Différence entre Force, Énergie et Puissance

Cet article vous propose de comprendre et de mémoriser quatre notions assez abstraites, mais fondamentales en physique, et cela grâce à des astuces visuelles ! Ces notions sont la Force, l’Énergie, la Puissance et la Pression.

1) Tout d’abord, la Force permet de modéliser l’action d’un corps sur un autre. Une force est un vecteur, c’est-à-dire qu’elle est définie par trois éléments : un sens, une direction, et une norme. Par exemple, le Poids (d’un objet qui est en chute libre) est une force dirigée vers le sol (dû à la gravité).

L’unité de la Force est le Newton (N), dont l’astuce pour se souvenir de sa décomposition en kg.m/s² se trouve ICI.

Dans l’exemple ci-dessous, le poing exerce une force qui est dirigée vers le sac de boxe.

Remarque : Si l’on voulait être rigoureux, il aurait aussi fallu dire que deux autres forces sont présentes, le poids du sac et la force exercée par les chaînes du sac.

2) Ensuite, l’Énergie est définie comme étant la capacité d’un système à produire un travail, c’est-à-dire à entraîner un mouvement ou à produire un phénomène comme de la lumière, de la chaleur ou de l’électricité.

L’Énergie s’exprime en Joules (J), ou encore en N.m (Newton mètre) ; pour obtenir l’Énergie, qui est un scalaire (une valeur, et non un vecteur), il faut multiplier deux vecteurs pour obtenir un scalaire ; ainsi, il faut multiplier une force (F) par un déplacement élémentaire (d), (la norme du déplacement élémentaire correspond à la distance). On obtient donc la formule (en norme, c’est-à-dire sans les flèches des vecteurs) E = Fxd.

Sur l’exemple ci-dessous, on applique une force venant du poing sur le sac de boxe, cette application correspond au travail fourni par la force du poing sur le sac ; on remarque de plus que le sac s’est déplacé d’une certaine distance, on retrouve donc la formule E = Fxd explicitant le fait que l’énergie (ou travail d’une force) est égale à une force multipliée par une distance.

3) Maintenant, nous allons nous intéresser à la puissance ; la puissance correspond à la quantité d’énergie par unité de temps fournie par un système à un autre, c’est-à-dire que la puissance correspond à un débit d’énergie ; la puissance correspond donc à la dérivée de l’énergie par rapport au temps. C’est ainsi que la Puissance s’exprime en Watts (W), soit en Joules par seconde (W : J/s), ou encore en N.m/s (Newton mètre par seconde).

La Puissance peut s’obtenir de deux manière relativement proches. Tout d’abord, il faut multiplier deux vecteurs pour obtenir un scalaire (car la puissance est un scalaire), ainsi il faut multiplier une force (F) par une vitesse (v) : P = Fxv.

Ou encore, il est possible de dériver l’énergie (mécanique) par rapport au temps pour obtenir la puissance : P = dE/dt.

Sur l’exemple ci-dessous, nous avons pris le cas où l’on multiplie la force (F) par la vitesse (V), on remarque par ailleurs (pour mieux se souvenir que la puissance est le niveau supérieur à l’énergie) que le sac de boxe est d’avantage déplacé.

4) Enfin, en guise de complément, nous vous proposons de donner un sens au terme de la pression. La pression est une force exercée par unité de surface, c’est-à-dire que la pression correspond à une force répartie sur toute une surface, et pour cela, il faut que la force s’applique sur une multitude de petites surfaces à l’intérieur même de la grande surface S. La pression s’exprime donc en Newton par mètre carré (N/m²), simplifiée en Pascal (Pa) ou en bar, dont l’astuce pour la conversion entre ces deux unités se trouve ICI.

Dans l’exemple-ci dessous, la main applique une force (F) sur toute la surface bleue (S), qui correspond à la somme d’une multitude de petites surfaces, on retrouve ainsi que la pression correspond bien à une force exercée par unité de surface.

Bilan :

La synthèse suivante n’est pas très rigoureuse (car il n’est pas possible dans la réalité d’isoler un mouvement d’un autre), mais elle permet de se souvenir des formules liées aux notions vues précédemment :

Force : on pousse un sac de boxe ; la force s’exprime en Newton (N).

Énergie : on déplace le sac de boxe, on applique une force ; l’énergie correspond à une force multipliée par une distance, et s’exprime en Newton mètre (N.m).

Puissance : on frappe le sac de boxe ; la puissance correspond à une force multipliée par une vitesse, et s’exprime en Newton mètre par seconde (N.m/s).

Pression : on appuie sur le sac de boxe ; la pression correspond à une force exercée par unité de surface, la force est donc divisée par une surface, et s’exprime en Newton par mètre carré (N/m²).