L'énergie potentielle

Lorsqu'un objet tombe, sa vitesse augmente pendant son déplacement s'il n'est pas suffisamment freiné. Son énergie cinétique augmente également puisqu'elle dépend de la masse et de la vitesse de l'objet : .

Exemple
Une voiture, de masse m égale à 750 kg, se déplace à une vitesse v de 50 km/h (soit 14 m/s).
Elle possède une énergie cinétique :

 J (Joules).

D'après la Sécurité routière, « le choc d'une voiture roulant à 50 km/h équivaut à une chute du 4^e étage ». Cela correspond à une chute d'environ 10 mètres !

Lors de l'accident, les déformations subies par la voiture (et par ses passagers) sont égales aux déformations du même objet s'il tombait d'environ 10 mètres de hauteur. L'énergie qui correspond aux déformations subies pendant la chute s'appelle l'énergie potentielle ou l'énergie de position, que l'on note E_position.

Une boule de masse m est lâchée successivement depuis différentes hauteurs h₁, h₂, puis h₃, avec h₃ > h₂ > h₁.

Énergie cinétique acquise en fonction de la hauteur de la chute

La même boule tombe dans le sable. Elle s'enfonce plus profondément si la hauteur est plus grande.

Plusieurs boules de masses m₁, m₂, puis m₃, avec m₃ > m₂ > m₁, sont lâchées de la même hauteur dans le sable.

Énergie cinétique acquise en fonction de la masse de la bille

Plus la masse de la boule est grande, plus elle s'enfonce dans le sable.

Plus la hauteur de la chute est élevée, plus la balle s'enfonce dans le sable.

Plus la masse est élevée, plus la balle s'enfonce dans le sable.

L'énergie de position est donc proportionnelle à la hauteur de chute et à la masse de la boule.

L'énergie de position est égale à :  avec :

• E_position l'énergie de position, en joule (J) ;
• m la masse, en kilogramme (kg) ;
• h la hauteur, en mètre (m) ;
• g l'intensité de la pesanteur, en newton par kilogramme (N/kg).

Au cours du mouvement d'un solide, l'énergie cinétique et l'énergie potentielle de pesanteur sont liées : elles se compensent. L'énergie mécanique est la somme des énergies cinétique et potentielle. Elle se conserve.

L'énergie mécanique d'un corps est notée E_mécanique.

L'énergie mécanique est égale à la somme de l'énergie cinétique d'un corps et de l'énergie de position du même corps.

L'énergie mécanique d'un corps dépend donc de sa vitesse, de sa masse et de la hauteur de l'objet par rapport au sol.

Remarque 
On considère pour la suite que la loi  est toujours « vérifiée », c'est-à-dire que les frottements sont négligés et donc que l'énergie mécanique a une valeur constante.

Son énergie cinétique est alors nulle puisqu'il ne bouge pas : .

Son énergie mécanique est donc égale à son énergie de position :

En chute libre, sa hauteur diminue, donc son énergie de position diminue aussi. Si l'énergie mécanique reste constante alors l'énergie cinétique augmente (sa vitesse augmente). Dans ce cas on a une augmentation de l'énergie cinétique et une diminution de l'énergie de position. Les deux énergies se compensent.