Force, travail et puissance : les bases de la mécanique
Une force met un objet en mouvement, le travail mesure l’énergie qu’elle lui transfère, et la puissance indique à quelle vitesse ce transfert se fait. Trois formules, liées les unes aux autres.
Force et accélération
La deuxième loi de Newton relie la force résultante qui s’exerce sur un objet à sa masse et à son accélération. La force s’exprime en newtons (N).
F = m × a
Exemple : une masse de 3 kg accélère à 3 m/s²
- F = 3 × 3 = 9
Force résultante : 9 N
Masse et poids
La masse (en kg) est la quantité de matière ; elle est la même partout. Le poids (en N) est la force d’attraction exercée par la Terre, ou par un autre astre.
P = m × g, avec g ≈ 9,81 N/kg sur Terre
Exemple : une personne de 70 kg
- P = 70 × 9,81 ≈ 687
Poids : environ 687 N
Sur la Lune, où g vaut environ 1,6 N/kg, la même personne garde sa masse de 70 kg, mais son poids n’est plus que d’environ 112 N.
Le travail d’une force
Quand une force déplace un objet dans sa propre direction, elle lui transfère de l’énergie. Ce travail s’exprime en joules (J).
W = F × d (force dans le sens du déplacement)
Exemple : une force de 15 N sur 4 m
- W = 15 × 4 = 60
Travail : 60 J
Une force perpendiculaire au déplacement ne travaille pas. Porter un sac en marchant à plat ne fournit aucun travail au sac au sens de la physique, même si les bras se fatiguent.
La puissance
La puissance est l’énergie transférée par seconde. Elle s’exprime en watts : 1 W = 1 J/s.
P = E ÷ t
E = P × t
Exemple : 180 J transférés en 10 s
- P = 180 ÷ 10 = 18
Puissance : 18 W
Le kilowattheure de la facture
Pour l’électricité domestique, on compte l’énergie en kilowattheures : c’est l’énergie consommée par un appareil de 1 000 W pendant une heure, soit 3 600 000 J.
Exemple : un radiateur de 2 000 W allumé 3 h
- 2 000 W = 2 kW
- 2 × 3 = 6
Consommation : 6 kWh
Les pièges fréquents
- Confondre masse (kg) et poids (N).
- Compter le travail d’une force perpendiculaire au déplacement.
- Confondre le watt (une puissance) et le wattheure (une énergie).
- Utiliser des minutes au lieu de secondes dans P = E ÷ t exprimé en watts.
- Oublier que F dans F = m × a est la force résultante, pas une seule des forces.
Exercices corrigés
Cherchez d’abord la réponse, puis ouvrez la correction.
Une masse de 5 kg accélère à 2 m/s². Quelle est la force résultante ?
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- F = 5 × 2
Réponse : 10 N
Une force de 20 N déplace un objet de 8 m dans sa direction. Quel est le travail ?
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- W = 20 × 8
Réponse : 160 J
Un moteur fournit 1 200 J en 1 minute. Quelle est sa puissance ?
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- 1 min = 60 s
- 1 200 ÷ 60 = 20
Réponse : 20 W
Une bouilloire de 2 kW fonctionne 6 minutes. Quelle énergie consomme-t-elle ?
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- 6 min = 0,1 h
- 2 × 0,1 = 0,2
Réponse : 0,2 kWh
Une force résultante de 30 N agit sur une masse de 6 kg. Quelle est son accélération ?
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- a = F ÷ m
- 30 ÷ 6 = 5
Réponse : 5 m/s²
Quel est le poids d’une masse de 50 kg sur la Lune (g ≈ 1,6 N/kg) ?
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- P = 50 × 1,6
Réponse : 80 N