Comment fonctionne le travail mécanique? - Peter Bohacek

Voir la leçon complète : http://ed.ted.com/lessons/how-does-work-work-peter-bohacek

Les concepts de travail et de puissance mécanique nous aident à élucider et à comprendre la plupart des lois physiques qui régissent notre univers. Dans cette leçon, Peter Bohacek explore l'interaction de chaque concept lorsqu'on les applique à deux objets ordinaires --- une ampoule et une horloge de grand-père.

Leçon de Peter Bohacek, animation de Luke Cahill.

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.