Domaines couverts par l'ingénierie physique
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 :
- L'informatique.
- La biologie.
- La médecine.
- La science des matériaux.
- La chimie.
- Physique.
- Mathématiques.
- Science nucléaire.
- Génie électrique.
- Génie électronique.
- Génie mécanique.
- Génie thermique et thermodynamique.
- Génie aérospatial et aéronautique.
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 :
- Le déplacement angulaire, y compris la vitesse, l'accélération et l'accélération angulaire.
- L'analyse de l'énergie (cinétique et potentielle), du travail et de la puissance mécanique d'un objet en mouvement de rotation.
- L'analogie entre le mouvement rectiligne et le mouvement circulaire.
- Le couple et le moment d'inertie.
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.
Il existe quatre lois de la thermodynamique :
- La loi zéro: la loi de l'équilibre thermique.
- 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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