Thế năng là gì

Thế năng là một đại lượng khá quen thuộc trong vật lý, chúng có tên gọi tiếng anh là potential energy. Đây là một dạng năng lượng tiềm tàng được giữ bởi một vật do vị trí của nó so với vật thể khác, lực nén bên trong chính bản thân vật, điện tích hoặc một số các yếu tố khác.

Bài viết dưới đây sẽ tổng hợp các kiến thức bổ ích liên quan đến thế năng. Mời bạn đọc cùng theo dõi.

Khái niệm thế năng là gì

Thế năng là một thuật ngữ được sử dụng lần đầu tiên bởi một nhà kỹ sư Scotland và nhà vật lý William Rankine trong suốt thế kỷ XIX. Sau đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu, khai thác và phát triển rộng hơn về khái niệm thế năng cũng những những kiến thức vật lý xoay xung quanh nó.

Thế năng là một dạng năng lượng, cho biết khả năng sinh công của vật thể trong một điều kiện nhất định. Đơn vị được sử dụng để đo thế năng là Jun (J). Ngoài ra, thế năng được xác định bởi tính tương đối giữa vị trí của vật đó so với vật khác, lực nén, điện tích hoặc do các yếu tố khác.

Về cơ bản, thế năng được chia thành ba dạng chính bao gồm thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và thế năng tĩnh điện.

Ví dụ về thế năng : khi chúng ta nén hoặc kéo giãn lò xo, năng lượng tiềm tàng sẽ được giữ trong lò xo. Và khi thả lò xo ra, thế năng đàn hồi sẽ chuyển hóa thành động năng và cho phép lò xo trở về kích thước, hình dáng ban đầu.

Thế năng trọng trường

Thế nào là trọng trường

Mọi vật thể nằm trong bầu khí quyển của Trái đất thì đều phải chịu sự tác dụng của lực hấp dẫn hay còn được gọi là trọng trường. Lực này cho chúng ta biết được gia tốc rơi của vật khi nó được thả tự do. Hơn nữa, lực này có tâm hướng về Trái đất hay nói cách khác là vuông góc với tiếp diện đất.

Và để có tính được giá trị trọng lực của một vật có khối lượng m, ta áp dụng công thức sau: P = m . g

Trong đó:

• g: gia tốc rơi tự dọ của vật hay còn được gọi là gia tốc trọng trường.
• m: khối lượng của vật thể.

Định nghĩa thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường hay còn được gọi là thế năng hấp dẫn. Đây là một dạng năng lượng tương tác giữa một vật thể và Trái đất. Đại lượng này sẽ phụ thuộc vào độ cao từ vị trí của vật trong trọng trường đến mặt đất hoặc vị trí khác mà được chọn làm mốc để tính toán độ cao. Đặc điểm của thế năng trọng trường là một đại lượng vô hướng, có thể mang giá trị âm hoặc dương.

Một số ví dụ về thế năng trọng trường: quả bóng đặt trên đồi, máy bay bay ở độ cao lớn,…

Công thức tính thế năng trọng trường

Công thức tính thế năng trọng trường được  biểu diễn như sau: Wt = m.g.h

Trong đó:

• Wt: biểu diễn thế năng trọng trường của vật tại độ cao h. Đơn vị đo thế năng trọng trường là Jun (J).
• m: thể hiện khối lượng của vật. Đơn vị đo là kilogram ( kg).
• h: chính là độ cao của vật so với mặt đất. Đơn vị đo là mét (m).
• g: gia tốc của vật đó.

Ví dụ: một vật có khối lượng là 5 kg. Chúng được nâng lên với độ cao là 10m so với mặt đất. Hãy tính thế năng trọng trường của vật so với mặt đất ( lấy g = 9.81 m/s2).

Để có thể tính được thế năng trọng trường của vật so với mặt đất, chúng ta cần phải áp dụng công thức trên. Theo đó:

Wt = 5. 9,81 . 10 = 490. 5 (J).

Liên hệ giữa biến thiến thế năng và công của trọng lực

Sự biến thiên thế năng và công của trọng lực được sinh ra khi một vật di chuyển từ vị trí A đến B. Khi đó, công của trọng lực sẽ được tính bằng hiệu thế năng trọng trường của vật tại 2 vị trí. Công thức này được biểu diễn như sau:

W (AB) = Wt ( A) – Wt (B)

Trong đó:

• W: thể hiện công của trọng lực của vật thể.
• Wt (A): thế năng trọng trường của vật tại vị trí A.
• Wt (B): là thế năng trọng trường của vật tại vị trí B.

Ngoài ra, trong quá trình chuyển động của vật trong trọng trường:

• Khi độ cao của vật so với vị trí cột mốc giảm, thế năng của vật cũng giảm thì chắc chắn trọng lực sẽ sinh công dương.
• Khi độ cao của vật so với vị trí cột mốc tăng, thế năng của vật cũng tăng thì trọng lực sinh công âm.

Thế năng đàn hồi

Khi vật bị biến dạng và có khả năng sinh công thì chúng sẽ tạo ra một dạng năng lượng được gọi là thế năng đàn hồi. Hay nói cách khác thế năng đàn hồi được sinh ra khi vật thế chịu sự tác động từ lực đàn hồi. Tất cả những hiện tượng như lò xo bị nén, dây cung mũi tên được căng lên, hay lon nước bị bóp méo,…đều có khả năng tạo ra thế năng đàn hồi.

Bên cạnh đó, độ lớn của thế năng đàn hồi sẽ tỷ lệ với độ biến dạng của vật. Cụ thể, khi độ biến dạng này càng tăng lên thì thế năng đàn hồi càng lớn.

Công thức tính thế năng đàn hồi

Thế năng đàn hồi được tính dựa trên công thức: Wđh = 1/2. k. x²

Trong đó:

• Wđh: là thế năng đàn hồi của vật. Đơn vị đo là J ( Jun).
• k: độ cứng của vật. Đơn vị đo là N/m.
• x: thể hiện đô biến dạng của vật so với trạng thái cân bằng. Đơn vị đo là mét (m).

Qua công thức trên, chúng ta thấy rằng thế năng đàn hồi phụ thuộc vào 2 yếu tố chính. Đó là:

• Độ cứng của vật: khi độ cứng của vật càng lớn thì thế năng đàn hồi càng lớn.
• Độ biến dạng của vật: độ biến dạng của vật tăng thì thế năng đàn hồi cũng tăng.

Thế năng tĩnh điện

Thế năng tĩnh điện được hiểu là năng lượng cần thiết để di chuyển một điện tích chống lại sự tác dụng của điện trường. Công thức để tính thế năng tĩnh điện được biểu diễn như sau: φ = q .V

Trong đó:

• q: là điện thế. Đơn vị đo là C.
• V: là giá trị điện tích của vật đang xét. Đơn vị là V.

Ứng dụng của thế năng

Thế năng là một đại lượng vật lý đóng vai trò quan trọng trong thực tế đời sống của chúng ta, từ các hoạt động dân dụng cho đến quy trình sản xuất phức tạp. Và để giúp bạn đọc có cái nhìn toàn diện hơn về thế năng, thì tiếp theo đây chúng tôi xin đưa ra các ứng dụng cụ thể như sau:

Ứng dụng của thế năng trọng trường

• Ngành năng lượng thủy điện: các nhà máy thủy điện sử dụng thế năng hấp dẫn của nước tích trữ trong các hồ chứa để tạo ra năng lượng điện. Và khi nước được xả từ trên cao xuống, thế năng trọng trường của chúng sẽ được chuyển hóa thành động năng, từ đó làm xoay cánh quạt tua bin và sản xuất ra điện.
• Ngành năng lượng gió: sử dụng thế năng trọng trường của gió để tạo ra năng lượng điện.
• Ngành khoa học vũ trụ: thế năng trọng trường có vai trò quan trọng trong việc góp phần hình thành nên các thiên thể.
• Hệ thống trò chơi cảm giác mạnh: ví dụ như đu quay. Khi đu quay được di chuyển lên cao, thế năng trọng trường lớn. Nhưng khi được thả xuống, thì thế năng này sẽ chuyển hóa thành động năng, giúp tạo cảm giác mạnh cho người chơi.

Ứng dụng của thế năng đàn hồi

• Lĩnh vực thể thao: chúng được áp dụng trong một số bộ môn thể thao như bắn cung, cầu lông,…Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong các thiết bị, dụng cụ tập gym. Qua đó, giúp tăng cường thể lực và hiệu suất của người sử dụng.
• Ngành sản xuất, chế tạo trang thiết bị máy móc: sử dụng trong các hệ thống giảm chấn. Điều này giúp đảm bảo các quy trình sản xuất được diễn ra hiệu quả và năng suất.
• Lĩnh vực giao thông vận tải: chúng được sử dụng trong các loại xăm của những phương tiện tham gia giao thông như ô tô, xe đạp, xe máy,…
• Ngành van công nghiệp: một ví dụ điển hình đó là van bướm điều khiển khí nén tác động đơn. Dựa vào lực đàn hồi của lò xo mà van bướm mới có thể thực hiện đóng mở một cách hiệu quả , chính xác, đáp ứng được yêu cầu sử dụng của hệ thống.

Bài viết trên, chúng tôi đã chia sẽ những kiến thức quan trọng liên quan đến thế năng. Nếu như quý khách có bất kỳ thắc mắc hay đóng góp, bổ sung ý kiến thì vui lòng liên hệ trực tiếp với chúng tôi. Xin trân thành cảm ơn!