L'énergie potentielle est l'énergie qu'un objet possède en raison de sa position dans un champ de force ou de la configuration de ses parties. Sa valeur est une grandeur scalaire dont l'unité de mesure du Système International d'Unités est le joule (J).
Ce terme a été introduit par l’ingénieur et physicien écossais du XIXe siècle William Rankine. Cependant, il est lié au concept de virtualité du philosophe grec Aristote.
Dans cet article nous allons définir ce concept en profondeur, expliquer les différents types qui existent et proposer quelques exemples observables dans la vie quotidienne et en science.
Définition de l'énergie potentielle
L'énergie potentielle fait référence à l'énergie stockée dans un objet en raison de sa position relative, de sa configuration ou de son état.
En d’autres termes, il s’agit d’une forme d’énergie qu’un objet possède en raison de sa position dans un champ de force ou de sa capacité à effectuer un travail dans le futur. Il existe deux principaux types d’énergie potentielle : l’énergie potentielle gravitationnelle et l’énergie potentielle élastique.
Types d'énergie potentielle
L'énergie peut prendre différentes formes. Bien que gravitationnel soit le plus connu, il en existe de nombreux autres types que nous vous présentons ci-dessous :
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Énergie potentielle gravitationnelle : elle est directement liée à la force de gravité, elle est donc impliquée dans des phénomènes aussi courants que le mouvement des objets sur Terre. Par exemple, il est essentiel dans la production d’électricité dans les centrales hydroélectriques.
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Énergie potentielle chimique : Elle est impliquée dans les réactions chimiques qui libèrent ou absorbent de l’énergie. Par exemple, c’est la base énergétique des combustibles fossiles, de la photosynthèse et de divers processus chimiques.
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Énergie potentielle nucléaire : elle est cruciale dans les applications de production d'énergie électrique à grande échelle, comme dans les réacteurs nucléaires, et dans la compréhension de la physique nucléaire et de l'énergie dans l'univers. Les réactions de fusion nucléaire et de fission permettent de convertir cette énergie en énergie thermique.
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Énergie potentielle élastique : elle est pertinente dans les applications mécaniques, telles que la suspension des véhicules et le fonctionnement des ressorts et des amortisseurs. Bien que son impact soit important, il est plus spécifique que l’énergie potentielle gravitationnelle et chimique.
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Énergie potentielle électrique : Elle est cruciale dans les applications électroniques et dans la production d’électricité. Bien que vitale dans ces domaines, sa pertinence peut être moins évidente dans la vie quotidienne que d’autres types d’énergie potentielle.
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Énergie potentielle magnétique : elle est pertinente dans des domaines tels que l’électronique et la production d’électricité, mais son impact global sur la vie quotidienne peut être moins évident que d’autres types d’énergie potentielle.
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Énergie potentielle thermique : ce type fait référence à l'énergie stockée dans la température d'un système. Plus un objet ou une substance est chaud, plus son énergie thermique potentielle est élevée. Cette énergie peut être transformée en travail utile, comme dans le cas des moteurs thermiques tels que les moteurs à combustion interne et les turbines à vapeur utilisés dans les centrales nucléaires.
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Énergie potentielle des puits quantiques : Dans le domaine de la physique quantique, il existe un concept d'énergie potentielle associée aux particules subatomiques confinées dans des structures microscopiques appelées « puits quantiques ». Ces puits quantiques sont utilisés dans des appareils électroniques tels que les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers, où l'énergie potentielle est convertie en lumière cohérente.
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Énergie potentielle du ressort de torsion : dans les systèmes mécaniques impliquant des ressorts de torsion (ressorts qui se tordent plutôt que de s'étirer ou de se comprimer), ce type d'énergie est stocké et libéré lorsque le ressort de torsion se détend et revient à sa position d'équilibre.
Exemples d'énergie potentielle
L'énergie potentielle est présente dans de nombreux aspects de notre vie quotidienne et de la science. Voici quelques exemples de situations dans lesquelles ce type d’énergie se manifeste :
- Saut en parachute : Lorsqu'un parachutiste s'élève dans un avion, il accumule de l'énergie potentielle gravitationnelle. Lors du saut, cette énergie est convertie en énergie cinétique, permettant un atterrissage en toute sécurité.
- Hydroélectrique : Les centrales hydroélectriques stockent l’eau dans des réservoirs surélevés. L'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau est convertie en énergie électrique lorsque l'eau coule vers le bas, faisant tourner des turbines.
- Ressorts et élastiques : Lorsque vous étirez un ressort ou un élastique, vous accumulez de l’énergie potentielle élastique. Lorsque vous lâchez prise, cette énergie est libérée, ce qui fait que le ressort ou l'élastique reprend sa forme initiale.
- Bombes atomiques – Ces types d’armes nucléaires exploitent l’énergie potentielle nucléaire libérée lors d’une réaction de fission nucléaire pour créer un effet hautement destructeur.
- Charge électrique dans les batteries : Les batteries stockent l’énergie potentielle électrique. Lorsqu'elle est connectée à un appareil, cette énergie est convertie en énergie électrique utilisable.
- Réactions chimiques en cuisine : Lorsque nous cuisinons, l’énergie potentielle chimique des aliments est libérée par des réactions chimiques, générant de la chaleur et permettant aux aliments de cuire.
- Fusées spatiales : Avant le décollage, les fusées stockent une grande quantité de carburant. Lors du décollage, l’énergie potentielle chimique du carburant est convertie en énergie cinétique qui propulse la fusée dans l’espace, elle-même convertie en énergie potentielle gravitationnelle.
- Jouets à ressort : les jouets gonflables, tels que les jouets à remonter ou les poupées, utilisent l'énergie potentielle élastique stockée dans un ressort pour réaliser des mouvements amusants.
- Faire osciller un pendule : Un pendule oscille en raison de la conversion entre l’énergie potentielle gravitationnelle et cinétique. Lorsque le pendule est soulevé, il accumule de l’énergie potentielle qui est ensuite convertie en mouvement lorsqu’il est relâché.