Énergie potentielle

Cet article est une ébauche concernant l’énergie et la physique.

En physique, l'énergie potentielle d'un corps est l'énergie associée à sa position dans un champ de force. Elle possède la capacité de se transformer en énergie cinétique^[1].

La force qui modélise l'interaction est une force conservative : son travail ne dépend pas du chemin suivi lors du déplacement, mais uniquement du point de départ et du point d'arrivée.

La différence entre les énergies potentielles associées à deux points de l'espace est alors égale à l'opposé du travail de la force concernée pour aller d'un point à l'autre, et ce, quel que soit le chemin utilisé :

W_{A\to B}({\vec {F}})=E_{p}(A)-E_{p}(B)

Cette énergie potentielle, définie à une constante arbitraire près, ne dépend que de la position du corps dans l'espace. Elle est exprimée en joules dans le Système international d'unités.

On peut dériver la force de son énergie potentielle associée :

{\textstyle {\overrightarrow {F}}=-\operatorname {\overrightarrow {grad}} (E_{p})}

Un exemple simple est celui d'un corps terrestre tenu en hauteur, qui possède une énergie potentielle de pesanteur $E_{p}=m\,g\,z$ ^[2] du fait de son altitude, et qui, une fois lâché, transforme cette énergie potentielle en énergie cinétique (sa vitesse augmente au cours de sa chute). La force qui modélise l'interaction responsable de cette énergie potentielle est le poids :

{\textstyle {\overrightarrow {P}}=-\operatorname {\overrightarrow {grad}} (E_{p})=-{\frac {\mathrm {d} E_{p}}{\mathrm {d} z}}{\overrightarrow {e_{z}}}=-m\,g\,{\overrightarrow {e_{z}}}}

Quelques exemples d'énergies potentielles

Chaque force conservative donne naissance à une énergie potentielle.

Au niveau macroscopique, on distingue usuellement les deux suivantes :
- L'énergie potentielle gravitationnelle^[3] : $E_{p}=-G{\frac {m_{1}\,m_{2}}{r_{12}}}$ . L'énergie potentielle de pesanteur^[2], $E_{p}=m\,g\,z$ , en est un cas particulier.
- L'énergie potentielle électrostatique^[4] : $E_{p}={\frac {q_{1}q_{2}}{4\pi \,\epsilon _{0}\,r_{12}}}$ . L'énergie potentielle élastique^[5], $E_{p}={\frac {1}{2}}k\,x^{2}$ , en est un cas particulier.

À l'échelle microscopique, elle est une partie de l'énergie interne ; elle est associée aux énergies de liaisons des éléments chimiques ou nucléaires^{[réf. souhaitée]}.
- Les énergies de liaison chimique entre les atomes qui forment les molécules ou les cristaux et qui expliquent les vibrations responsables d'une partie de l'énergie thermique.
- Les énergies nucléaires impliquant les nucléons et assurant la cohésion des noyaux atomiques.

Condition d'équilibre d'un système

À partir de la relation entre le travail d'une force conservative et l'énergie potentielle on obtient la relation suivante, avec ${\overrightarrow {\mathrm {d} l}}$ le vecteur caractérisant un déplacement élémentaire :

\ \delta W_{F}={\overrightarrow {F}}\cdot {\overrightarrow {\mathrm {d} l}}=F\,\mathrm {d} l\,\cos {\Big (}{\widehat {{\vec {F}};{\vec {\mathrm {d} l}}}}{\Big )}=-\mathrm {d} E_{p}

.

On a ainsi : $F\,\cos {\Big (}{\widehat {{\overrightarrow {F}};{\overrightarrow {\mathrm {d} l}}}}{\Big )}=-{\frac {\mathrm {d} E_{p}}{\mathrm {d} l}}$ .

Dans le cas où le système est soumis à cette seule force, on sait d'après les lois de Newton que le système est en équilibre si ${\overrightarrow {F}}={\overrightarrow {0}}$ (le moment des forces est nul également par voie de conséquence). On en déduit une condition d'équilibre pour un système possédant une énergie potentielle :

{\frac {\mathrm {d} E_{p}}{\mathrm {d} l}}=0

Le système est donc en équilibre quand son énergie potentielle admet des minimums et des maximums locaux. On peut alors différencier les positions d'équilibre stables et instables^[6]^,^[7] selon que l'énergie potentielle est respectivement minimale ou maximale. La stabilité d'un équilibre peut ainsi être déduite du signe de la dérivée seconde de l'énergie potentielle :

${\frac {\mathrm {d} ^{2}E_{p}}{\mathrm {d} l^{2}}}>0$ pour un équilibre stable (l'énergie potentielle présente un minimum local),
a contrario ${\frac {\mathrm {d} ^{2}E_{p}}{\mathrm {d} l^{2}}}<0$ pour un équilibre instable (l'énergie potentielle présente un maximum local).

On peut aussi souligner les notions de puits ou de barrière d'énergie potentielle.

Un puits d'énergie potentielle existe lorsque la représentation graphique de l'énergie potentielle en fonction du paramètre décrivant le mouvement admet un puits. Si le système n'a pas assez d'énergie mécanique pour sortir du puits, il est contraint de rester entre deux positions et peut éventuellement osciller.
Une barrière d'énergie potentielle existe lorsque l'énergie potentielle tend vers l'infini quand le système s'approche d'une certaine position. Le système ne peut alors pas aller au-delà de cette position et est contraint de revenir en arrière.

Notes et références

↑ Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, De Boeck Superieur, 23 janvier 2018 (ISBN 978-2-8073-0744-5, lire en ligne), p. 265
1 2 $m$ est la masse, $g$ est l'accélération de la pesanteur et $z$ l'altitude.
↑ Énergie potentielle gravitationnelle entre deux masses ponctuelles. $m_{1}$ et $m_{2}$ sont les masses, $G$ la constante gravitationnelle et $r_{12}$ la distance entre les deux masses.
↑ Énergie potentielle électrostatique entre deux charges ponctuelles. $q_{1}$ et $q_{2}$ sont les charges électriques, $\epsilon _{0}$ est la permittivité électrique du vide et $r_{12}$ la distance entre les charges.
↑ Énergie potentielle élastique d'un ressort. $k$ est la raideur du ressort, $x$ est la position de l'extrémité par rapport à la position d'équilibre.
↑ Jérôme Majou, Physique !: tout le programme PCSI, MPSI, PTSI, Editions Bréal, 2004 (ISBN 978-2-7495-0307-3, lire en ligne), p. 431-433
↑ Ferdinand P. Beer, Russell E. Johnston et David F. Mazurek, Mécanique pour ingénieurs Vol.1: Statique, De Boeck Superieur, 15 mai 2018 (ISBN 978-2-8073-1892-2, lire en ligne), p. 543