1. Cơ năng
Cơ năng là một khái niệm đơn giản được định nghĩa dựa trên hiểu biết về công cơ học. Bạn còn nhớ như thế nào được gọi là công cơ học không? Những trường hợp xuất hiện công cơ học là khi có lực tác dụng vào vật khiến vật di chuyển từ vị trí này sang vị trí kia. Tiếp đó, khi một vật có khả năng thực hiện công cơ học, chúng ta nói vật đó có cơ năng.
Định nghĩa cơ năng như sau: Khi vật có khả năng sinh công, ta nói vật có cơ năng. Ta thấy bản chất của cơ năng chính là công cơ học, nên khả năng thực hiện công càng lớn thì cơ năng của vật cũng càng lớn. Đơn vị đo của cơ năng là Jun (J) (Lưu ý 1kJ = 1000J)
Ngoài ra bạn cũng có thể hiểu về cơ năng là gì một cách chính xác và rõ ràng hơn như sau: Cơ năng bằng tổng của động năng và thế năng cộng lại. Cơ năng là một dạng năng lượng kết hợp giữa chuyển động và vị trí của vật thể.
Ta có: W = Wđ + Wt = 1/2 mv2 + mgz.
Ví dụ về cơ năng: Cho hai vật là một quả bóng và một cuốn sách. Đặt cuốn sách thẳng đứng trên sàn nhà, ban đầu quả bóng vẫn nằm yên cách cuốn sách khoảng 50cm. Ta lấy tay đẩy quả bóng về phía cuốn sách làm cuốn sách đổ xuống. Điều đó cho thấy quả bóng đã thực hiện công tác động lên sách làm sách di chuyển. Nên quả bóng có cơ năng.
2. Dạng của cơ năng
- Thê năng: Thế năng gồm hai loại là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi.
+ Thế năng trọng trường: Trường hợp nào của vật được coi là có thế năng? Cùng xem xét ví dụ sau giúp ta hiểu được thế năng xuất hiện khi nào: Một vật bất kỳ đặt trên mặt đất chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì nó đứng yên. Vật đó không sinh công nên cũng không có thế năng. Nhưng nếu ta nâng vật đó lên một độ cao nào đó thì vật đó có cơ năng không? Tại sao? Trường hợp có thế năng trọng trường.
Thử làm thí nghiệm bằng cách treo vật vào một sợi dây. Ta có thể chọn một vật là quả nặng, đầu dây còn lại buộc vào một tấm gỗ. Theo dõi thí nghiệm như trong hình. Nếu không giữ sợi dây mà buông tay ra thì quả nặng rơi xuống theo phương thẳng đứng, tấm gỗ bị di chuyển. Suy ra quả nặng đã thực hiện công hay nói cách khác quả nặng có cơ năng.
=>>> Cơ năng trong trường hợp này được gọi là thế năng. Thế năng trọng trường Thế năng của vật càng lớn khi mà vật ở vị trí càng cao so với mặt đất. Hay nói cách khác thế năng của vật phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất.
Định nghĩa thế năng trọng trường: Thế năng được xác định bởi độ cao của vật so với mặt đất gọi là thế năng trọng trường. Vật có khối lượng càng lớn và ở độ cao thì thế năng trọng trường càng lớn.
Lưu ý: Khi vật đang nằm yên trên đất thì có thế năng trọng trường bằng 0. Thế năng trọng trường còn được gọi là thế năng hấp dẫn. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào MỐC tính độ cao. Ta có thể chọn mốc tính độ cao tùy ý. Thế năng trọng trường còn phụ thuộc vào khối lượng của vật. (Vật có khối lượng càng lớn thì thế năng càng lớn).
+ Thế năng đàn hồi là những trường hợp mà cơ năng của vật sinh ra phụ thuộc vào độ biến dạng của vật, thì được gọi là thế năng đàn hồi.
Vậy thế năng đàn hồi phụ thuộc vào độ biến dạng của vật. Để nhận biết được một vật có thế năng đàn hồi hay không, ta sẽ xem vật đó bị biến dạng hay có tính đàn hồi hay không. Thế năng đàn hồi xuất hiện trên lò xo.
Ví dụ về trường hợp lò xo có thế năng đàn hồi: Lò xo bị nén thì sinh ra cơ năng, dạng cơ năng phụ thuộc vào độ nén lò xo này được gọi là thế năng. Hay khi ta kéo dây cung, ta cũng đã cung cấp cho cây cung một thế năng đàn hồi.
- Động năng:
+ Để một vật có động năng thì nó phải có cơ năng trước tiên, thứ 2 vật đó sinh công là do chuyển động mà có.
+ Ví dụ: Một quả cầu đặt trên máng nghiêng giữ nó ở vị trí trên cao, bên dưới đặt một miếng gỗ dưới chân máng nghiêng. Ta thả tay cho quả cầu lăn từ trên cao xuống theo một đường thẳng, khi lăn xuống nó sẽ chạm vào miếng gỗ làm miếng gỗ dịch chuyển. Lúc này quả cầu di chuyển đã sinh công, hay có cơ năng.
+ Động năng phụ phuộc vào những yếu tố nào: Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì cho động năng càng lớn. Vậy động năng phụ thuộc vào hai yếu tố: Khối lượng của vật: Khi vận tốc không đổi, nếu khối lượng vật tăng thì động năng cũng tăng, tỷ lệ thuận với m. Vận tốc của vật: Khi khối lượng vật không đổi, nếu vận tốc của vật tăng thì động năng cũng tăng (động năng tỷ lệ với bình phương vận tốc).
3. Khi nào nói vật có cơ năng?
Khi một vật có khả năng thực hiện công cơ học, ta nói vật có cơ năng. Vật có khả năng thực hiện công cơ học càng lớn thì cơ năng của vật càng lớn. Cơ năng có đơn vị là Jun (J).
Ví dụ: Khi dây cung được kéo căng (giương cung) thì nếu buông tay ra, mũi tên sẽ bay đi. Vậy chiếc cung lúc được giương đang có khả năng thực hiện công, ta nói cung có cơ năng.
Như vậy thì có thể kết luận: Vật có cơ năng khi vật có khả năng sinh công, cơ năng là tổng của động năng và thế năng, nó là năng lượng kết hợp của chuyển động và vị trí của vật thể, định luật bảo toàn cơ năng nói rõ, trong một hệ kín thì cơ năng không đổi. Tại vì:
– Cơ năng là tổng của động năng và thế năng, nó là năng lượng kết hợp của chuyển động và vị trí của vật thể. Định luật bảo toàn cơ năng nói rõ, trong một hệ kín thì cơ năng không đổi.
– Năng lượng là một đại lượng vô hướng và cơ năng của một hệ là tổng của thế năng (được tính bằng vị trí tương đối của các thành phần của hệ) và động năng.
– Khi vật có khả năng sinh công, ta nói vật đó có cơ năng. Vật có khả năng thực hiện công càng lớn thì cơ năng của vật càng lớn.
– Đơn vị của cơ năng là Jun (J).
– Cơ năng của vật phụ thuộc vào vị trí của vật so với mặt đất, hoặc so với một vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao, gọi là thế năng hấp dẫn
4. Một số câu hỏi liên quan đến cơ năng
Câu 1: Một vật được thả rơi tự do, trong quá trình rơi thì nó có sự thay đổi về đại lượng nào?
Trả lời: Khi một vật được thả rơi tự do, trong quá trình rời thì tổng độ năng và thể năng của vật không thay đổi.
Giải thích: Một vật được thả rơi tự do, trong quá trình rơi vận tốc và độ cao của vật thay đổi nên động năng và thế năng thay đổi, nhưng tổng động năng và thế năng của vật không thay đổi.
Câu 2: Một vận động viên trượt tuyết từ trên vách núi trượt xuống, tốc độ trượt mỗi lúc một tăng. Như vậy đối với vận động viên thì thế năng và động năng của người đó có sự thay đổi trong quá trình trượt?
Trả lời: Khi đó động năng và thế năng của vận động viên sẽ giảm
Giải thích: Vì vận động viên trượt tuyết từ trên vách núi xuống có nghĩa là trượt từ trên cao xuống thấp, mà vận tốc tăng lên. Do đó, động năng của người đó tăng còn thế năng của người đó giảm đi.
Câu 3: Trong quá trình dao động của một con lắc đơn, thì tại vị trí cân bằng, thì đại lượng động năng thế nào?
Trả lời: Tại vị trí cân bằng của một con lắc đơn thì động năng của con lắc đạt giá trị cực đại.
Giải thích: Trong quá trình dao động của một con lắc đơn thì tại vị trí cân bằng của con lắc đơn nó sẽ có toạ độ cao thấp nhất do vậy thế năng của con lắc nhỏ nhất và động năng của con lắc lớn nhất.
Câu 4: Khi thả một vật trượt không vận tốc ban đầu trên mặt phẳng nghiêng có ma sát thì độ giảm thế năng của vật đó bằng cái gì?
Trả lời: Khi thả một vật trượt không vận tốc ban đầu trên mặt phẳng nghiên có ma sát thì độ giảm thế năng của vật đó bằng công của trọng lực.
Giải thích: Khi thả một vật trươth không vận tốc đầu trên mặt phẳng nghiêng có ma sát thế năng giảm do trọng lực sinh công. Do đó độ giảm thế năng bằng công của trọng lực.
Bạn đọc có thể tham khảo thêm bài viết có liên quan đến vấn đề này: Cơ năng là gì? Các đại lượng của công thức tính cơ năng.
