Énergie potentielle élastique

Figure 1. Énergie potentielle élastique stockée par un ressort.[1]

L'énergie potentielle élastique est l'énergie potentielle stockée par la déformation d'un matériau élastique, tel qu'un ressort comme le montre la figure 1.[2]

Contexte

La capacité de transférer de l'énergie sous cette forme dépend de l'élasticité d'un matériau. L'énergie stockée dans un ressort dépend de la :

  • distance à laquelle le ressort est déformé (étiré ou comprimé) ;
  • constante du ressort. Cette constante est la quantité de force nécessaire pour étirer ou comprimer un ressort d'un mètre.[3]

L'énergie potentielle élastique est exprimée par l'équation :[3]

[math]E_{élastique}= \frac{1}{2}{k}{x^2}[/math]

[math]E_{élastique}[/math]: l'énergie potentielle élastique (joules, J)

[math]k[/math]: la constante du ressort (newtons par mètre, N/m)

[math]x[/math]: la distance par rapport à la position initiale (d'équilibre) (mètres, m)

Les propriétés élastiques d'un ressort dépendent de la forme et du matériau du ressort. Par conséquence, la constante du ressort est différente pour chaque objet.

Application

Comme le ressort peut rester dans un état comprimé ou étiré pendant de longues périodes sans dissiper d'énergie, l'énergie potentielle élastique est fondamentale pour de nombreux dispositifs mécaniques,[3] tels que les amortisseurs dans les voitures. Ce potentiel peut également être utilisé dans les systèmes de contrôle ou dans les systèmes mécaniques pour réduire l'impact des perturbations, par exemple dans les automobiles. Dans les véhicules, les amortisseurs visent à réduire l'impact sur les passagers en absorbant la [force] causée par la conduite sur des routes cahoteuses. L'énergie potentielle élastique est également exploitée dans les systèmes de freinage régénératif d'un véhicule, où l'énergie stockée est utilisée pour donner au véhicule une petite poussée de puissance.

Déformation élastique vs. déformation plastique

La déformation élastique est un type de déformation qui se produit lorsque l'énergie utilisée pour changer la forme d'un objet est égale à celle produite lorsque les pressions et les forces sont relâchées. Par exemple, lorsque vous tirez sur un ressort, celui-ci reprend sa forme initiale lorsqu'il est relâché (l'énergie fournie est égale à l'énergie produite). C'est ce qui permet aux objets d'avoir une énergie potentielle élastique.

La déformation plastique est un type de déformation qui se produit lorsque l'énergie utilisée pour déformer un objet n'est pas égale à l'énergie produite. L'objet ne reprend pas sa forme initiale. Par exemple, lorsque deux voitures entrent en collision, une grande partie de leur énergie cinétique est transférée à de nouvelles formes et utilisée pour modifier de façon permanente la forme des voitures.[4]

La plasticité signifie que lorsqu'un objet est étiré, il reste étiré. Quand un objet reste étiré (ou plié), ce processus est appelé déformation plastique. Lorsque le matériau retrouve sa forme initiale, une déformation élastique s'est produite.[5]

Tous les ressorts ont un certain degré de déformation plastique. Une partie de l'énergie est toujours transférée à de nouvelles formes, telles que l'énergie thermique. La déformation plastique provoque l'accélération des atomes du ressort, ce qui augmente la température du matériau (ce qui se ressemle à la friction mais est pourtant différente d'elle). C'est pourquoi les capots des voitures sont très chauds après un accident. L'énergie potentielle élastique ne se transforme pas en nouvelles formes et donc n'augmente pas la température.

Simulation Phet

L'Université du Colorado nous a généreusement permis d'utiliser la simulation de Phet suivante. Explorez cette simulation pour voir comment l'énergie potentielle gravitationnelle, l'énergie potentielle élastique et l'énergie cinétique sont liées dans les systèmes élastiques.

En savoir plus

Pour plus d'information, veuillez consulter les pages correspondantes ci-dessous :


Références

  1. Wilson, Tracy. (2014, Aug. 14). How Crossbows Work [Online]. Available: http://science.howstuffworks.com/crossbow2.htm
  2. Landau, L.D. and Lifshitz, E. M., Theory of Elasticity, 3rd ed. Oxford, England: Butterworth Heinemann, 1986, Ch. 2.
  3. 3,0 3,1 et 3,2 R. D. Knight, "Springs," in Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach, 2nd ed. San Francisco: Pearson Addison-Wesley, 2008, pp. 281-284.
  4. R. D. Knight, "Inelastic collisions," in Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach, 2nd ed. San Francisco: Pearson Addison-Wesley, 2008, pp. 284-287.
  5. Hawkes et al, "Deformation and Elasticity," in Physics for Scientists and Engineers 1st ed. Toronto: Cengage, 2014, pp. 265-268.

Auteurs et rédacteurs

Ethan Boechler, Victoria Johnson, Anna Pletnyova, Luisa Vargas Suarez, Jason Donev
Dernière mise à jour : 17 décembre, 2021
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