Théorie et energie

[invitea250c65c]

Bonjour,

Alors cette année j'ai vu en cours les lois de Newton et les notions de force, travail, energie.
La prof m'a dit qu'on ne peut pas mesurer physiquement une energie, on ne peut que la calculer.
J'en deduis donc que la formule de l'energie cinetique, par exemple, Ec=1/2 mv² est totalement théorique, puisqu'on ne peut pas mesurer une energie.

Je vous demande donc comment on a défini les energies potentielles et cinétiques, comment est défini 1 joule? Qu'est ce que l'energie en fait?

Merci d'avance.
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[Iloa]

L'energie, c'est complique. On en trouve meme en chimie! En fait, il y a une branche de la physique qui etudie les transferts d'energie, c'est la thermodynamique. Le premier principe de la thermodynamique dit que l'energie ne peut etre ni cree, ni detruite, qu'elle se conserve. Il y a donc dans l'univers une certaine quantite d'energie qui ne changera jamais. Elle peut se retrouver sous differentes formes (chaleur, vitesse d'une corps c'est a dire energie cinetique,...). Par exemple, et c'est l'histoire racontee par le professeur de Max Planck, l'energie qu'une personne depense pour poser une brique sur un mur est emmegasinee dans cette brique puisqu'elle pourra tomber un jour et faire un trou dans le sol ou mal a quelqu'un...
Quand on fait de la mecanique, on fait aussi de la thermodynamique sans le savoir.
Du point de vue des unites, l'energie est une grandeur homogene a des kg m2 s-2. historiquement, il y a eu d'abord les calories puis les joules. Un joule, c'est l'energie depensee pour poser une masse de 100g (poids 1 Newton) du sol jusqu'a une hauteur de 1m. Voila, il y a encore plein de choses a dire sur l'energie... Mais voila de quoi alimenter ta reflexion!

[invité576543]

Bonjour,

La prof m'a dit qu'on ne peut pas mesurer physiquement une énergie, on ne peut que la calculer.

Il me semble que cela dépend beaucoup de ce qu'on appelle "mesurer". Un compteur EDF fait bien une mesure d'énergie, au sens où c'est un instrument qui affiche un nombre représentant une énergie, tout comme une balance électronique affiche un nombre représentant une masse.

On peut discuter si le compteur mesure ou calcule son résultat, mais on peut tout aussi bien discuter si la balance électronique mesure ou calcule son résultat (on peut arguer qu'elle mesure un potentiel électrique, une déformation d'un cristal, un poids, etc. selon son mode de fonctionnement, et selon la manière de voir les choses).

On peut aussi remarquer que le compteur électrique ne mesure que des cas particuliers d'énergie. Mais tout instrument de mesure a des limitations.

Qu'est ce que l'énergie en fait?

On pourrait écrire un énorme bouquin sur le sujet de l'énergie, sans que ça réponde vraiment à la question! Pour moi, c'est un concept premier, une sorte d'axiome de la physique (de toute la physique! toutes les branches de la physique font intervenir l'énergie), à l'instar de la durée ou de la longueur. On sait rattacher l'énergie à d'autres concepts, comme masse, quantité de mouvement, action, qui pourraient chacun remplacer l'énergie comme concept premier. Mais je ne connais pas de présentation qui évite un tel concept premier pour répondre à ta question.

Cordialement,

[invite8ef897e4]

Bonjour,

pour ajouter un exemple aux argument presentes par mmy :
en physique des particules, si l'on parle de mesurer une energie on va typiquement penser a un calorimetre. C'est un empilement de "cristaux" ultratransparents et hyperdenses (ce ne sont pas des termes techniques ). Parlons de calorimetres electromagnetiques pour simplifier. Un electron, ou un photon d'ailleurs, de haute energie va provoquer une cascade electromagnetique dans les cristaux, y deposant toute son energie (si les cristaux sont assez epais, ou assez longs...) Bref, des collecteurs de lumiere attaches au cristaux mesurent la quantite de lumiere collectee dans chaque cristal. Concretement on mesure une charge electrique collectee, proportionnelle a l'energie. Mais si l'on se met a se plonger dans des considerations sur ce qu'est le processus de mesure (je ne parle pas de mecanique quantique) alors il existe peu de choses que l'on mesure directement. Vous pouvez prendre la mesure de longueur comme prototype de toutes les mesures physiques : vous avez une certaine echelle, une certaine precision, un certain pas de la mesure (correspondant a une resolution). On mesure aussi directement des temps. On mesure directement des charges electriques. Peut-etre quelqu'un aura le courage d'essayer une liste exhaustive.

comment est défini 1 joule?

(article sur le Joule)
On définit cette unité comme étant :

• le travail produit par une force d'un newton dont le point d'application se déplace d'un mètre dans la direction de la force :
• le travail fourni quand un courant d’un ampère traverse une résistance d’un ohm pendant une seconde :

1 calorie = 4,1855 joules.
(article sur la calorie)
La calorie (symbole cal) est une unité d'énergie, définie (calorie à 15°C) comme étant la quantité de chaleur (ou l'énergie) nécessaire à élever la température d'un gramme d'eau de 1°C (de 14,5°C à 15,5°C) à la pression atmosphérique normale(1 atm ou 101,325 kPa).

Qu'est ce que l'energie en fait?

C'est la quantite conservee associee a l'invariance des lois de la physique sous les translations temporelles. Autrement dit, l'energie est conservee car les lois de la physique sont les memes aujourd'hui, demain, ou ... le jour ou l'on a decouvert la conservation de l'energie ... ou meme avant

A ce sujet, voir le Théorème de Noether . Par exemple, a l'invariance sous les translations spatiales (le fait que les lois sont les memes a Paris et a Marseille ... Si si, je vous assure ) correspond la conservation de la quantite de mouvement (ou impulsion). Vous voyez donc que si vous vous mettez a parler d'espace-temps, vous allez devoir parler d'energie-impulsion...

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite8ef897e4]

J'etais en train d'editer mon message, mais le temps imparti s'est ecoule !

Je voulais ajouter que j'ai pris dans la seconde partie de mon message (la reponse a la question "qu'est-ce que l'energie?") volontairement un point de vue different de celui presente precedemment par mmy, plus pour proposer une alternative plus que par opinion personnelle. En effet, mmy a raison de souligner qu'il existe toujours des principes premiers dont on peut discuter infiniment sans vraiment progresser. Ainsi, du point de vue moderne dont je me placais, le principe de symetrie est fondateur des lois physiques. Si l'on a adopte un tel principe, c'est qu'il s'est avere fructueux notamment dans le cadre des interactions fondamentales. Mais il n'y a pas vraiment d'autre justification.

[invité576543]

C'est la quantité conservée associée à l'invariance des lois de la physique sous les translations temporelles. Autrement dit, l'énergie est conservée car les lois de la physique sont les mêmes aujourd'hui, demain, ou ... le jour ou l'on a découvert la conservation de l'énergie ... ou même avant

Juste pour faire remarquer que cette approche, souvent citée, est inexacte. C'est l'invariance du lagrangien, pas des lois physiques. Or le lagrangien a pour dimension... l'énergie (action par unité de temps, en fait; ou action par unité de 4-volume en TQC). Ce qui rend la définition de l'énergie comme quantité conservée circulaire. On ne sort pas de la nécessité d'un concept premier, qui apparaît être plutôt l'action en prenant en compte le théorème de Noether.

Cordialement,

EDIT: Croisement. Mais je ne suis pas d'accord que le principe premier est la symétrie. La symétrie ne permet pas de sortir du problème dimensionnel que représente l'énergie ou l'action.

[invite8ef897e4]

On ne sort pas de la nécessité d'un concept premier, qui apparaît être plutôt l'action en prenant en compte le théorème de Noether.

Oui oui, on a du se croiser, j'attendais ce reproche justifie, et donc j'ai ajoute le commentaire precedent

[edit]croisement numero 2

[invité576543]

(...) la nécessité d'un concept premier, qui apparaît être plutôt l'action en prenant en compte le théorème de Noether.

Pour compléter, la combinaison de l'action et des symétries est effectivement fructueuse. On en tire le concept d'énergie (translation dans le temps), la masse (temps propre), la quantité de mouvement (translation dans l'espace), moment cinétique (rotation), etc.

Mais définir l'action n'est pas plus simple que définir l'énergie...

Cordialement,

[invite8ef897e4]

La symétrie ne permet pas de sortir du problème dimensionnel que représente l'énergie ou l'action.

Generalement en TQC il n'y a qu'une seule dimension justement : l'energie (en physique des particules). La distance, c'est l'inverse, et elle est prise comme fondamentale en matiere condensee...

Je note le reproche fait a cette approche, que l'on retrouve justement dans la plupart des bouquins ! Le point de vue de MMy est tres interessant... Tu viens plutot de RG ?

[invité576543]

Je note le reproche fait a cette approche, que l'on retrouve justement dans la plupart des bouquins ! Le point de vue de MMy est très intéressant...

Rien d'original. On creusant un peu la plupart des bouquins clarifient le point. Même le Wiki, qui donne pour le principe de Noether la définition suivante:

À toute transformation infinitésimale qui laisse invariante l'intégrale d'action correspond une grandeur qui se conserve.

Il suffit d'ajouter que dimensionnellement, la grandeur conservée est l'action divisée par la grandeur physique de la transformation infinitésimale pour voir que

énergie = action/temps

quantité de mouvement = action/déplacement (la notion de division se comprenant alors comme la dualité...)

masse = action/temps propre (à un facteur c² près...)

moment cinétique = action/angle

Cordialement,

[Gwyddon]

Ceci dit, on peut tout à fait prendre la chose dans l'autre sens, et partir directement en formalisme hamiltonien, qui prend l'énergie plutôt comme un point de départ non ?

M'enfin, je suis d'accord avec toi, que ce soit énergie ou action, il faut à un moment donner postuler l'existence d'une grandeur mathématique qui permet d'exprimer les propriétés physique du système étudié.. Que ce soit l'action ou l'énergie.

[invité576543]

Ceci dit, on peut tout à fait prendre la chose dans l'autre sens, et partir directement en formalisme hamiltonien, qui prend l'énergie plutôt comme un point de départ non ?

C'est beaucoup plus symétrique avec l'action... Et l'action est quantifiée. A ces sens-là, l'action paraît plus "fondamentale", mais c'est plus un raisonnement esthétique qu'autre chose!

Cdlt,

[Gwyddon]

C'est beaucoup plus symétrique avec l'action... Et l'action est quantifiée. A ces sens-là, l'action paraît plus "fondamentale", mais c'est plus un raisonnement esthétique qu'autre chose!

Cdlt,

Je suis d'accord, même si je soulevais cette petite objection. L'approche par l'action a ceci de performant qu'elle permet de dégager les symétries, et d'être quantifiable de manière plus naturelle (encore que dans ce dernier cas... C'est affaire de goût )