Cơ năng là gì? Định luật bảo toàn cơ năng

năng lượng cơ học là gì?

khái niệm cơ khí

Cơ năng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động của một vật trong trọng trường, ở đó giá trị của nó được tính bằng tổng của động năng và thế năng.

Mọi vật có khả năng sinh công đều đồng nghĩa với sự biểu hiện cơ năng. Công cơ học và cơ năng tỉ lệ thuận với nhau. Công càng lớn thì cơ năng càng lớn và ngược lại. Năng lượng cơ học được ký hiệu là W .

Đơn vị của cơ năng là jun, ký hiệu J.

Công thức cho năng lượng cơ học

Xét trường hợp một vật chuyển động trong trọng trường, công thức tính cơ năng được xác định như sau:

W = Wd + Wt

Ở đó:

• • Wd: là động năng của vật, tính bằng J
  • Wt: là thế năng của vật, đo bằng J

Vậy động năng và thế năng trong công thức là gì?

• Động năng là năng lượng sinh ra do chuyển động của vật.

Giá trị của động năng luôn dương và được ký hiệu là Wd. Công thức cho động năng như sau:

Wđ = 1/2. mv²

Ở đó:

• • m: là khối lượng của vật (kg)
  • v là vận tốc của vật (m/s)

Theo định luật bảo toàn động năng, khi một vật chuyển động, độ biến thiên của đại lượng này sẽ phụ thuộc vào ngoại lực tác dụng lên vật. Như sau:

A12=Wd2 – Wd1

• Thế năng là thế năng (hay còn gọi là năng lượng tích trữ) sinh ra trong quá trình tiếp xúc giữa các bộ phận thông qua lực thế.

Năng lượng tiềm năng được ký hiệu là Wt và công thức của nó như sau:

Wt = mghC

Ở đó:

• • m: là khối lượng của vật (kg)
  • g: là gia tốc trọng trường (m/s2)
  • h: là chiều cao của vật thể (m)
  • C: là tọa độ trọng tâm

Định luật bảo toàn cơ năng

Định luật bảo toàn cơ năng về cơ bản là định luật phát biểu sự bảo toàn tuyệt đối giá trị của cơ năng khi vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực và lực đàn hồi. Giá trị của các năng lượng thành phần như động năng và thế năng luôn thay đổi, tăng giảm và chuyển hóa thông qua nhau. Tuy nhiên, tổng giữa chúng vẫn giữ nguyên giá trị ban đầu. Tùy từng trường hợp, đó là:

Trường hợp xuất hiện lực đàn hồi

Lực đàn hồi trong thế năng giảm thì động năng tăng, khi thế năng đàn hồi tăng thì động năng giảm. Như vậy, tổng năng lượng cơ học trong quá trình là cân bằng.

Trường hợp trọng lực

Chỉ trong trường hợp trọng trường thì động năng mới chuyển hóa thành thế năng và ngược lại. Lúc này giá trị của hai đại lượng này không đổi nên cơ năng được bảo toàn. Công thức cơ học là:

W = Wd1 + Wt1 = Wd2 + Wt2

Như vậy có thể thấy cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của các lực thế là trọng lực và lực đàn hồi thì giá trị của nó không đổi. Vật ở vị trí có động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại. Giá trị của cơ năng luôn không đổi.

Khi chịu tác dụng của một lực khác như ma sát, lực cản,… thì giá trị của cơ năng sẽ thay đổi, do công của vật thay đổi.

Ứng dụng định luật bảo toàn cơ năng

Định luật bảo toàn cơ năng được sử dụng rộng rãi. Nó được kết hợp với công thức tính chuyển hóa năng lượng để giải nhanh các bài toán liên quan.

Một số bài toán yêu cầu vận dụng định luật này là xác định biểu thức cụ thể của động năng và thế năng tại mỗi vị trí của vật, từ đó xác định khối lượng, độ cao v.v. của đối tượng. Ngoài ra, bài toán va chạm giữa hai vật cũng có thể áp dụng định luật này để xác định lực va chạm và các yếu tố liên quan.

Trên đây là khái niệm cơ năng là gì và định luật bảo toàn cơ năng đã được chúng tôi tổng hợp. Mong rằng có thể mang lại góc nhìn tổng quát nhất cho bạn đọc về vấn đề này, để hiểu rõ hơn là như thế nào và cách tính như thế nào trong từng trường hợp.