peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

[math]\displaystyle{ W = \vec{F} \cdot \vec{d} }[/math]

Où

• [math]\displaystyle{ W }[/math] est le travail, ou le changement d'énergie mécanique, mesuré en joules (J)
• [math]\displaystyle{ F }[/math] est la force mesurée en newtons (N)
• [math]\displaystyle{ d }[/math] est le déplacement de l'objet

Les flèches au-dessus de la force et du déplacement indiquent qu'il s'agit de vecteurs. Cela signifie qu'une direction leur est associée, ce qui a des implications importantes sur le travail effectué sur un objet. Si les deux directions sont identiques, comme dans la figure 1, l'énergie du système augmente, ce qui signifie qu'un travail positif a été effectué. Si les directions sont opposées, comme dans le cas de la force appliquée par la friction et la résistance de l'air à une voiture en mouvement, l'énergie du système diminuera, ce qui entraînera un travail négatif.

En physique, le travail n'est jamais quelque chose qu'un objet possède. C'est seulement quelque chose que fait un objet à un autre. Le travail modifie la quantité d'énergie mécanique et interne que possèdent les objets. Lorsqu'un travail est effectué sur un système ou un objet, de l'énergie lui est ajoutée. Lorsqu'un travail est effectué par un système ou un objet, il donne une partie de son énergie à quelque chose d'autre.

Lancer une balle signifie qu'une main applique une force pendant que le bras se déplace vers l'avant. En appliquant une force sur la balle sur cette distance, la main effectue un travail sur la balle, et celle-ci acquiert de l'énergie cinétique. C'est ce qui lui donne de la vitesse.

Les relations mathématiques entre le travail total et l'énergie totale sont décrites par le théorème travail-énergie et la conservation de l'énergie. Les machines simples peuvent modifier la quantité de force nécessaire pour déplacer un objet, mais la force doit être appliquée sur une plus grande distance ; elles ne modifient pas la quantité de travail effectuée.