Cours de physique générale physgen2024 PDF

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Ou accéder à la page web suivante : https://student.turningtechnologies.eu/#/ Connectez-vous sur la session entrez sous physgen2024 guest/invité Chapitre 5 Energie, masse et temps Pr François Bochud FBM – BMed – module B1.1 Cours de physique générale  Objectifs Exprimer mathématiquement le concept d'énergie dans diverses situations physiques et donner des exemples d'ordres de grandeur en biomédecine Expliquer le lien existant entre les notions de masse et d'énergie Décrire la manière dont on est capable de définir la notion de temps  Quelle énergie a dépensé le marathonien Eliud Kipchoge le 12.10.2019 pour parcourir 42.195 km en 1h 59' 40" ? L'énergie Aptitude à réaliser un travail, mettre un objet en mouvement Lorsque toutes les formes d'énergie sont additionnées cela donne toujours le même nombre : l'énergie est conservée ( elle passe d’une forme a l’autre) Peut être quantifiée Grace à des formules Énergie cinétique : énergie que possède un corps de son mouvement par rapport a un référentiel donné Énergie potentielle : énergie contenue dans un objet en fonction de sa position par rapport a un champ de force Énergie élastique : énergie emmagasinée dans un objet solide sous tension Énergie radiante : énergie transportée par la lumière Énergie thermique : énergie moyenne contenue dans l'agitation microscopique des constituants d'un objet macroscopique Quelle énergie a dépensé le marathonien Eliud Kipchoge pour parcourir 42.195 km en 1h 59' 40" ? (plusieurs réponses possibles) K9 Em 1Kav/Kg/km 1. environ 1'000 kcal Calories brules = poids · distance· 42, 195 = 2 183 kcal 52. 2. environ 3'000 kcal 4,184k5 3. environ 5'000 kcal 1kcal = 4 , 184 KJ/kcal Eg' 130K5 2 183kcal. 4. environ 4'200 kJ 5. environ 12'500 kJ 6. environ 21'000 kJ  Que permet de réaliser l'énergie ? (plusieurs réponses possibles) 1. réaliser un travail 2. mettre un objet en mouvement 3. chauffer un objet 4. broyer un objet 5. illuminer un objet A quoi correspond une énergie de 1 joule 1m 1 battement faire gravir 1 m à une chaleur produite par de cœur plaque de chocolat une personne au repos chaque 1/100 s  Unités d'énergie Unité Définition Conversion 1 J = 0.2388 cal J Travail accompli par une force de 1 N sur une distance de 1 m 1 J = 6.242 EeV joule 1 J = 0.2778 mWh cal Energie nécessaire pour augmenter la température de 1 g 1 cal = 4.186 J calorie d'eau de 1 K eV Energie acquise par une charge unitaire de 1 eV = 1.602 10-19 J électronvolt 1.602 10-19 C dans une différence de potentiel de 1 V kWh Energie produite pendant une heure par une source de 1 kWh = 3.6 MJ kilowattheure puissance égale à 1000 W  Quel pourcentage de l'énergie primaire mondiale provient de sources fossiles ? 1. 26 % 2. 36 % 3. 46 % 4. 56 % 5. 66 % 6. 76 % 7. 86 % 8. 96 % D'où vient notre énergie (2021) ? Gaz fossile Gaz fossile 145 EJ 130 PJ Pétrole Pétrole Solaire 369 PJ 184 EJ Charbon 160 EJ masse & volume de 1 unité d'énergie grande masse petite masse Densité d'énergie (Wh/L) 4 10 petit volume 3 H2 (l) 10 2 10 gros volume 1 10 à 1 km 1 2 3 4 5 10 10 10 10 10 Energie spécifique (Wh/kg)  Comparaison des différents moyens de production d'électricité CO2 équivalent par unité d'énergie (g/kWh) Décès par TWh produit* (1990-2014) The Economist, 30.06.2022 Quelques expressions de l'énergie E = mv 1 2 2 énergie associée au mouvement  Δx = 42.195 km = 42'195 m Δt = 1h 59' 40" = 7'180 s vitesse moyenne : Δx/ Δt = 5.88 m/s = 21.2 km/h Ecin = mv = 70 ⋅ 5.88 = 1.21kJ=0.289 kcal 1 2 2 1 2 2 YouTube Mike Boyd, How Eliud Kipchoge Ran a Sub 2 Hour Marathon, https://youtu.be/A73HQwEct-o  3'000'000 cal dépensés alors que 289 cal auraient suffit à le déplacer à la même vitesse moyenne. Où est passé la différence ? (plusieurs réponses possibles) 1. chaleur 2. son 3. évaporation de sueur 4. transformations chimiques dans les cellules  En course, quel paramètre permet de récupérer le plus d'énergie lorsque le pied touche le sol ? 1. Rôle de stockage et restitution d’énergie : Le tendon d’Achille agit comme un ressort naturel. Lors de 1. la semelle de la chaussure l’impact du pied au sol, il s’étire et stocke de l’énergie élastique. Cette énergie est ensuite restituée lors de la phase d’impulsion pour propulser le coureur vers l’avant. 2. le talon Ce processus augmente l’efficacité énergétique de la course. 2. Efficacité biomécanique : Les tendons sont conçus pour supporter des forces importantes et restituer une grande partie de l’énergie emmagasinée sans pertes 3. le tendon d'Achilles significatives. Pourquoi pas les autres options ? 1. La semelle de la chaussure : Certaines chaussures (comme celles avec des plaques en carbone) peuvent améliorer l’efficacité en ajoutant du rebond. Toutefois, elles ne surpassent pas l’efficacité naturelle du tendon d’Achille. 2. Le talon : Si un coureur atterrit sur le talon (plutôt que sur l’avant ou le milieu du pied), une partie de l’énergie est dissipée en choc au lieu d’être récupérée. De plus, le talon ne contribue pas activement à la restitution d’énergie.  énergie dépensée pour 1 foulée = 500 J (longueur : env. 1.80 m) énergie retournée par l'élasticité de la semelle ≈ 5 J (mais pas forcément dans la bonne direction, ni au bon moment) Sportverletz Sportschaden 2000; 14(3): 82-89 DOI: 10.1055/s-2000-7867 YouTube Courir Intelligent https://youtu.be/U4SIi5vz6UU  énergie retournée par l'élasticité du talon ≈ 9 J (avec la bonne technique) énergie retournée par l'élasticité du tendon d'Achilles ≈ 42 J (avec la bonne technique) Sportverletz Sportschaden 2000; 14(3): 82-89 DOI: 10.1055/s-2000-7867 YouTube Courir Intelligent https://youtu.be/U4SIi5vz6UU Lorsque nous additionnons toutes les formes d'énergie en présence, cela donne toujours le même nombre L'énergie ne se crée pas ni ne disparaît : elle passe d'une forme à l'autre L'énergie est conservée  Mass and energy are both different manifestations of the same thing Furthermore, the equation E = mc2, in which energy is set equal to mass multiplied with the square of the velocity of light shows that a very small amount of mass may be converted into a very large amount of energy and vice-versa https://youtu.be/ISXdlQkm1zE  La quantité de matière est un scalaire mesurant la taille d'un ensemble d'entités élémentaires (atomes ou molécules ) ≠ masse dont l'unité est le kilo (kg) Selon Einstein la masse caractérise le contenu total en énergie d'un objet / système au repos : Dans son article original, Albert Einstein a écrit E m= 2 c La masse caractérise le contenu total en énergie d'un objet ou d'un système au repos https://youtu.be/ISXdlQkm1zE Quelle montre a la plus grande masse ? ressort détendu en marche  Quelle montre a la plus grande masse ? 1. ressort détendu La masse d’un objet ne dépend pas uniquement De la quantité de matière 2. en marche qu’il contient mais aussi de la manière dont ses constituants interagissent les uns les les autres et comment ils se 3. pas de différence déplacent a l’intérieur de l’objet Énergie négative ou énergie de liaison La masse ‘d’un atome d’hydrogène est plus petite que la somme des masse de ses constituants (1 proton et 1 électron ) —> l’énergie potentielle est négative également énergie de liaison : énergie que l’on doit apporter à l’atome si l’on désire séparer le proton et l’électron Cela s’applique également au noyau dont la masse est inférieure à la somme des masse des nucléons NON-LIéS qui la composent (pareil pour les molécule dont la masse est inférieure a celle des atomes non-liés qui la composent) Exemple avec un groupe de personne soumises a la force gravitationnelle : énergie potentielle 0 Non-lié Lié énergie potentielle = 0 énergie potentielle < 0 masse masse > (non-lié) (lié) Masse du nucléon (proton ou neutron) 99 % énergie cinétique et potentielle des quarks 1 % interaction des quarks avec le champ de Higgs Masse du noyau (ensemble de nucléons) < somme des masses des nucléons non-liés (énergie potentielle négative) Masse de l'atome (ensemble noyau + électrons) < somme des masses du noyaux et des électrons non-liés (énergie potentielle négative) Masse d'une molécule (ensemble d'atomes) < somme des masses des atomes non-liés (énergie potentielle négative) Masses gravitationnelle et inertielle Masse gravitationnelle : les objets s’attirent mutuellement avec une force proportionnelle au produit de leurs masses et a l’inverse du carré de la distance qui les sépare ou grandeur qui définit la résistance d’un objet à être accéléré par une force (F=Ma) Principe d’équivalence (Einstein) = si l’accélération est constante, toutes les mesures réalisées seront physiquement équivalentes a des mesures réalisées dans un champ gravitationnel uniforme de force appropriée Youtube VSauce, Where is down? https://youtu.be/Xc4xYacTu-E  Equivalence de toutes les définitions de masse m= FG r 2 m= F m= ∑ E GM a c2 plus grande est la masse, plus grande est la masse, plus grande est la masse, plus grande est la force qui plus grande est la force plus grande est l'énergie l'attire à une autre masse nécessaire à l'accélérer totale au repos masse masse contenu en gravitationnelle = inertielle = énergie /c2 au repos Un temps de 1h 59' 40" pour parcourir le marathon ! Mais qu'est-ce que le temps ?  Le temps Presque impossible a définir mais peut se mesurer en considérant des processus qui se répètent (un jour) Le temps s’écoule plus lentement a proximité d’une masse , la présence d’une masse courbe l’espace-temps Tout corps subit une accélération dans la direction ou le temps s’écoule plus lentement Comparer avec un phénomène périodique afin de vérifier que les jours soient periodiques En comptant les retournements du sablier d’un matin à l’autre nous observons que les jours n’ont pas la meme longueur Le nombre d’heure est cependant le meme chaque jour si l’ont définit le début et la fin du jour comme étant le moment ou les soleil est a son point le plus haut dans le ciel ; une régularité d’un genre (le soleil) s’adapte a une regularité d’un autre genre (le sablier) Utilisation des horloges atomiques définissant la seconde a partir de la fréquence de transition d’un atome Le Temps et le corps humain Rythme circadien : periodicité de 24h du cycle solaire avec lequel le corps vit (le cerveau joue un rôle important) Toutes les cellules ont une periodicité proche de 24h géré par certain « gènes chronomètres » Certaines anomalies des horloges biologiques sont impliquées dans l’évolution des cancers, Parkinson, dépression saisonnière,…  Essayez de trouver une définition du temps qui ne soit pas une référence circulaire ! dérouler : montrer, développer successivement le temps est un milieu indéfini où paraissent se dérouler irréversiblement les existences dans leur changement, les évènements et les phénomènes dans leur succession succession : ensemble des phénomènes qui occupent dans le temps des moments voisins mais distincts  Si on ne peut pas définir le temps, on peut tout de même le mesurer une régularité d'un genre s'adapte à une régularité d'un autre genre  Depuis Einstein, on sait que le temps n'est pas universel Chaque point de l'espace-temps… a son propre temps espace Si le temps s'écoule de la même manière partout, un objet au repos ne se déplace que dans le temps  temps espace Si le temps s'écoule de la même manière partout, un objet au repos ne se déplace que dans le temps  La présence d'un corps massique espace courbe l'espace-temps Le temps s'écoule plus lentement à proximité d'une masse Ceci a été démontré expérimentalement avec seulement 30 cm de différence d'altitude ! Chou et al, Optical Clocks and Relativity, Science 329:1630, 2010  temps espace la résultante pointe vers le bas ! nos pieds vieillissent plus lentement que notre tête !  temps espace S'il y a un gradient de temps, tout corps (y compris un photon) subit une accélération dans la direction où le temps s'écoule plus lentement La gravitation n'est qu'une conséquence de la courbure de l'espace-temps ; pas une force ! (Relativité générale, 1915)  Résumé Energie Temps – aptitude à réaliser un travail, à – quasiment impossible à définir, mettre un objet en mouvement, mais peut le mesurer en etc. considérant des processus qui se – unité SI : joule (J) répètent… au cours du temps – unité SI : seconde (s) Masse – contenu total en énergie d'un objet ou d'un système (m=E/c2) – unité SI : kilogramme (kg) Exemple de question d'examen  K' Quelle(s) propriété(s) concernant la masse est/sont correcte(s) ? La masse d'un objet est proportionnelle à … 1. … l'énergie contenue dans un objet au repos 2. … la force qu'il faut appliquer pour lui imprimer une certaine accélération a 3. … la force d'attraction qu'il exerce sur un autre objet massique 4. … au nombre de charges électriques qu'il contient  Objectif correspondant Expliquer le lien existant entre les notions de masse et d'énergie