L'énergie cinétique et les énergies potentielles sont liées par une propriété très importante : la somme de l'énergie cinétique et des énergies potentielles ne change jamais ! Les physiciens disent qu'il y a conservation de l'énergie totale.
Si l'énergie totale ne change pas, seuls des échanges entre l'énergie cinétique et les différentes formes d'énergie potentielle sont possibles.
Voyons quelques exemples...
Lorsqu'une voiture est arrêtée par un choc, son énergie cinétique devient nulle. Or elle ne l'était pas avant le choc. Où est-elle donc passée, puisque l'énergie totale ne change pas ?
Elle s'est forcément transformée en énergie potentielle...
Ce sont les forces mises en jeu quand la voiture s'est pliée, cassée, etc... qui ont travaillé, comme disent les physiciens. Quelles forces ? En fait, seule la force électrique est intervenue. La gravitation ne joue pas ici. La force de «cohésion» qui garantit la structure de la voiture, dans les tôles, dans les plastiques, dans la ceinture de sécurité, etc... sont toutes de la même origine : électrique !
Dans une centrale hydroélectrique, l'énergie de la chute de l'eau est transformée en électricité. Dans la chute, la force gravitationnelle intervient bien entendu : c'est de l'énergie gravitationnelle qui est transformée en énergie cinétique de rotation dans la turbine. Celle-ci transforme ensuite cette énergie cinétique notamment en énergie électrique.
Lorsque le vent met en route l'éolienne, c'est son énergie cinétique qui est convertie principalement en énergie électrique.
L'énergie des piles ou des batteries provient directement des liaisons chimiques qui sont des liaisons électriques. En modifiant les molécules, ce que les chimistes appellent « faire une réaction chimique », on récupère cette énergie électrique pour l'utiliser ailleurs.
En brûlant du mazout, les liaisons chimiques sont brisées pour en fabriquer d'autres : il y a réaction chimique. Les nouvelles liaisons contiennent moins d'énergie que les anciennes. Comme l'énergie totale ne change pas, la différence se retrouve dans l'énergie cinétique. Les nouvelles molécules formées sont animées de grandes vitesses. Dans le monde moléculaire, la température est le nom que l'on donne à cette agitation. Chauffer plus, c'est agiter plus les molécules.
Les hommes manipulent, depuis 1944, non plus les liaisons électriques entre les atomes, mais les liaisons dans les noyaux de ces atomes : c'est l'énergie nucléaire. En fissionnant (cassant) les noyaux de certains atomes (uranium, plutonium,...), nous avons réussi à transformer une partie de l'énergie nucléaire en énergie cinétique et fabriqué ainsi de la chaleur convertie ensuite en électricité ! Le reste est malheureusement perdu en rayonnements : c'est la radioactivité des centrales nucléaires.
Le Soleil et les étoiles transforment aussi leur énergie nucléaire en énergie cinétique et électromagnétique : ils chauffent et émettent de la lumière. Cependant, ils ne cassent pas les noyaux en morceaux mais fusionnent les noyaux d'hydrogène pour en faire des noyaux d'hélium. Ce n'est plus de la fission mais de la fusion nucléaire.
En conclusion, tous les noms utilisés pour qualifier le type d'énergie ne représentent en somme que les quelques catégories d'énergie cinétique et d'énergies potentielles gravitationnelle, électromagnétique ou nucléaires.
Quelques précisions
- où cache-t-on la notion de travail ?
La physique nous dit que : « si l'énergie cinétique d'un corps change, alors sa variation résulte du travail d'une force ». Le travail de la force deviendra une différence d'énergie potentielle si ce travail ne dépend que du point de départ et du point d'arrivée et pas de la trajectoire suivie entre ces points. On dit que cette force est conservative. Le travail et l'énergie potentielle sont donc deux notions équivalentes. Précisons enfin qu'en physique toutes les forces fondamentales sont conservatives.
- A la lumière des développements récents comme la relativité restreinte, la relativité générale et la mécanique quantique, ces notions de travail et d'énergie ont grandement évolué. Elles sont devenues plus complexes, et ont peut-être même perdu de la pertinence. Par exemple, en relativité générale, la gravitation est vue comme une déformation de l'espace-temps. Il en résulte une perte du sens de l'énergie gravitationnelle. Il n'y a pas à proprement parler d'énergie gravitationnelle ! Quand on en parle, on utilise plutôt des métaphores et des images « newtoniennes » qui ne sont plus exactes.
- Un dernier point, absolument capital pour la physique, est que toutes les conservations -celle de l'énergie, celle de la quantité de mouvement ou celle encore du moment angulaire- se déduisent de « propriétés de symétrie » des lois physiques. C'est parce que les lois de la physique se veulent être indépendantes de la « valeur » du temps, c'est-à-dire de l'heure à laquelle on les mesure, que l'énergie est conservée. De même, les lois ne changent pas si on change d'endroit dans l'espace ou si on change de direction. Ce lien entre les symétries de l'espace-temps et les lois de conservation de la physique constitue un pilier de la physique moderne.
