L'énergie potentielle est une forme d'énergie
Force conservative
Une force est dite conservative si le travail qu'elle effectue entre deux points ne dépend pas du chemin suivi, mais uniquement des positions de départ et d'arrivée. Le poids est un exemple de force conservative.
Énergie potentielle (Ep)
C'est l'énergie 'stockée' par un corps en raison de sa position ou de sa configuration, et qui peut être transformée en d'autres formes d'énergie (comme l'énergie cinétique). Elle est associée aux forces conservatives.
Énergie potentielle de pesanteur (Epp)
C'est l'énergie potentielle due à l'altitude d'un corps dans un champ de pesanteur. Plus un objet est haut, plus son énergie potentielle de pesanteur est grande.
Énergie potentielle élastique (Epe)
C'est l'énergie stockée dans un objet élastique (comme un ressort) lorsqu'il est déformé (étiré ou comprimé). Plus la déformation est grande, plus l'énergie élastique est élevée.
Force non conservative
Une force est non conservative si le travail qu'elle effectue dépend du chemin suivi. Les forces de frottement sont des exemples de forces non conservatives.
Qu'est-ce qu'une force conservative ? Une force est dite conservative si le travail qu'elle fournit pour déplacer un objet d'un point A à un point B ne dépend pas du chemin emprunté, mais seulement des positions de départ et d'arrivée. C'est une propriété très importante en physique.
Le poids est l'exemple le plus courant de force conservative. Que vous fassiez tomber une balle en ligne droite ou que vous la fassiez glisser le long d'une pente, le travail du poids entre deux altitudes données sera le même.
Travail du poids entre deux points
En revanche, les forces de frottement sont des forces non conservatives. Le travail des frottements dépend du chemin parcouru : plus le chemin est long, plus les frottements effectuent un travail important (et négatif, car ils s'opposent au mouvement), dissipant de l'énergie sous forme de chaleur.
Le frottement est une force non conservative
L'énergie potentielle : une énergie 'stockée' L'énergie potentielle (Ep) est une forme d'énergie que possède un système en raison de sa position ou de sa configuration. Elle est toujours associée à une force conservative. C'est une énergie qui peut être libérée et transformée en énergie cinétique, par exemple.
Le travail d'une force conservative est lié à la variation de l'énergie potentielle par la relation suivante :
Cela signifie que si une force conservative effectue un travail positif (moteur), l'énergie potentielle du système diminue. Inversement, si elle effectue un travail négatif (résistant), l'énergie potentielle augmente. Seules les variations d'énergie potentielle ont un sens physique, le choix du point de référence (où Ep = 0) est donc arbitraire.
Exemples d'énergies potentielles 
Énergie potentielle de pesanteur (Epp) L'énergie potentielle de pesanteur est l'énergie qu'un corps possède en raison de son altitude dans le champ de gravité. Plus un objet est haut, plus il a d'énergie potentielle de pesanteur. Elle est donnée par la formule :
Où :
- m est la masse de l'objet (en kg)
- g est l'intensité de la pesanteur (environ 9,8 N/kg ou m/s²)
- z est l'altitude de l'objet par rapport à une référence (en m)
- La constante dépend du choix de l'origine (z=0).
Énergie potentielle élastique (Epe) L'énergie potentielle élastique est l'énergie stockée dans un ressort ou un autre corps élastique lorsqu'il est étiré ou comprimé. Cette énergie est libérée lorsque le ressort reprend sa forme initiale. Elle est calculée par la formule :
Où :
- k est la constante de raideur du ressort (en N/m), qui indique sa rigidité.
- x est l'allongement ou la compression du ressort par rapport à sa longueur au repos (en m).
- La constante est souvent nulle si l'on choisit Epe = 0 quand x = 0.
Ressort étiré et comprimé
Le lien entre force et énergie potentielle : le gradient Il existe un lien direct entre une force conservative et l'énergie potentielle qui lui est associée. La force conservative est l'opposé du gradient de l'énergie potentielle. En termes simples, la force 'pousse' toujours l'objet dans la direction où l'énergie potentielle diminue le plus rapidement.
Par exemple, le poids tire un objet vers le bas, ce qui diminue son énergie potentielle de pesanteur (mgz). Le gradient de mgz est mg dans la direction z (vers le haut), donc la force du poids est -mg dans la direction z (vers le bas).
A retenir :
- Une force conservative effectue un travail indépendant du chemin suivi (ex: poids, force élastique).
- Une force non conservative effectue un travail qui dépend du chemin (ex: frottements).
- L'énergie potentielle (Ep) est l'énergie 'stockée' associée à une force conservative.
- Le travail d'une force conservative est l'opposé de la variation de l'énergie potentielle : W = -ΔEp.
- L'énergie potentielle de pesanteur est Epp = mgh (si h=0 est la référence).
- L'énergie potentielle élastique est Epe = 1/2 kx² (si x=0 est la référence).
- La force conservative est liée à l'énergie potentielle par la relation F = -grad Ep, signifiant que la force tend à faire diminuer l'énergie potentielle.