Cơ năng là gì? Công thức tính và định luật bảo toàn cơ năng

Trong chương trình Vật lý được học ở phổ thông, chúng ta đã quá quen thuộc với cơ năng. Tuy nhiên, đâu là khái niệm chính xác nhất về cơ năng? Và định luật bảo toàn cơ năng Nó được hiểu như thế nào? Câu trả lời sẽ có trong bài viết dưới đây của chúng tôi!

năng lượng cơ học là gì?

Chúng ta đã học cơ năng ở lớp 8 và lớp 10. Dựa vào định nghĩa cơ năng trong Vật lý 8, khi một vật có cơ năng sinh công thì ta có thể nói vật đó có thế năng hay cơ năng của vật. Nếu một vật có thể thực hiện nhiều công việc hơn, năng lượng cơ học của nó cũng sẽ lớn hơn. Cơ năng là đại lượng đo bằng đơn vị jun, có ký hiệu: J.

Nếu căn cứ vào định nghĩa cơ năng của Vật lí 10 thì cơ năng được hiểu là khi một vật đang chuyển động trong trọng trường thì tổng động năng và thế năng của nó sẽ được gọi là cơ năng. Cơ năng của một vật có thể dương, có thể âm hoặc có thể bằng không.

Hai dạng cơ năng phổ biến là gì?

Theo nghiên cứu, có hai dạng cơ năng cơ bản là thế năng và động năng.

Năng lượng tiềm năng

Năng lượng tiềm năng chỉ đơn giản là một đại lượng thường được sử dụng trong vật lý. Nó biểu thị khả năng thực hiện công của một vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng. Hiện nay, có hai loại thế năng: thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi. Mỗi loại thế năng đều có những đặc điểm riêng để có thể áp dụng và tính toán một cách hợp lý.

Động năng

Động năng là năng lượng cơ học của một vật thể được tạo ra bởi các chuyển động khác nhau. Khi một vật có khối lượng lớn hơn và chuyển động nhanh hơn, động năng của nó cũng tỷ lệ thuận và sẽ lớn hơn.

Động năng và thế năng được coi là hai dạng của năng lượng cơ học. Cơ năng của một vật bằng tổng thế năng và động năng của vật. Thế năng động năng và cơ năng có quan hệ mật thiết với nhau.

Công thức cho năng lượng cơ học là gì?

Nếu năng lượng cơ học được tác động bởi trọng lực,

Cơ năng của một vật chuyển động được là do tác dụng của trọng lực có độ lớn bằng tổng động năng cộng với thế năng trọng trường của vật. Đặc biệt:

Trong đó.

• Thế năng của một vật thể sẽ chuyển động không ngừng trong một trường hấp dẫn và thường sẽ được hấp thụ trên bề mặt trái đất.
• Đối với một vật hoặc hệ chỉ chịu tác dụng của trọng trường thì cơ năng của nó được tính là đại lượng bảo toàn. Tức là: W1 = W2, từ đó có thể kết luận độ biến thiên thế năng W2–W1 = 0.

Nếu cơ năng đó chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi

Cơ năng của một vật chuyển động được là do tác dụng của trọng lực bằng tổng của động năng cũng như thế năng đàn hồi của vật:

Đặc biệt là:

• Nguồn thế năng được chọn thường sẽ là cơ năng tại vị trí cân bằng của lò xo.
• Đối với một vật hay hệ chịu tác dụng của lực đàn hồi thì cơ năng của nó còn được gọi là một đại lượng bảo toàn. Tức là W1 = W2, từ đó độ biến thiên thế năng W2–W1 = 0.

Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Định luật bảo toàn cơ năng được coi là định luật bảo toàn cơ năng khi chuyển động của một vật bất kì bên trong trọng trường chỉ phải chịu tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi. Có thể giải thích đơn giản như sau: “Thế năng và động năng của một vật có khả năng biến đổi qua lại trong quá trình vật chuyển động trong trọng trường. Nhưng vì cơ năng bằng tổng động năng và thế năng nên tổng của chúng sẽ không thay đổi đáng kể.

Định luật bảo toàn cơ năng được định nghĩa chính xác: “Trong quá trình chuyển động, nếu một vật chỉ chịu tác dụng của một loại trọng lực thì động năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành thế năng và ngược lại. Đồng thời, tổng của chúng có nghĩa là cơ năng sẽ được bảo toàn tuyệt đối.

Ghi chúđịnh luật bảo toàn cơ năng của một vật chỉ thực sự đạt độ chính xác cao khi vật đó không chịu tác dụng của một ngoại lực nào khác ngoài trọng lực và lực đàn hồi.

Nếu trong quá trình chuyển động vật chịu tác dụng của một lực nào khác thì cơ năng của vật đó sẽ bị biến đổi ngay. Lúc này công của các lực tác dụng lên vật sẽ bằng độ biến thiên cơ năng.

Hậu quả của năng lượng cơ học là gì?

Thông qua quá trình chuyển động của một vật thể bên trong trọng trường, chúng ta có thể thấy được hệ quả của cơ năng một cách rất rõ ràng.

• Nếu thế năng của vật giảm thì động năng của vật tăng và ngược lại.
• Tại một vị trí xác định, nếu động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại.

Ứng dụng định luật bảo toàn cơ năng trong vật lý

Có thể thấy định luật bảo toàn cơ năng có vai trò vô cùng quan trọng nên nó được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong đời sống hàng ngày. Ngoài ra còn có thể kết hợp với các công thức tính độ chuyển hóa năng lượng khác để có thể giải các bài toán khó liên quan mật thiết đến cơ năng một cách dễ dàng và nhanh chóng.

Một số bài toán điển hình khác cũng cần sử dụng đến các định luật này là khi muốn xác định biểu thức cụ thể của động năng hoặc thế năng tại một vị trí xác định của vật. Qua đó có thể xác định chính xác cân nặng, chiều cao… của đối tượng. Bên cạnh đó, các bài toán về 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 khác như thế nào.

Một số dạng bài tập điển hình về cơ học

Cơ năng của con lắc lò xo trong dao động điều hòa rất hay gặp trong các đề thi đại học, cao đẳng. Các em cần nắm vững những kiến ​​thức lý thuyết này và chú ý chu kì, tần số của động năng.

Bài 1: Con lắc lò xo bất kỳ có độ cứng k=100N/m dao động với phương trình: x=Acos(wt + 𝞿). Biểu thức của thế năng là Et=0,1cos(4𝛑t +𝛑/2) + 0,1 J. Vậy phương trình chuyển vị là gì?

• Giải: x = 2 bình phương 10 cos(2𝛑t + 𝛑/4) cm.

Bài 2: Cơ năng của một con lắc đơn có chiều dài l và vật khối lượng m chuyển động ở nơi có gia tốc g. Khi đó, dao động nhỏ với biên độ góc α0 sẽ được xác định bằng công thức nào sau đây?

Bài 3: Một con lắc đơn có sợi dây dài l = 1 m, quả nặng có khối lượng m = 0,2 kg. Ta kéo quả nặng ra khỏi vị trí cân bằng sao cho phương của dây hợp với phương thẳng đứng một góc 60o rồi thả nhẹ. Bỏ qua sức cản của không khí, ta lấy g = 10m/s2. Chọn mốc cụ thể để tính thế năng tại vị trí cân bằng của con lắc. Tính cơ năng của vật tại vị trí thả rơi và vận tốc của vật khi đi qua vị trí cân bằng.

Giải: Bỏ qua yếu tố lực cản không khí thì cơ năng sẽ áp dụng định luật bảo toàn.

Chọn mốc thế năng bất kỳ tại vị trí cân bằng (tại O).

=> WA = WtA+ WdA= WtA(DOVA = 0)

=mghA= 0,2 x 10 (CO – CH)

= 2 x(l – l xcosα) = 2 x (1 – l xcos60) = 1 (J)

Khi đó, WO = 1= WA(J)

WdO = 1 (DoWto = 0)

⇔ 1/2mv02= 1

⇔ Vo = 10 (m/s)

Hy vọng với những thông tin mà muahangdambao.com đề cập trong bài viết đã có thể giúp bạn hiểu được động năng là gì, công thức tính, hiểu định luật bảo toàn cơ năng như thế nào để có thể áp dụng trong cuộc sống. Cuộc sống hàng ngày. Tôi chúc bạn mọi điều tốt đẹp nhất trong học tập của bạn.