Cơ năng là gì? Các loại và công thức tính

Chúng ta nghe nhắc nhiều đến cơ năng trong học vật lý, thí nghiệm, kỹ thuật hay trong tính toán công trình, máy móc… nhưng có ai nắm rõ về cơ năng hay không? Những kiến thức về công thức tính, các loại cơ năng vẫn còn khá mới mẻ với nhiều người. Vậy các bạn hãy cùng Thủy Khí Điện làm quen qua bài viết này nhé.

cơ năng

Tìm hiểu cơ năng

Khái niệm

Cơ năng được dùng nhiều trong lĩnh vực vật lý, kỹ thuật. Cơ năng của 1 vật sẽ cho biết khả năng sinh công của lực. Vật có cơ năng chính là vật có khả năng thực hiện được công cơ học.

Khi vật có khả năng thực hiện công cơ học lớn thì cơ năng của vật sẽ càng lớn.

Chúng ta hiểu đơn giản hơn là cơ năng chính là 1 dạng năng lượng kết hợp của chuyển động, vị trí của vật.

Có 1 vật được đặt đứng yên ở 1 độ cao h xác định so với mặt đất. Mặt đất không thực hiện công nhưng vật vẫn có khả năng thực hiện công khi con người lăn, thả, ném. Lúc này thì vật đó vẫn có cơ năng.

cơ năng là gì

Ký hiệu

Cơ năng để có thể sử dụng trong bảng vẽ, tính toán con người thì nó được ký hiệu là W cho ngắn gọn. Sử dụng ký hiệu này trong các công thức tính toán thì nó dễ hiểu và dễ dàng hơn.

Nó cũng tương tự như những đơn vị khác trong vật lý như cường độ dòng điện I, hiệu điện thế U hay là điện trở R.

Đơn vị

Cơ năng là 1 dạng năng lượng mà thông qua đó thì con người biết được khả năng sinh công của vật. Đơn vị được sử dụng đó là Jun viết tắt là J. Và Jun nằm trong hệ đo lường quốc tế SI.

Các loại cơ năng

Cơ năng sẽ phân chia thành thế năng và động năng.

Thế năng

Thế năng có 2 loại là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi.

Thế năng trọng trường

Thế năng có đặt điểm là nó càng lớn khi vật ở vị trí càng cao so với mặt đất. Hay chúng ta nói cách khác là thế năng của vật sẽ phụ thuộc vào chính độ cao của vật so với mặt đất.

Thế năng trọng trường là thế năng được xác định bởi độ cao của vật so với mặt đất. Vật có khối lượng càng lớn, ở vị trí càng cao thì thế năng trọng trường sẽ càng lớn.

Khi vật đang nằm yên trên mặt đất thì thế năng trọng trường sẽ bằng 0.

thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường còn được gọi với 1 cái tên khác là thế năng hấp dẫn. Thế năng trọng trường phụ thuộc nhiều vào mốc tính độ cao. Tùy công việc mà con người sẽ chọn mốc tính độ cao khác nhau. Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào khối lượng của vật.

Thế năng đàn hồi

Cơ năng của vật sinh ra phụ thuộc vào độ biến dạng của vật thì nó được gọi là thế năng đàn hồi. Thế năng đàn hồi sẽ phụ thuộc độ biến dạng của vật. Vì thế để nhận biết 1 vật có thể năng đàn hồi hay không thì xem nó có bị biến dạng hay có tính đàn hồi không.

Chúng ta có thể lấy ví dụ là lò xo. Khi lò xo bị nén lại thì sinh ra cơ năng. Cơ năng này phụ thuộc vào độ nén của lò xo nên lò xo có thế năng. Hoặc khi ta kéo dây cung thì ta đã cung cấp cho cây cung 1 thế năng đàn hồi.

thế năng đàn hồi

Động năng

Một vật muốn có động năng thì nó phải có cơ năng. Vật đó sinh công được là do chuyển động mà có.

Vật có khối lượng càng lớn, chuyển động càng nhanh thì động năng sẽ càng lớn.

Ví dụ như 1 quả bi đặt trên máng nghiêng giữ nó ở vị trí trên cao. Dưới đặt 1 miếng gỗ ở chân máng nghiên, ta thả tay cho bi lăn từ cao xuống thấp theo đường thẳng. Bi khi lăn chạm miếng gỗ làm miếng gỗ di chuyển. Bi đã sinh công hay nói cách khác là bi có cơ năng.

Khối lượng của vật khi vận tốc không đổi nếu khối lượng vật tăng thì động năng tăng. Khi khối lượng vật không đổi, nếu vận tốc tăng thì động năng tăng và nó tỷ lệ bình phương với vận tốc.

động năng

Công thức tính cơ năng

Cơ năng chịu tác dụng của trọng lực

Trong trường hợp này thì công thức tính cơ năng được biểu diễn bằng tổng của hai thành phần là cơ năng động và cơ năng tiềm năng. Công thức tính sẽ là:

W = Wđ + Wt

Trong đó:

+ Wđ là cơ năng động (kinetic energy).

+ Wt là cơ năng tiềm năng (potential energy).

Cơ năng động (Wđ) được tính bằng công thức:

Wđ = 1/2 mv^2

Theo công thức này thì ta có:

+ m là khối lượng của vật.

+ v là vận tốc của vật.

Cơ năng đó chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi

Nếu cơ năng chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi thì cơ năng tính bằng tổng của phần cơ năng động và cơ năng tiềm năng. Công thức tính như sau:

W = Wđ + Wt

Trong đó ta có:

+ Wđ là cơ năng động.

+ Wt là cơ năng tiềm năng.

Cơ năng động (Wđ) thì sẽ áp dụng công thức:

Wđ = 1/2 mv^2

Trong công thức này, ta có:

+ v là vận tốc của vật

+ m là khối lượng của vật

Cơ năng tiềm năng (Wt) thì sẽ tính bằng công thức:

Wt = mgz

Trong công thức này có:

+ m là khối lượng của vật.

+ g là gia tốc trọng trường.

+ z là chiều cao của vật so với một điểm tham chiếu.

Sự bảo toàn cơ năng của vật chuyển động

Khi có 1 vật chuyển động trong trọng trường, cơ năng sẽ gồm thế năng và động năng của vật đó. Trọng trường chính là không gian mà trong đó chứa các vật chịu sức hút của trái đất. Lực hút là trọng lực. Trọng trường là trường hấp dẫn xung quanh trái đất của chúng ta:

W = Wđ + Wt = 1/2mv^2 + mgz

Trong công thức này, chúng ta có:

W là cơ năng của vật.

Wt thế năng của vật.

Wđ là đồng năng của vật.

m là khối lượng của vật.

g là gia tốc trọng trường.

v là vận tốc của vật.

z là độ cao của vật so với một điểm tham chiếu. Chúng ta thường lấy mặt đất.

Lúc vật chuyển động trong trọng trường, chỉ chịu tác động trọng lực, không có sự xuất hiện của lực cản, lực ma sát thì cơ năng của vật được bảo toàn. Tổng cơ năng không thay đổi theo thời gian.

W = Wđ + Wt = const

Hay là công thức:

1/2mv^2 + mgz = const

Nếu động năng giảm thì thế năng tăng, thế năng giảm thì động năng tăng. Khi vật có vận tốc giảm thì thế năng tăng lên và năng lượng chuyển từ động năng thành thế năng. Khi vận tốc tăng thì thế năng giảm, năng lượng chuyển từ thế năng thành động năng.

Ở 1 vị trí, động năng đạt cực đại thì thế năng đạt cực tiểu hoặc ngược lại. Chúng ta có thể hiểu là khi vận tốc đạt cực đại thì thế năng của vật đạt giá trị cực tiểu và ngược lại là vận tốc cực tiểu thì thế năng cực đại.

Bảo toàn cơ năng trong trọng trường là 1 đặc điểm quan trọng của 1 hệ thống vật chuyển động trong 1 môi trường trọng trường. Chúng ta được phép hiểu và mô tả quá trình vật lý liên quan đến chuyển động, sự biến đổi của cơ năng trong chính môi trường này.

Các ví dụ cơ bản của cơ năng

Ba ví dụ cơ bản của cơ năng dễ hiểu cho các bạn như sau:

Đầu tiên là nhà máy thủy điện. Đây là 1 ví dụ cụ thể về thế năng, nước từ sông suối được lưu trữ tại hồ nhân tạo để sản xuất điện. Nó sử dụng thế năng hấp dẫn để tạo động năng. Hồ nhân tạo được xây dựng cao nhất vì cột nước càng cao thì thế năng của nước càng lớn. Khi nước chảy xuống, thế năng biến thành động năng làm tuabin chạy. Vòng quay tuabin chuyển động thì điện năng được hình thành. Động năng của nước đã thành điện năng. Ở đập càng lớn, càng cao thì năng lượng điện tạo ra càng nhiều.

nhà máy thủy điện

 

Thứ 2 là ném bóng bowling khi thế năng của quả bóng phụ thuộc vào tốc độ mà bạn làm cho nó lăn về các bi gỗ. Năng lượng của bi làm đỗ các bi gỗ khi quả bóng chạm vào là động năng. Do tổng năng lượng hệ sẽ luôn bằng nhau nên khi quả bóng mất 1 phần động năng thì nó di chuyển về phía trước tốc độ chậm hơn.

ném bóng bowling

Thứ 3 là thế năng hấp dẫn. Khi 1 vật ở vị trí cao hơn so với mặt đất, nó sẽ tồn tại thế năng hấp dẫn cao. Vật càng cao thì tốc độ rơi xuống càng nhanh. Khi ta ném 1 đồng xu thì năng lượng của đồng xu tại vị tri và chuyển động là cơ năng.

Cuối cùng là khi di chuyển vật thể. Những vật thể như thuyền, xe, máy bay hay con chim trên trời đều có động năng nhất định. Vật thể chuyển động càng nặng, tốc độ càng nhanh thì động năng có được càng lớn. Viên đạn được bắn ra từ 1 khẩu súng hay máy bay giữ ở độ cao 1000m đều cần động năng.

Một số câu hỏi về cơ năng

Năng lượng cơ học ở xung quanh chúng ta, nó sẽ có ứng dụng và quy trình khác nhau. Năng lượng cơ học có thể xuất hiện trong bất kỳ thứ gì, từ ô tô đang đi hay 1 quả bóng đá đang lăn trên sân.

Một chiếc ô tô đang di chuyển cùng với 1 chiếc xe máy thì cả 2 đều có chuyển động cơ học do chuyển động mà cả 2 chiếc xe sở hữu. Năng lượng cơ học chuyển động thì sẽ được gọi là động năng.

Năng lượng cơ học có 1 dạng khác như năng lượng chuyển động, người ta gọi là thế năng hay năng lượng dự trữ. Chúng ta có thể ví dụ về năng lượng mech khi được sử dụng và chuyển đổi là:

  • Máy phát điện sẽ biến đổi cơ năng thành năng lượng điện và nó hoàn toàn trái ngược với động cơ điện.
  • Động cơ điện sẽ biến đổi điện năng thành cơ năng. Động cơ này dùng rất nhiều trong môi trường kỹ thuật.
  • Động cơ hơi nước sẽ dùng nhiệt năng của hơi nước để tạo nên năng lượng mech.
  • Những nhà máy thủy điện vận hành theo nguyên tắc tích trữ nước trong 1 con đập để tạo ra năng lượng điện. Khi nước được chảy qua thì nó dùng năng lượng mech ở đây là dòng nước quay để quay tuabin tạo ra năng lượng điện.
  • Động cơ hơi nước thì sẽ sử dụng nhiệt năng của hơi nước để tạo nên cơ năng.

Trong tự nhiên có cơ năng không? Câu trả lời là có. Chúng ta có thể tìm kiếm năng lượng cơ học trong tự nhiên, ví dụ như:

  • Sông suối chảy
  • Thủy triều, sóng biển
  • Khí nóng có trong điều áp
  • Gió

Và ngày nay, con người đã và đang tập trung nghiên cứu sao cho có thể khai thác tốt nhất nguồn năng lượng cơ học này để giảm thiểu sử dụng than, khí đốt… tránh gây ô nhiễm môi trường.

Sản xuất cơ năng là 1 cụm từ mà chúng ta có thể đọc được trên 1 số tạp chí khoa học công nghiệp. Nó được bắt đầu từ khái niệm cơ bản là toàn bộ cơ năng thì sẽ bằng cho tổng của thế năng và động năng. Khi bạn cần sản xuất cơ năng để có thể di chuyển xe, động cơ của xe lúc này sẽ chuyển hóa năng lượng hóa học trong khí gas thành động năng để có thể di chuyển động cơ.

Một chiếc xe điện sẽ chuyển hóa nguồn điện năng thành cơ năng. Lúc này thì thế năng tăng và động năng giảm nhưng cơ năng sẽ luôn được bảo toàn.

5/5 (1 bình chọn)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *