Bài 2. Cơ năng

1. ĐỘNG NĂNG VÀ THẾ NĂNG

Trong cơ học, năng lượng tồn tại ở hai dạng cơ bản là động năng và thế năng.

Xác định biểu thức tính động năng

Trong chương trình môn Khoa học tự nhiên lớp 6, ta đã biết rằng động năng là dạng năng lượng mà một vật có được do chuyển động. Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì động năng càng lớn.

Động năng W_đ của một vật được xác định bởi biểu thức:

\(W_d=\dfrac{1}{2}mv^2\)

Trong đó m (kg) là khối lượng của vật, v (m/s) là tốc độ chuyển động của vật.

Trong hệ SI, đơn vị đo động năng là jun (J).

Xác định biểu thức tính thế năng

Thế năng trọng trường, hay gọi tắt là thế năng, là năng lượng vật có được khi ở trên cao so với mặt đất (hoặc so với một vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao).

Giá trị của thế năng phụ thuộc vào mốc chọn để tính độ cao, hay còn gọi là gốc thế năng. Thông thường, gốc thế năng được chọn tại mặt đất.

Vật có trọng lượng càng lớn và ở độ cao càng lớn thì thế năng của vật càng lớn.

Thế năng W_t của một vật ở gần mặt đất được xác định bởi biểu thức:

\(W_t=Ph\)

Trong đó P (N) là trọng lượng của vật, h (m) là độ cao của vật so với mặt đất.

Trong hệ SI, đơn vị đo thế năng là jun (J).

2. CƠ NĂNG VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG

Định nghĩa cơ năng

Trong thực tế, một vật có thể vừa có động năng, vừa có thế năng (Hình 2.3).

Tổng động năng và thế năng của vật được gọi là cơ năng.

\(W=W_d+W_t\)

Trong hệ SI, đơn vị đo cơ năng là jun (J).

Ngày nay, nhiều máy móc có thể biến đổi các dạng năng lượng khác thành cơ năng hoặc ngược lại. Ví dụ:

- Trong động cơ xăng, nhiên liệu bị đốt cháy đã biến đổi hoá năng dự trữ trong nhiên liệu thành nhiệt năng rồi nhiệt năng tiếp tục biến đổi thành cơ năng để tạo lực đẩy cho ô tô, xe máy,

- Ở tháp điện gió, cơ năng của dòng không chuyển động (gió) đã biến đổi thành cơ năng của các cánh quạt và tuabin phát điện rồi biến đổi thành điện năng.

Phân tích sự chuyển hoá năng lượng trong một số trường hợp đơn giản

Xét chuyển động của một con lắc có cấu tạo gồm một vật nặng được treo ở đầu một sợi dây nhẹ, không dãn (Hình 2.4). Từ vị trí cân bằng O ban dầu, vật nặng được kéo lệch lên một độ cao h tại A rồi thả nhẹ. Khi đó, con lắc sẽ dao động xung quanh vị trí O.

Chọn gốc thế năng tại O.

- Khi đi từ A đến O, vật nặng có độ cao giảm dần và tốc độ tăng dần, nghĩa là thế năng của nó giảm dần và động năng tăng dần. Trong quá trình này, thế năng của vật đang chuyển hoá dần thành động năng.

- Khi đi từ O đến B, vật nặng có tốc độ giảm dần và độ cao tăng dần, Động năng của vật đang chuyển hoá dần thành thế năng.

Quá trình diễn ra ngược lại khi con lắc đi từ B đến O và từ O đến A.

Như vậy, trong quá trình dao động của con lắc có sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng.

Sự chuyển hoá năng lượng cũng diễn ra ở nhiều chuyển động khác trong thực tế như chuyển động của quả bóng được thả rơi (Hình 2.5a), chuyển động của vận động viên nhảy cao qua xà (Hình 2.5b),...