L'énergie cachée dans les objets immobiles est appelée potentielle par les physiciens. Elle peut être de différentes natures : gravitationnelle (liée à la hauteur dans un champ de gravité), élastique (compression ou étirement des matériaux), électrique (charges dans un champ). Tous ces types sont unis par un principe : le travail que le système peut effectuer est déterminé par sa configuration. Lorsqu'une pierre tombe, son potentiel s'évanouit en se transformant en vitesse. À l'échelle cosmique, l'énergie potentielle gravitationnelle est la principale source de lumière des étoiles : en se contractant, un nuage de gaz et de poussière s'échauffe et allume un four thermonucléaire.
Histoire
Le terme « énergiepotentielle » a été introduit en 1853 par l'ingénieur et physicien écossais William Rankine. Cependant, les racines de l'idée remontent à Galilée et Leibniz, qui parlait de « force vive » (vis viva) et de « force morte ». Lagrange et Hamilton ont intégré le potentiel dans la mécanique analytique, en faisant le fondement de la description du mouvement. Emmy Noether a démontré en 1915 que la loi de conservation de l'énergie (et donc la définition stricte de la fonction potentielle) découle de l'homogénéité du temps. Aujourd'hui, l'énergie potentielle reste un concept clé, de la mécanique quantique à la cosmologie.
Comment ça marche
En mécanique, la variation de l'énergiepotentielle dU est liée au travail dA d'une force conservative : dU = -dA = -F·dr. Le potentiel est défini à une constante arbitraire près ; seule la différence de potentiel a un sens physique. Dans le champ de gravité terrestre, U = mgh, où h est mesuré à partir d'un niveau de référence choisi. Dans le cas général, le potentiel gravitationnel d'une masse ponctuelle M est φ = -GM/r, et l'énergie potentielle d'un corps d'essai de masse m vaut U = mφ. En électrodynamique, le potentiel scalaire φ et le potentiel vecteur A forment un quadripotentiel qui détermine les intensités des champs. La mécanique quantique utilise l'opérateur d'énergie potentielle dans l'équation de Schrödinger. L'énergie potentielle gravitationnelle d'une sphère homogène (par exemple une étoile) détermine son histoire thermique interne et sa stabilité.
En pratique
Les centrales hydroélectriques transforment l'énergiepotentielle de l'eau en électricité. Tout objet en hauteur stocke de l'énergie prête à effectuer un travail, qu'il s'agisse d'un poids d'horloge ou d'un lustre suspendu.
Anecdote
Une cuillerée à soupe de matière d'étoile à neutrons, si elle tombait sur Terre, libérerait autant d'énergie qu'une puissante bombe atomique, grâce à l'énorme énergie potentielle gravitationnelle.
Une particule est assise dans un puits d'énergie, comme un petit pois dans un alvéole. Pour en sortir, elle doit franchir une barrière, et d'ordinaire cela arrive rarement : plus la barrière est haute, plus l'attente est longue. La loi d'Arrhenius stipule que le temps d'attente croît exponentiellement, c'est-à-dire que doubler la hauteur de la barrière multiplie le temps par des centaines.
Un interprète qui a mémorisé toutes les répliques à l'avance répond instantanément — il n'a pas besoin de réécouter toute la conversation. C'est le principe de ce nouveau modèle : il ne fait pas tourner les atomes dans l'ordinateur pendant des heures, mais fournit directement l'énergie libre du cristal à toute température et pression.
Dans un film mince de pérovskite — un matériau pour panneaux solaires bon marché — la lumière crée des paires de charges : un électron et un « trou ». Ils doivent atteindre les électrodes et produire un courant, mais beaucoup disparaissent en chemin. Où exactement ? C'est la question dont dépend l'efficacité de la batterie.
Un réacteur à fusion, c'est comme un four surchauffé où le plasma atteint des millions de degrés. Les parois d'un tel four sont en tungstène : c'est le métal le plus réfractaire qui soit. Mais même le tungstène ne résiste pas sans protection : les particules rapides du plasma bombardent la surface et en arrachent des atomes.
Dans une casserole d'eau flottent des billes microscopiques — des particules colloïdales. Chaque bille est recouverte de longs filaments polymères, semblables à une brosse, et porte une charge électrique. Si l'on choisit correctement la température et la composition de la solution, les billes commencent d'elles-mêmes à s'organiser en motifs ordonnés — des cristaux.
Quand le sucre tombe dans le thé, il se dissout. Mais pourquoi ne retombe-t-il pas au fond ? Tout est une question de potentiel chimique — une grandeur qui indique à quel point il est « avantageux » pour une substance de se trouver à un endroit et dans un état donnés. Pour une substance pure, c'est facile à calculer, mais pour un mélange de plusieurs composants, c'est un vrai casse-tête.
La chaîne protéique se replie en un outil fonctionnel en une fraction de seconde — et ne se trompe presque jamais. On a longtemps pensé que l'évolution polissait spécialement les séquences d'acides aminés pour que la protéine non seulement fonctionne, mais trouve aussi facilement sa forme unique. Ces nouveaux travaux renversent cette conception.
Un neurone qui transmet un signal ressemble à une minuscule batterie qui se décharge et se recharge rapidement. Pendant près de 70 ans, on a cru qu'une « vanne potassique » spéciale, s'ouvrant avec un retard, était responsable de la phase de recharge. Une nouvelle étude affirme que ce courant est un fantôme.
Toute batterie, de la pile AA à la batterie quantique, fonctionne simplement : il y a une réserve d'énergie et un moyen de l'extraire. Dans le monde quantique, ce « moyen » ressemble à une bascule minutieuse entre les états d'une particule, un peu comme on déplace une bille d'une étagère haute vers une étagère basse.
Les machines grondent à l'intérieur du barrage en béton, tournant à vide. Trois turbines sur dix se taisent. Le niveau d'eau du plus grand réservoir du sud-est du Brésil a tellement baissé que les pales vont bientôt mordre l'air. Les 160 centrales hydroélectriques du pays, qui fournissent plus de la moitié de l'électricité, sont reliées en un réseau hydraulique unique où chaque goutte compte.
Un pendule oscille dans un sirop épais. Dans les premières fractions de seconde, il se déplace rapidement, mais le sirop le freine, puis soudain il devient plus fluide — et le pendule accélère à nouveau. Quelque chose de semblable a pu se produire dans notre Univers.
Deux grains de sel tombent dans un verre d'eau. Ils se dissolvent, les ions sodium et chlore se dispersent dans tout le volume. La vérité scolaire est simple : les charges identiques se repoussent, les charges différentes s'attirent. Mais des expériences récentes avec de minuscules billes dans des liquides ont révélé un tableau qui brise cette règle.
L'effet Mpemba surprend : l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide. Des scientifiques ont construit un modèle simple : une bille dans un milieu épais comme du miel, sur un paysage à deux creux et un mur sur le côté. La bille se déplace de manière visqueuse, sans franchir la bosse centrale.
L'eau dans un verre se calme dès qu'on cesse de la remuer. L'huile dans un moteur amortit les vibrations. On croirait que la viscosité rime toujours avec atténuation. Mais dans certains écoulements, c'est tout le contraire : ajoutez du frottement, et les ondes se mettent à enfler, comme surgies de nulle part.
