Puissance (physique)

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Le jet d'eau de Genève est alimenté par des pompes d'une puissance totale de 1000 kilowatts (ou 1 000 000 watts ou 1 mégawatt).

En sciences physiques, la puissance est une quantité d'énergie par unité de temps (par seconde par exemple). C'est une grandeur physique qui peut se mesurer ou se calculer.

La puissance peut se décrire comme la rapidité à laquelle de l'énergie est produite ou consommée : lorsqu'une action demande de l'énergie, comme monter un objet lourd d'un étage, cette énergie est la même que l'objet soit monté lentement ou rapidement. Il y a pourtant une différence physique, c'est que le monter rapidement demande plus de puissance.

Unités

Schéma de la définition du cheval-vapeur : soulever un poids de 75 kg d'1 mètre par seconde. Ce qui vaut 735,5 watts (75 x g).

L'unité de puissance du système international d'unités est le watt, qui est définit comme un joule par seconde. Son symbole est W.

On utilise les multiples de watt dont le kilowatt (symbole kW) qui vaut 1000 watts (à ne pas confondre avec le kilowatt-heure, qui est une unité d'énergie).

L'autre unité de puissance connue est le cheval-vapeur (ch) qui est utilisé habituellement pour mesurer la puissance d'un moteur et particulièrement du moteur d'un véhicule, et appelé couramment « chevaux ». Un cheval-vapeur vaut 735,5 watts.

Trouver une puissance

Il y a plusieurs calculs qui permettent de trouver une puissance. Ce sont par exemple :

• multiplier une force par une vitesse : tirer une corde avec une force de 10 newtons et à deux mètres par seconde représente une puissance de 20 watts ;
• en électricité, multiplier une intensité électrique par une tension électrique ;
• par division, on peut trouver une puissance moyenne en divisant une énergie par un temps. Par exemple si des buches de bois d'environ deux kilogrammes représentent chacune une énergie de 30 000 000 joules, et qu'on en ajoute une par heure (3 600 secondes) dans un feu, ce feu a une puissance moyenne de 30 000 000 / 3 600 = 8 333 W soit 8,3 kilowatts.

Formules pour trouver une puissance

Les formules correspondant à ces cas sont les suivantes (le point « $\cdot$ » signifie « fois », « x » ou « multiplié par ») :

• $\mathrm {P} =\mathrm {F} \cdot \mathrm {v}$ si la force et le déplacement ont la même direction, et $\mathrm {P} ={\vec {\mathrm {F} }}\cdot {\vec {v}}$ pour une force et une vitesse de toutes directions possibles, qui sont alors représentées par des vecteurs ;
• $\mathrm {P} =\mathrm {U} \cdot \mathrm {I}$ en courant continu ; en courant alternatif, c'est un peu plus compliqué ;
• $\mathrm {P} ={\frac {\mathrm {E} }{\mathrm {t} }}$

Ceci avec :

• P : valeur de la puissance ;
• F : valeur d'une force ;
• v : valeur d'une vitesse ;
• U : valeur d'une tension électrique ;
• I : valeur d'une intensité électrique ;
• E : valeur d'une énergie ;
• t : valeur d'un temps ;

Chacune dans son unité du système international d'unités : le watt, le newton, le mètre par seconde, le volt, l'ampère, le joule et la seconde.

Ordres de grandeur de puissance

La puissance de l'effort de monter un escalier dépend de la vitesse à laquelle on le monte.

Voici quelques exemples de puissance, des plus petites aux plus grandes, pour évaluer des ordres de grandeur :

• montre moderne : environ 0,000001 watt, soit 1 microwatt (µW) ;
• horloge comtoise (wp) : lorsqu'elle fonctionne avec des poids de 3 kg qui descendent de 2 mètres en deux semaines : 0,000049 watt, soit 49 microwatts (µW) ;
• smartphone : environ de 0,1 watt en veille à 1 watt en utilisation, mais cela est très variable selon les modèles et les utilisations ;
• dépense d'énergie de l'organisme humain au repos, c'est-à-dire du corps d'une personne (métabolisme) : environ 100 watts ;
• lampe électrique de maison : 15 à 200 watts ;
• robot de cuisine : 50 à 300 watts environ ;
• ordinateur fixe : (à compléter !)
• effort physique d'une personne, plus ou moins intense et plus ou moins long, (monter un escalier, pédaler...) : travail mécanique d'une puissance de 100 à 900 watts ;
  • par exemple : monter un escalier à deux marches par seconde, pour une personne de 60 kg : 190 watts ;
  • néanmoins la puissance dépensée pendant l'effort est environ 5 fois plus grande. La différence est une production de chaleur (ce qui fait qu'un effort réchauffe).
• aspirateur : 1000 à 2000 watts (1 à 2 kW) ;
• cheval de trait 700 watts quelques heures dans une journée, et jusqu'à 5 000 watts ou 5 kW environ en plein effort ;
• 20 mètres carrés de panneau solaire photovoltaïque : environ 3 000 watts-crète ou 3 kilowatts maximum ;
• poêle à bois environ 5 000 à 10 000 watts ou 5 à 10 kilowatts ;
• moulin à eau ancien : de 3 000 à 30 000 watts environ (3 à 30 kilowatts) ;

• 

  Lampe à incandescence halogène de 28 watts.

• Ce cheval de trait fournit une puissance (sans doute autour de 1000 à 1500 watts) qui vient de sa force de traction et de sa vitesse.

• 

  Un poêle à bois d'une puissance de 4000 à 12 000 watts (4 à 12 kilowatts).

• voiture :
  • puissance mécanique, environ de 30 000 à 120 000 watts (ce qui fait 30 à 120 kW ou 40 à 150 chevaux-vapeur) ;
  • mais la puissance maximale consommée (l'essence brulée) est alors beaucoup plus forte, puisqu'il y a des pertes importantes pour transformer l'énergie de l'essence de énergie mécanique,
  • mais la puissance moyenne produite par le moteur lors d'un trajet est nettement plus basse (on n'appuie pas toujours à fond sur l'accélérateur),
  • cela fait que la puissance moyenne en essence consommée est proche de la puissance mécanique de la voiture : 50 000 watts ;
• éolienne terrestre des années 2010 : environ 2 000 000 watts soit 2 mégawatts (MW) de puissance maximale ;
• rayonnement solaire par beau temps sur un terrain de football à midi solaire : 7 000 000 watts (7000 kW ou 7 mégawatts).

• 

  La roue du moulin de Lançay (wp), ancien moulin restauré d'une puissance d'environ 5000 watts (5 kW),

• 

  Voiture : Renault Twingo de 70 chevaux-vapeur, soit 51,5 kilowatts (51 500 watts).

• 

  Plaque de la turbine d'une petite centrale hydroélectrique indiquant sa puissance : 780 kW (780 000 watts).

• 

  Rame automotrice d'une puissance de 2 000 000 watts (2000 kW ou 2 mégawatts).

• rame de TGV :
  • puissance maximale : environ 8 000 000 watts soit 8 mégawatts (MW) pour environ 400 passagers, soit 19 000 watts par passager (19 kW).
  • puissance moyenne par passager au cours d'un voyage : environ 4 300 watts (4,3 kilowatts) ;
• chaufferie d'un collège : (à compléter !)
• Airbus A380, avion de 525 passagers :
  • puissance maximale mécanique produite : environ 110 000 000 watts soit 110 mégawatts (MW) en montée peu après le décollage, soit 210 000 watts par passager (210 kW) ;
  • puissance chimique consommée moyenne pendant le voyage : 130 000 000 watts soit 130 mégawatts (MW), soit 246 000 watts par passager (246 kW), autant que 25 à 50 poêles à bois par passager !
• une tranche de centrale nucléaire : environ 1 000 000 000 watts soit 1 gigawatt (GW) ou 1000 mégawatts (MW) ou 1 000 000 kilowatts (kW).

Notes

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