En physique,
les notions de travail et de puissance mécanique nous aident à comprendre
et expliquer beaucoup de choses dans notre univers.
Commençons par le travail.
Le travail positif est l'énergie que nous mettons dans un système,
et le travail négatif est l'énergie qui est transférée à l'extérieur.
Pensez au travail positif comme de l'argent qu'on ajoute à votre compte en banque,
et au travail du négatif comme de l'argent qu'on en retire.
Dans le système métrique,
travail mécanique et énergie sont mesurés en Joules.
À titre d'exemple, prenons une belle vieille horloge mécanique de grand-père.
Nous transférons l'énergie dans l'horloge
quand on tourne la manivelle
pour élever les lourds cylindres de métal à l'intérieur de l'horloge.
Quand nous faisons cela, nous faisons un travail mécanique positif,
en ajoutant de l'énergie à l'horloge,
et cette énergie est emmagasinée sous forme d'énergie potentielle gravitationnelle.
Nous pouvons calculer la quantité de travail accompli en multipliant la force que nous appliquons
par la distance sur laquelle nous appliquons la force.
Pour élever les cylindres métalliques,
nous avons besoin d'appliquer une force égale à leur poids.
Autrement dit, égale à la force de gravité
tirant les cylindres vers le bas.
Ces cylindres pèsent 300 Newtons,
ce qui est assez lourd,
à peu près autant qu'un petit enfant,
et si nous les levons de 1/2 mètre,
alors nous faisons 300 Newtons
multiplié par 1/2 mètre
ou 150 Joules de travail.
La puissance est la vitesse à laquelle l'énergie est transférée.
Quand nous disons vitesse,
nous voulons dire la quantité d'énergie transférée
par unité de temps.
Dans le système métrique, la puissance est mesurée en
Joules par seconde,
ou Watts.
Le terme Watt remonte à James Watt,
qui a inventé la notion de chevaux
pour mesurer la quantité d'énergie
produite par un cheval de trait typique.
James Watt était un producteur de machines à vapeur industrielles,
et il voulait que ses clients potentiels
pussent faire des comparaisons
entre ses machines à vapeur et une quantité familière,
la puissance qu'ils pouvaient obtenir d'un cheval de trait.
C'était une idée tellement utile
que l'unité du système métrique pour la puissance mécanique, le Watt,
porte le nom de James Watt.
Suivant les traces de James Watt,
comparons la quantité de puissance qu'il faut
pour faire fonctionner cette horloge de grand-père
à la puissance qu'il nous faudrait pour faire fonctionner
une ampoule de 100 watts.
Nous pouvons mesurer la puissance qu'une personne utilise
pour remonter l'horloge
en divisant la quantité de travail qu'il a fait
par le temps qu'il lui a fallu pour le faire.
Si ça prend 1 minute, ou 60 secondes,
pour soulever les poids,
puis il fait 150 Joules
divisé par 60 secondes,
ou 2,5 Joules par seconde de travail mécanique.
Il ajoute l'énergie à l'horloge
au taux de 2,5 Watts.
Vous auriez besoin d'environ 40 fois plus
pour faire fonctionner une ampoule de 100 watts.
Avant de laisser l'horloge fonctionner,
l'énergie est emmagasinée
comme énergie potentielle gravitationnelle des cylindres.
C'est comme votre compte bancaire
quand vous venez de déposer de l'argent.
Mais si nous laissons l'horloge fonctionner,
les cylindres se déplacent lentement vers le bas.
L'énergie quitte l'horloge.
En fait, quand les cylindres arrivent au fond,
toute l'énergie potentielle que nous avons apporté sera partie.
Quelle quantité d'énergie l'horloge utilise-t-elle ?
Autrement dit, combien de Joules d'énergie par seconde quittent l'horloge
si il faut 5 jours pour que les cylindres reviennent à leur position d'origine ?
Nous pouvons trouver ça
parce que nous savons déjà la quantité de travail que nous avons faite
quand nous avons soulevé les cylindres :
150 Joules.
Mais cette fois, il a fallu 5 jours plutôt qu'une minute.
Cinq jours c'est 5 fois 24
fois 60
fois 60 à nouveau
soit 432 000 secondes.
Nous divisons donc le travail accompli par le temps
et trouvons la réponse d'environ 0,00035 Joules par seconde,
ou environ 0,35 milliwatts.
C'est une toute petite quantité de puissance.
Cette horloge utilise tellement peu de puissance
que vous pouvez faire fonctionner presque 300 000 horloges
à l'aide de la même puissance qu'il faut pour faire fonctionner une ampoule de 100 watts.
C'est vrai, vous pouvez faire fonctionner une horloge dans chaque maison
dans une ville de taille moyenne avec cette puissance.
C'est une conclusion assez étonnante
et il a fallu connaître le travail
et la puissance pour y parvenir.