L'ingénierie physique est le domaine de l'ingénierie qui concerne l'application pratique de la physique à l'industrie, à la science et à la technologie.
L'ingénierie physique englobe tout, de la biologie aux mathématiques en passant par la technologie. En explorant plusieurs exemples, nous verrons pourquoi la physique joue un rôle important dans la résolution des problèmes d'ingénierie. Les domaines liés à l'ingénierie physique comprennent :
En génie physique, une grande partie des premières années des A-Levels est consacrée à la dynamique des mouvements, et au génie thermique et à la thermodynamique. L'importance de la physique dans ces domaines et dans l'ingénierie en général est due au fait que la physique décrit les mécanismes par lesquels l'univers et ses divers systèmes fonctionnent ensemble.
La dynamique du mouvement
Les mouvements et leur dynamique constituent l'un des principaux aspects de la physique de l'ingénieur. L'étude du mouvement est importante en raison de son large éventail d'applications dans des domaines tels que la robotique, les trajectoires spatiales, la physique des particules et tout objet en mouvement.
La dynamique du mouvement utilise une simplification des objets en mouvement et de leurs masses pour les modéliser. Le modèle permet d'étudier comment les forces agissant sur un objet affectent ses mouvements. Voici quelques exemples de problèmes que l'on peut résoudre en appliquant la dynamique du mouvement :
Les trajectoires de lancement de fusées ou les orbites de satellites dans l'ingénierie aérospatiale.
Le mouvement des bras robotiques dans l'industrie et d'autres applications.
La dynamique des fluides dans l'aérospatiale, l'aéronautique et la technologie navale.
Ingénierie thermique et thermodynamique
Le génie thermique et la thermodynamique étudient les dispositifs qui utilisent la chaleur pour produire du travail ou qui utilisent le travail pour modifier la température d'un objet ou d'un lieu. Le génie thermique et la thermodynamique ont un large éventail d'applications, allant des moteurs à la production d'énergie et incluant même les processus biologiques et chimiques où l'énergie est impliquée.
Dynamique de rotation
La dynamique rotationnelle est le domaine de la dynamique du mouvement qui étudie les objets se déplaçant sur une trajectoire circulaire ou semi-circulaire. La dynamique de rotation est un domaine d'étude qui comprend :
Figure 1. Les chaises volantes d'un carrousel sont un exemple classique de dynamique de rotation.
Thermodynamique et moteurs
La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les échanges d'énergie dans un système. L'énergie est échangée sous forme de chaleur ou de travail, ce qui entraîne des changements dans la température du système. Les changements d'énergie et de travail peuvent provoquer des mouvements de compression et de dilatation dans certains systèmes gazeux.
Moteurs thermiques
Les moteurs sont des systèmes qui utilisent de l'énergie pour produire du travail ou vice versa. Un moteur thermique utilise ou produit de la chaleur. Les moteurs peuvent également produire du travail pour modifier l'énergie d'un objet. Vois les exemples suivants de moteurs qui utilisent de l'énergie ou modifient l'énergie d'un objet :
Un moteur de voiture utilise du gaz pour produire une combustion. La combustion est ensuite convertie en mouvement, grâce à un système mécanique complexe qui relie le moteur aux roues de la voiture.
Un moteur de congélateur utilise l'énergie électrique pour produire du travail et extraire l'énergie thermique de l'intérieur du congélateur, le rendant ainsi plus froid que l'extérieur.
Les moteurs sont modélisés par la thermodynamique, à l'aide du travail et de l'énergie qu'ils produisent et/ou absorbent.
La relation entre la thermodynamique et les moteurs
Les moteurs, tels que ceux que l'on trouve dans les voitures, les centrales électriques ou les congélateurs, sont modélisés comme un système qui utilise ou extrait de l'énergie sous forme de chaleur. La modélisation d'un moteur, dans laquelle la thermodynamique est utilisée, ignore de nombreuses parties du système pour en simplifier l'étude. Elle se concentre sur la quantité d'énergie consommée pour produire une certaine quantité de travail.
La modélisation thermodynamique est utile dans toute une série de domaines, tels que ceux énumérés ci-dessous :
La modélisation des centrales électriques, y compris les centrales thermiques, les centrales nucléaires et autres.
Les dispositifs d'échange thermique, tels que les simples dispositifs de congélation (freezers) ou des dispositifs plus complexes comme le système de refroidissement utilisé dans les fusées.
Cycles thermodynamiques des moteurs à combustion, tels que les moteurs diesel, les moteurs Stirling, etc.
Figure 2. Les centrales électriques sont un exemple de moteurs pouvant être modélisés par la thermodynamique.
Les lois de la thermodynamique
L'étude de la thermodynamique s'est appuyée sur des modèles théoriques qui simplifient les échanges d'énergie et de travail des objets réels. Cela a permis d'obtenir des résultats importants, mieux connus sous le nom de "lois de la thermodynamique". Ces lois, qui décrivent la relation entre le travail, la chaleur et la température, s'appliquent universellement à tous les objets existants.
Lapremière loi: la loi qui décrit l'énergie interne d'une substance.
Ladeuxième loi : la loi de l'entropie de l'irréversibilité.
Latroisième loi: la loi de la valeur constante de l'entropie dans un système au zéro absolu.
Physique de l'ingénieur - Points clés
L'ingénierie physique est le domaine de la physique qui se concentre sur ses applications pratiques.
L'ingénierie physique ne repose pas uniquement sur la physique, mais également sur des domaines tels que la biologie, l'électronique, l'informatique, les mathématiques, la mécanique, la chimie et d'autres encore.
Deux domaines d'une grande importance en physique de l'ingénieur sont la dynamique du mouvement et l'ingénierie thermique et la thermodynamique.
La thermodynamique et les moteurs sont une branche du génie thermique qui étudie les échanges d'énergie et de travail d'un système. La modélisation d'un moteur fait appel à la thermodynamique.
La dynamique de rotation est une branche de la dynamique du mouvement, qui étudie le mouvement des objets sur une trajectoire circulaire. La dynamique de rotation est appliquée dans des domaines tels que l'ingénierie aérospatiale et la robotique.
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Questions fréquemment posées en Physique de l'ingénierie
Qu'est-ce que la physique de l'ingénierie?
La physique de l'ingénierie est l'application des concepts de la physique pour résoudre des problèmes techniques et concevoir des équipements ou des systèmes.
Quelles sont les compétences nécessaires en physique de l'ingénierie?
Les compétences nécessaires incluent une solide compréhension des principes de la physique, des mathématiques appliquées, et des techniques de résolution de problèmes.
Quels sont les domaines d'application de la physique de l'ingénierie?
Les domaines d'application incluent l'aérospatiale, la mécanique, l'électronique, l'ingénierie civile, et les énergies renouvelables.
Pourquoi étudier la physique de l'ingénierie?
Étudier la physique de l'ingénierie permet de développer des compétences pour innover et résoudre des défis techniques dans divers secteurs industriels.
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Lily Hulatt
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Lily Hulatt is a Digital Content Specialist with over three years of experience in content strategy and curriculum design. She gained her PhD in English Literature from Durham University in 2022, taught in Durham University’s English Studies Department, and has contributed to a number of publications. Lily specialises in English Literature, English Language, History, and Philosophy.
Gabriel Freitas is an AI Engineer with a solid experience in software development, machine learning algorithms, and generative AI, including large language models’ (LLMs) applications. Graduated in Electrical Engineering at the University of São Paulo, he is currently pursuing an MSc in Computer Engineering at the University of Campinas, specializing in machine learning topics. Gabriel has a strong background in software engineering and has worked on projects involving computer vision, embedded AI, and LLM applications.