Bài 2. Cơ năng

I. ĐỘNG NĂNG

Khi chuyển động, vật có khả năng tác dụng lực lên vật khác và sinh công. Do đó, các vật chuyển động đều mang năng lượng được gọi là động năng. Ví dụ, trong hình 2.2, khi chuyển động, viên bi đỏ va chạm với các viên bi xanh, tác dụng lực và làm các viên bi xanh dịch chuyển. Ta nói, viên bị đỏ đang chuyển động có động năng.

Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì khả năng sinh công càng lớn, tức là động năng của vật càng lớn. Động năng của vật được xác định bằng biểu thức:

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

Trong đó:

• W_d là động năng của vật, đơn vị đo là jun (J);
• m là khối lượng của vật, đơn vị do là kilôgam (kg);
• v là tốc độ của vật, đơn vị đo là mét/giây (m/s).

II. THẾ NĂNG TRỌNG TRƯỜNG

Khi ở trên cao, các vật đều có xu hướng rơi xuống do chịu tác dụng của lực hút Trái Đất. Khi rơi, chúng có thể tác dụng lực lên vật khác và sinh công. Do vậy, vật ở độ cao nào đó đều có năng lượng được gọi là thế năng trọng trường.

Ở hình 2.1, trước khi xảy ra sạt lở, các khối đất đá nằm trên cao dự trữ năng lượng dưới dạng thế năng trọng trường. Khi sạt lở đất, các khối đất đá trượt xuống, sinh công phá huỷ cây cối cũng như các vật khác trên đường đi của nó.

Vật có trọng lượng càng lớn và ở càng cao thì khả năng sinh công càng lớn, tức là thế năng trọng trường của vật càng lớn. Thế năng trọng trường được xác định bằng biểu thức:

\(W_t=Ph\)

Trong đó:

• W_t là thế năng trọng trường, đơn vị đo là jun (J);
• h là độ cao của vật so với vị trí O nào đó, đơn vị đo là mét (m);
• P là trọng lượng của vật, đơn vị đo là niutơn (N).

Nếu vật ở vị trí O (h = 0) thì thế năng trọng trường của vật bằng không. Khi đó, vị trí O được gọi là gốc thế năng.

Thế năng trọng trường có thể gọi tắt là thế năng.

III. CƠ NĂNG

Khi vật chuyển động ở một độ cao nào đó, vật vừa có động năng, vừa có thế năng.

Ví dụ, bạn nhỏ chơi xích đu trong hình 2.3 chuyển động từ vị trí A tới vị trí thấp nhất B rồi tiếp tục chuyển động và dừng lại ở vị trí C, sau đó chuyển động ngược lại. Trong quá trình đó, bạn nhỏ vừa có động năng, vừa có thế năng.

• Giai đoạn bạn nhỏ chuyển động từ A đến B, độ cao của bạn ấy giảm dần nên thế năng giảm dần, đồng thời tốc độ của bạn ấy tăng dần nên động năng tăng dần.
• Giai đoạn bạn nhỏ chuyển động từ B đến C, thế năng của bạn ấy tăng dần, đồng thời động năng giảm dần.

Như vậy, trong quá trình chuyển động, động năng và thế năng của vật có thể chuyển hoá qua lại cho nhau.

Ở mỗi vị trí, tổng động năng và thế năng của vật được gọi là cơ năng, kí hiệu là W.

\(W=W_d+W_t\)

Trong quá trình chuyển động của vật, nếu lực cản rất nhỏ, ta có thể bỏ qua phần cơ năng chuyển hoá thành năng lượng nhiệt truyền vào môi trường. Khi đó, động năng giảm đi bao nhiêu thì thế năng tăng lên bấy nhiêu và ngược lại. Như vậy, tổng động năng và thế năng là không đổi. Ta nói cơ năng được bảo toàn.