Bài 1: Năng lượng và công

I. Công và sự truyền năng lượng

Mọi hiện tượng xảy ra trong tự nhiên đều cần có năng lượng. Năng lượng tồn tại ở các dạng khác nhau như: cơ năng, nhiệt năng, điện năng, năng lượng ánh sáng,...

Năng lượng hoá học  dự trữ trong thức ăn	Mặt Trời cung cấp năng lượng ánh sáng

1. Công

Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác thông qua tương tác. 

Ví dụ: 

Bạn nhỏ đẩy chiếc ô tô đồ chơi làm ô tô chuyển từ trạng thái đứng yên sang chuyển động. Động năng ô tô có được là do năng lượng từ tay bạn nhỏ truyền sang.

Việc truyền năng lượng cho vật bằng cách tác dụng lực lên vật làm vật thay đổi trạng thái chuyển động được gọi là thực hiện công cơ học.

a. Khi lực không đổi và cùng hướng với chuyển động

\(A=F.s\)

Trong đó:

• \(A\) là công 
• \(F\) là độ lớn lực tác dụng 
• \(s\) là quãng đường đi được của vật

b. Khi lực không đổi và không cùng phương với chuyển động

\(A=F.s.\cos\alpha\)

Trong đó: \(\alpha\) là góc tạo bởi hướng của lực và hướng chuyển động.

Tuỳ thuộc vào góc \(\alpha\) mà có thể xảy ra các trường hợp sau:

• \(0^o\le\alpha< 90^o\) : Công của lực là công phát động (\(A>0\))

• \(\alpha=90^o\): Lực không sinh công (\(A=0\))

• \(90^o< \alpha\le190^o\): Công của lực là công cản (\(A< 0\))

2. Sự truyền năng lượng

Thực hiện công là một cách truyền năng lượng từ vật này sang vật khác. Độ lớn của công mà lực đã thực hiện bằng phần năng lượng mà lực tác dụng đã truyền cho vật, làm vật dịch chuyển một khoảng nào đó theo phương của lực.

Công đã thực hiện = Phần năng lượng đã được truyền

Vậy, đơn vị đo công chính là đơn vị đo năng lượng: jun (J)

1 N.1m = 1 J hay 1 J = 1 N.m

1 J là công đo lực có độ lớn 1 N thực hiện khi điểm đặt của lực chuyển dời 1 m theo phương của lực.

II. Công suất

Để đưa vật liệu lên cao người công nhân thường dùng dây kéo vắt qua ròng rọc cố định. Ở công trường lớn, người ta dùng máy tời thay thế sức người. Dựa vào bảng số liệu dưới đây để xác định xem người hay máy thực hiện công nhanh hơn. Lấy g = 10 m/s². ​

Đối tượng	Khối lượng	Độ cao	Công thực hiện	Thời gian
Người Máy tời	\(m_1=50\) kg \(m_2=50\) kg	\(h_1=10\) m \(h_2=10\) m	\(A_1=5000\) J \(A_2=5000\) J	\(t_1=50\) s \(t_2=10\) s

Tốc độ thực hiện công của người là: \(\dfrac{A_1}{t_1}=100\) (J/s).

Tốc độ thực hiện công của máy tời là: \(\dfrac{A_2}{t_2}=500\) (J/s).

Như vậy, máy tời thực hiện công nhanh hơn.

Ô tô và xe đạp bắt đầu chuyển động. Sau 10 s, xe đạp di chuyển được 20 m; ô tô di chuyển được 100 m.

Người và động cơ ô tô cùng thực hiện một công như nhau nhưng thời gian thực hiện công của động cơ ô tô nhỏ hơn do đó tốc độ thực hiện công của động cơ là nhanh hơn.

2. Định nghĩa công suất.

Đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công nhanh hay chậm của người hoặc thiết bị sinh công được gọi là công suất hay tốc độ sinh công.

Trong thời gian \(t\), công thực hiện được là \(A\) thì công suất được tính là:

\(P=\dfrac{A}{t}\)

Nếu \(A\) tính bằng jun (J), \(t\) tính bằng giây (s) thì \(P\) tính bằng oát (W).

Các bội của W là kW, MW,...

Một đơn vị thông dụng khác được sử dụng trong kĩ thuật là mã lực, kí hiệu là HP. 1 HP = 746 W

3. Mối liên hệ giữa công suất với lực và tốc độ

Khi vật chuyển động cùng hướng với lực và lực không đổi thì:

\(P=\dfrac{A}{t}=\dfrac{F.s}{t}=F.v\)

Công thức trên là công thức tính công suất trung bình của lực làm vật chuyển động.

Nếu \(v_t\) là tốc độ tức thời thì \(P_t\) là công suất tức thời.

Bài tập ví dụ:

Một người kéo thùng nước 10 kg lên trong 15 s. Độ cao từ đáy đến miệng giếng là 12 m.

Tính công suất của người đó (g =10m/s²).

Hướng dẫn:

Tốc độ chuyển động của vật là:

\(v=\dfrac{s}{t}=\dfrac{12}{15}=0,8\) (m/s)

Lực kéo bằng với trọng lượng của vật:

\(F=P=mg=10.10=100\) (N)

Công suất của người kéo bằng:

\(P=F.v=100.0,8=80\) (W)

1. Thực hiện công là một cách để truyền năng lượng từ vật này sang vật khác. Độ lớn của công mà lực đã thực hiện được bằng phần năng lượng đã được truyền đi.

2. Công được tính bằng tích của lực tác dụng và độ dịch chuyển theo phương của lực.

3. Biểu thức tính công: \(A=F.s.\cos\alpha\), trong đó \(\alpha\) là góc hợp bởi lực \(F\) với hướng dịch chuyển, \(s\) là quãng đường vật đi được dưới tác dụng của lực \(F\).

4. Đơn bị đo công và đơn vị đo năng lượng: jun, 1 J = 1N.1m

5. Công suất là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công, được đo bằng công sinh ra trong một giây và có đơn vị là oát (W).

6. Công suất đo bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian:

\(P=\dfrac{A}{t}\)

7. Liên hệ giữa công suất với lực kéo và tốc độ: \(P=F.v\)