Cơ năng là gì? Cách tính cơ năng (chi tiết nhất)

Bài viết Cơ năng là gì? Cách tính cơ năng với phương pháp giải chi tiết giúp học sinh ôn tập, biết cách làm bài tập Cơ năng là gì? Cách tính cơ năng.

Cơ năng là gì? Cách tính cơ năng (chi tiết nhất)

1. Cơ năng là gì?

Cơ năng là một khái niệm còn được biết đến với tên gọi là cơ năng toàn phần. Đây là khái niệm mô tả khả năng hoạt động hay sinh công một vật. Hiểu đơn giản hơn cơ năng là đại lượng dùng để mô tả hoạt động của vật. Khả năng sinh công vật càng cao thì tỷ lệ thuận cơ năng càng lớn. Đơn vị được dùng để biểu diễn cơ năng là Jun với ký hiệu là J.

Trong kiến thức vật lý Trung học Phổ Thông, cơ năng là tổng của thế năng cộng động năng. Toàn bộ năng lượng phần cơ học sẽ được tiết kiệm trong hệ thống khép kín hoàn toàn.

2. Các dạng của cơ năng là gì?

Sau khi đã nắm được định nghĩa cơ năng thì chúng ta cần tìm hiểu các dạng của cơ năng. Theo lý thuyết cơ năng bằng tổng động năng cộng thế năng nên trong cơ năng có hai loại đó là thế năng và động năng.

2.1. Thế năng là gì?

Thế năng là dạng năng lượng tiềm ẩn mà một vật sở hữu do vị trí hoặc trạng thái của nó. Khi một vật được nâng lên một độ cao so với mặt đất, nó tích trữ thế năng hấp dẫn. Độ lớn của thế năng này phụ thuộc vào khối lượng của vật và độ cao so với mặt đất hoặc một mốc đã chọn. Vật càng nặng và càng cao thì thế năng hấp dẫn càng lớn. Khi vật nằm trên mặt đất, thế năng hấp dẫn coi như bằng không.

Một dạng thế năng khác là thế năng đàn hồi, liên quan đến các vật có tính đàn hồi như lò xo. Khi lò xo bị nén hoặc kéo giãn, nó tích trữ thế năng đàn hồi. Mức độ biến dạng của lò xo càng lớn thì thế năng đàn hồi càng lớn.

Ví dụ điển hình về thế năng đàn hồi là khi kéo căng dây cung. Hành động này làm biến dạng dây cung, đồng thời cung cấp cho nó một lượng thế năng đàn hồi. Khi dây cung được thả ra, thế năng đàn hồi này chuyển hóa thành động năng, đẩy mũi tên bay đi với vận tốc lớn.

2.2. Động năng là gì?

Động năng là một dạng năng lượng đặc biệt, được sinh ra từ chính sự chuyển động của vật thể. Hãy tưởng tượng một chiếc xe đang lao vun vút trên đường cao tốc, một viên đạn bay vèo khỏi nòng súng, hay đơn giản như một đứa trẻ đang chạy nhảy vui đùa. Tất cả những hình ảnh đó đều thể hiện động năng đang tồn tại và hoạt động.

Điều thú vị là, động năng không chỉ phụ thuộc vào sự chuyển động mà còn liên quan mật thiết đến khối lượng của vật. Một chiếc xe tải nặng nề sẽ mang trong mình động năng lớn hơn nhiều so với một chiếc xe máy dù cả hai cùng chạy với tốc độ như nhau. Tương tự, một viên đạn lớn sẽ gây ra sức công phá mạnh hơn một viên đạn nhỏ khi được bắn ra với cùng vận tốc.

Tuy nhiên, khi vật thể đứng yên, mọi chuyển động đều ngừng lại, động năng cũng biến mất. Lúc này, ta nói động năng của vật bằng 0. Giống như chiếc xe đã tắt máy, viên đạn nằm im trong hộp, hay đứa trẻ đã say giấc nồng, tất cả đều không còn mang trong mình nguồn năng lượng chuyển động nữa.

Ví dụ, khi một vật được đẩy hoặc ném đi, năng lượng tiêu tốn để tạo ra chuyển động của vật chính là cơ năng được lưu trữ dưới dạng động năng. Động năng cũng có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt năng hay âm lượng.

Nếu vật đứng yên và không di chuyển, động năng của nó sẽ bằng 0. Thế năng là cơ năng do vị trí và độ cao của vật tạo ra, trong khi động năng là cơ năng do chuyển động của vật tạo ra. Cả hai dạng cơ năng này đều quan trọng trong việc nghiên cứu và hiểu về các quá trình vật lý.

3. Sự chuyển hóa giữa thế năng và động năng

- Sau khi bạn đã nắm được định nghĩa cơ bản về cơ năng là gì thì chúng ta cùng tìm hiểu về sự chuyển hóa giữa thế năng và động năng như thế nào. Sự chuyển hóa giữa thế năng và động năng là một trong những hiện tượng cơ bản và thú vị nhất trong vật lý. Thế năng là năng lượng tiềm ẩn mà một vật sở hữu do vị trí hoặc trạng thái của nó, ví dụ như một quả bóng trên cao hoặc một chiếc lò xo bị nén. Động năng, ngược lại, là năng lượng của chuyển động, như một chiếc xe đang chạy hoặc một con chim đang bay.

- Điều kỳ diệu xảy ra khi thế năng và động năng chuyển hóa qua lại với nhau. Khi quả bóng rơi xuống, thế năng của nó giảm dần, trong khi động năng tăng lên. Tương tự, khi chiếc lò xo bị nén được thả ra, thế năng giảm đi và động năng tăng lên, khiến lò xo bật trở lại.

- Trong thế giới tự nhiên, sự chuyển hóa này diễn ra liên tục và đa dạng. Nước trên đỉnh thác có thế năng lớn, và khi rơi xuống, nó chuyển hóa thành động năng, tạo ra dòng chảy mạnh mẽ. Mặt trời cung cấp năng lượng ánh sáng, một dạng thế năng, và cây xanh sử dụng năng lượng này để quang hợp và tạo ra các chất hữu cơ, một dạng động năng hóa học.

4. Định luật bảo toàn cơ năng là gì?

Định luật bảo toàn cơ năng là một trong những nguyên lý nền tảng của vật lý, thể hiện sự không mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác của cơ năng trong một hệ kín. Nói một cách đơn giản, tổng cơ năng của một vật hay một hệ vật sẽ không thay đổi theo thời gian nếu không có sự tác động của ngoại lực không bảo toàn.

Theo định luật bảo toàn cơ năng, động năng và thế năng có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau nhưng tổng cơ năng luôn được bảo toàn. Ví dụ, khi một quả bóng rơi từ trên cao xuống, thế năng hấp dẫn của nó giảm dần trong khi động năng tăng lên, nhưng tổng cơ năng của quả bóng không đổi.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng trong một hệ kín, nơi không có sự tác động của lực ma sát hay lực cản của môi trường. Trong thực tế, các lực không bảo toàn này luôn tồn tại và làm giảm cơ năng của hệ, chuyển hóa một phần thành nhiệt năng hay các dạng năng lượng khác.

Hệ quả của định luật bảo toàn cơ năng “Nếu động năng của vật có dấu hiệu giảm thì thế năng sẽ tăng lên. Khi vật ở động năng cực đại ở một trí nào thì thế năng sẽ được cực tiêu ở vị trí đó và ngược lại”.

5. Công thức tính cơ năng là gì?

Cơ năng là một đại lượng quan trọng trong vật lý, đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật hoặc hệ vật. Về bản chất, cơ năng là tổng của động năng và thế năng.

Động năng là năng lượng mà một vật sở hữu do chuyển động của nó. Động năng phụ thuộc vào khối lượng (m) và vận tốc (v) của vật, được tính bằng công thức: Wđ = ½mv²

Thế năng là năng lượng dự trữ mà một vật có được do vị trí hoặc trạng thái của nó. Có nhiều dạng thế năng khác nhau, nhưng hai dạng phổ biến nhất là:

Thế năng trọng trường: Năng lượng mà một vật có được do vị trí của nó trong trường trọng lực. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào khối lượng (m), gia tốc trọng trường (g) và độ cao (h) của vật so với một mốc đã chọn, được tính bằng công thức: Wt = mgh

Thế năng đàn hồi: Năng lượng dự trữ trong một vật đàn hồi khi nó bị biến dạng. Thế năng đàn hồi phụ thuộc vào độ cứng (k) của lò xo và độ biến dạng (x) của nó, được tính bằng công thức: Wt = ½kx²

Công thức tính cơ năng được biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau:

W = Wđ + Wt

Trong đó:

● W là đơn vị thể hiện cho cơ năng

● Wđ là đơn vị thể hiện động năng

● Wt là đơn vị thể hiện thế năng

6. Ý nghĩa của cơ năng là gì trong vật chuyển động trong trọng trường?

Như vậy, bạn cũng đã nắm được khái niệm, công thức tính và định luật bảo toàn cơ năng. Trong lĩnh vực vật lý, cơ năng đóng vai trò then chốt trong việc hiểu và mô tả chuyển động của vật thể trong trường trọng lực. Cơ năng là tổng năng lượng mà một vật sở hữu, bao gồm động năng và thế năng. Động năng thể hiện năng lượng của vật do chuyển động, trong khi thế năng là năng lượng dự trữ do vị trí của vật trong trường trọng lực.

Ý nghĩa của cơ năng nằm ở khả năng biểu thị mối quan hệ giữa chuyển động và vị trí của vật. Khi một vật rơi tự do trong trường trọng lực, thế năng giảm dần trong khi động năng tăng lên. Tuy nhiên, tổng cơ năng của vật luôn được bảo toàn, nghĩa là tổng động năng và thế năng không đổi. Điều này được gọi là định luật bảo toàn cơ năng, một nguyên lý cơ bản trong vật lý.

Trong các ứng dụng thực tế, cơ năng có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán và dự đoán chuyển động của các vật thể trong trọng trường. Ví dụ, trong kỹ thuật, kiến thức về cơ năng được sử dụng để thiết kế các hệ thống như tàu lượn siêu tốc, máy phóng và các thiết bị khác tận dụng sự chuyển đổi giữa động năng và thế năng. Ngoài ra, trong lĩnh vực năng lượng, cơ năng là nền tảng để khai thác năng lượng từ các nguồn như thủy điện, nơi thế năng của nước được chuyển đổi thành động năng để tạo ra điện.

7. Ứng dụng trong thực tế của cơ năng là gì?

Cơ năng, một trong những dạng năng lượng cơ bản, đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày và trong nhiều lĩnh vực công nghệ. Ứng dụng của cơ năng trải rộng từ những vật dụng đơn giản cho đến những công trình phức tạp, thể hiện sự đa dạng và tính linh hoạt của nó.

Trong đời sống thường ngày, cơ năng được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động như di chuyển, vận chuyển và sản xuất. Ví dụ, xe đạp, xe máy và ô tô đều sử dụng động cơ đốt trong để chuyển hóa năng lượng hóa học thành cơ năng, giúp chúng ta di chuyển dễ dàng. Trong các nhà máy, cơ năng được sử dụng để vận hành máy móc, giúp tăng năng suất và giảm sức lao động của con người.

Trong lĩnh vực công nghệ, cơ năng được ứng dụng trong các thiết bị như máy phát điện, tuabin gió và thủy điện. Các máy phát điện sử dụng cơ năng để tạo ra điện năng, cung cấp nguồn điện cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt. Turbine gió và thủy điện sử dụng động năng của gió và nước để quay tuabin, tạo ra điện năng sạch và bền vững.

Ngoài ra, cơ năng còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y tế, thể thao và giải trí. Trong y tế, cơ năng được sử dụng trong các thiết bị phục hồi chức năng, giúp người bệnh cải thiện khả năng vận động. Trong thể thao, cơ năng là yếu tố quan trọng trong các môn như điền kinh, bơi lội và cử tạ.

8. Bài tập cơ năng:

Câu 1: Cơ năng đàn hồi của hệ vật và lò xo:

A. bằng động năng của vật.

B. bằng tổng động năng của vật và thế năng đàn hồi của lò xo.

C. bằng thế năng đàn hồi của lò xo.

D. bằng động năng của vật và cũng bằng thế năng đàn hồi của lò xo.

Lời giải:

Chọn B

Câu 2: Chọn đáp án đúng: Cơ năng là:

A. Một đại lượng vô hướng có giá trị đại số

B. Một đại lượng véc tơ

C. Một đại lượng vô hướng luôn luôn dương

D. Một đại lượng vô hướng luôn dương hoặc có thể bằng 0

Lời giải:

Chọn D

Câu 3: Một vận động viên nặng 650 N nhảy với vận tốc ban đầu $v_0=2m/s$ từ cầu nhảy ở độ cao 10 m xuống nước theo hướng thẳng đứng xuống dưới. Lấy $g=10m/s^2,$ sau khi chạm nước người đó chuyển động thêm một độ dời 3 m trong nước theo phương thẳng đứng thì dừng. Độ biến thiên cơ năng của người đó là:

A. – 8580 J

B. – 7850 J

C. – 5850 J

D. – 6850 J

Lời giải:

Chọn gốc thế năng tại mặt phân cách giữa nước và không khí.

Cơ năng của người lúc bắt đầu nhảy là: $W_{truoc}=mgh+\frac{1}{2}m.{v_0}^2=6630J.$

Tại vị trí dừng lại, có tọa độ là h’ = -3 m.

Cơ năng lúc người đó dừng lại là: $W_{sau}=-mgh\text{'}=-1950J$

Độ biến thiên cơ năng: $\Delta W=W_{sau}-W_{truoc}=-8580J.$

Câu 4: Một vật được ném thẳng đứng lên cao với vận tốc 6 m/s. Lấy $g=10m/s^2.$ Tính độ cao cực đại của nó.

A. h = 1,8 m.

B. h = 3,6 m.

C. h = 2,4 m

D. h = 6 m

Lời giải:

Khi vật lên đến độc cao cực đại thì v = 0.

Định luật bảo toàn cơ năng cho 2 vị trí bắt đâu ném vật và độ cao cực đại:

$W_1=W_2\iff W_{đ1}+W_{t1}=W_{đ2}+W_{t2}.$

$\iff \frac{1}{2}m{v}^2+0=0+mg{h}_{\max }$

$\iff h_{\max }=\frac{v^2}{2g}=1,8m$

Câu 5: Một vật m trượt không vận tốc ban đầu từ đỉnh xuống chân một mặt phẳng nghiêng có chiều dài 5 m, và nghiêng một góc $30°$ so với mặt phẳng ngang. Lực ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng có độ lớn bằng một phần tư trọng lượng của vật. Lấy $g=10m/s^2.$ Vận tốc của vật ở chân mặt phẳng nghiêng có độ lớn là

A. 4.5 m/s.

B. 5 m/s.

C. 3,25 m/s.

D. 4 m/s.

Lời giải:

Áp định lí biến thiên động năng cho 2 vị trí vật bắt đầu chuyển động và khi vật dừng lại, ta có:

$\frac{1}{2}m{v}^2-0=-A_{ms}+A_p$

$\iff \frac{1}{2}m{v}^2-0=-F_{ms}.s+A_p.s$

$=-\frac{1}{4}mg.s+mg.s.\cos {60}^o\iff \frac{1}{2}m{v}^2=\frac{1}{4}mgs$

$\iff v=\sqrt{\frac{1}{2}.gs}=5\frac{m}{s}$

Xem thêm các bài viết để học tốt môn Vật Lí sách mới hay, chi tiết khác:

• Chuyển động nhanh dần đều là gì? Công thức tính chuyển động nhanh dần đều

• Vật nhiễm điện là gì? Công thức tính vật nhiễm điện

• Con lắc lò xo là gì? Công thức tính con lắc lò xo

• Công cơ học là gì? Công thức tính công cơ học

• Công là gì? Công thức tính công

• Công suất điện là gì? Công thức tính công suất điện

---