Cơ năng

Cơ năng là khái niệm quan trọng trong vật lý, thể hiện khả năng thực hiện công cơ học của một vật. Chúng không chỉ đơn thuần là một khái niệm lý thuyết mà còn gắn liền với thực tiễn cuộc sống của chúng ta, được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực, công nghệ khác nhau.

Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu sâu hơn về cơ năng, cách tính cơ năng cũng như những ứng dụng thực tiễn và ý nghĩa của cơ năng trong cuộc sống. Mời quý bạn đọc cùng tham khảo.

Cơ năng là gì

Cơ năng được định nghĩa là khả năng hoạt động cũng như sinh công của một vật thể. Do đó, khi khả năng sinh công của vật càng cao thì cơ năng của chúng cũng càng lớn. Theo hệ đo lường quốc tế SI, đơn vị được dùng để tính cơ năng là Jun (J).

Trong vật lý, cơ năng được chia thành hai dạng chính là cơ năng tiềm năng và cơ năng động.

• Cơ năng tiềm năng là một đại lượng có liên quan đến vị trí hoặc độ cao của vật thể.
• Cơ năng động là đại lượng cho biết khả năng chuyển động của một vật thể.

Ví dụ về cơ năng:

• Khi nước chứa trong các đập, thế năng của nước được sinh ra do độ cao của chúng so với mặt đất. Và khi lượng nước này được xả ra, thế năng sẽ chuyển đổi thành động năng, giúp phục vụ quá trình sản xuất điện.
• Khi xe đang di chuyển từ chân một con dốc, động năng sẽ được sinh ra. Và nếu xe dừng lại tại vị trí trên đỉnh dốc, thì sẽ tạo ra thế năng.
• Khi một quả bóng được đặt trên đỉnh đổi thì sẽ tạo ra thế năng do độ cao của nó so với vị trí mặt đất. Và khi thả trôi bóng lăn từ trên đồi xuống, thế năng sẽ được chuyển hóa thành động năng.
• Đối với trò chơi bowling, khi  chúng ta cầm quả bóng lên, thế năng sẽ được tạo ra do độ cao của bóng so với mặt đất. Và khi chúng ta ném nó xuống đường bowling thì thế năng sẽ chuyển đổi thành động năng. Lúc này, quả bóng sẽ thực hiện công lên các chai gỗ và làm đổ chúng.

Công thức tính cơ năng

Ta có, cơ năng bằng tổng động năng và thế năng của vật. Định nghĩa này được biểu diễn dưới dạng công thức sau: W = Wđ + Wt = 1/2 .m. v² + m. g. h

Trong đó:

• W: thể hiện cơ năng của vật ( đơn vị: J).
• Wđ: là động năng của vật thể ( đơn vị: J).
• Wt: biểu diễn thế năng của vật thể ( đơn vị: J).

Cơ năng của vật thể chuyển động trong trọng trường

Khi một vật chuyển động trong trọng trường thì giá trị cơ năng của vật sẽ chính bằng tổng giá trị giữa động năng và thế năng của vật đó. Ngoài ra, theo định luật bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường, nếu một vật chỉ chuyển động dựa vào sự tác dụng của trọng lực mà bỏ qua lực cản, lực ma sát,…thì cơ năng của chúng sẽ không hề bị thay đổi. Hay nói cách khác là cơ năng của vật thể được bảo toàn.

Khi đó: W = Wđ + Wt = 1/2 m. v² + m. g. h = const.

Ta có:

• Gốc thế năng của vật chuyển động trong trọng trường thường được xác định là vị trí mặt đất.
• Đối với những vật thể chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì cơ năng của chúng được bảo toàn. Khi đó, W1 = W2 => ΔW =  W2 – W1 = 0.

Hệ quả: 

Trong quá trình chuyển động của vật trong trọng trường:

• Nếu động năng của vật giảm thì thế năng sẽ tăng, và ngược lại nếu động năng của vật tăng thì thế năng sẽ giảm. Hay nói cách khác khi tốc độ của vật giảm thì thế năng tăng lên, tức là năng lượng đã được chuyển hóa từ động năng thành thế năng. Trái lại, khi tốc độ tăng lên, thế năng giảm có nghĩa là năng lượng đã được chuyển hóa từ thế năng thành động năng.
• Tại vị trí động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại khi giá trị động năng đạt giá trị cực tiểu thì thế năng mang giá trị cực đại.

Cơ năng của vật chịu sự tác dụng của lực đàn hồi

Trong quá trình chuyển động, nếu một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi do sự biến dạng của lò xo thì cơ năng của chúng sẽ được xác định bằng tổng của động lượng và động năng. Khi đó,  thế năng đàn hồi của vật là một đại lượng được bảo toàn.

Ta có: W =  Wđ + Wt = 1/2. m. v² + 1/2 . k. (Δl)^2= const.

Trong đó:

• Gốc thế năng của vật được chọn chính là tại vị trí cân bằng của lò xo.
• Đối với những vật thể khi chỉ chịu sự tác dụng của lực đàn hồi thì cơ năng của chúng được bảo toàn. Lúc này W1 = W2  => ΔW = W2 = W1 = 0.

Các dạng cơ năng

Theo như vừa tìm hiểu ở trên thì cơ năng được tính bằng tổng của động năng và thế năng. Do đó, cơ năng sẽ được chia thành hai dạng chính là động năng và thế năng.

Tìm hiểu về thế năng

Thế năng là dạng năng lượng tiềm ẩn được sở hữu bởi một vật thể. Năng lượng này được sinh ra do vị trí giữa nó và vật thể khác hoặc do trạng thái của vật như lực nén, điện tích,…Bên cạnh đó, độ lớn thế năng của vật sẽ phụ thuộc vào khối lượng và độ cao so với vị trí chọn làm mốc. Điều này đồng nghĩa với việc khi vật nằm trên mặt đất thì thế năng của chúng có giá trị bằng 0.

Về cơ bản thì thế năng được chia thành 2 dạng, đó là thế năng trọng trường hay còn gọi là thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi.

• Thế năng hấp dẫn: là dạng năng lượng được giữ bởi một vật do vị trí của nó trong trọng trường so với mặt đất hoặc ví trí khác được chọn làm mốc để tính toán độ cao. Ngoài ra, thì đây còn là một đại lượng vô hướng, có thể mang giá trị âm hoặc dương. Giá trị thế năng trọng trường của vật sẽ phụ thuộc vào khối lượng, độ cao của vật so với vị trí mốc đã chọn và gia tốc trọng trường. Cụ thể, chúng được biểu diễn dưới dạng công thức Wt = m. g. h. Ví dụ về thế năng trọng trường như quả bóng đặt trên đồi, con diều bay trên trời, máy bay đang bay trên cao,…
• Thế năng đàn hồi: là dạng năng lượng có trong vật đàn hồi khi chúng bị biến dạng. Đại lượng này sẽ phụ thuộc vào độ cứng và độ biến dạng của lò xo. Thế năng đàn hồi được tính toán dựa trên công thức Wt = 1/2. k. x². Một số ví dụ về thế năng đàn hồi như lò xo bị nén, kéo dãn hoặc lon nước bị bóp méo, căng dây cung,…

Tìm hiểu về động năng

Động năng là một dạng năng lượng được sinh ra do khả năng chuyển động của vật. Ngoài ra, động năng cũng có thể hiểu là công cần thực hiện để một vật đang từ trạng thái nghỉ tăng tốc đến giá trị vận tốc đạt được ở thời điểm hiện tại của nó. Và khi đã đạt được phần năng lượng này, vật sẽ tiếp tục duy trì, không thay đổi động năng ( trừ trường hợp tốc độ của vật thể có sự thay đổi). Ngoài ra, khi vật đứng yên, không chuyển động thì giá trị động năng của vật sẽ bằng 0.

Động năng của vật thể sẽ phụ thuộc vào khối lượng và vận tốc, chúng được biểu diễn bằng công thức sau: Wđ = 1/2. m. v²

Trong đó:

• Wđ: động năng của vật. Đơn vị đo là J.
• m: thể hiện khối lượng của vật thể. Đơn vị đo là kilogram (kg).
• v: là vận tốc di chuyển của vật.

Qua công thức trên, chúng ta thấy rằng:

• Nếu khối lượng của vật không có sự thay đổi thì động năng sẽ có giá trị tỷ lệ thuận với vận tốc. Khi vận tốc của vật càng tăng thì động năng sẽ càng lớn và ngược lại khi vận tốc giảm, động năng cũng sẽ giảm.
• Bỏ qua yếu tố vận tốc, khi vật có khối lượng càng nặng thì động năng càng lớn và ngược lại khi vật có khối lượng nhẹ thì giá trị động năng cũng sẽ giảm.

Tóm lại khi vật có khối lượng càng nặng và vận tốc chuyển động càng nhanh thì giá trị động năng càng lớn.

Sự chuyển hóa giữa thế năng và động năng

• Thế năng và động năng của vật đều có thể chuyển hóa qua lại với nhau. Khi động năng chuyển hóa thành thế năng thì chúng sẽ làm sinh ra công cản. Ngược lại, khi thế năng chuyển hóa thành động năng thì chúng sẽ sinh công phát động.
• Một số ví dụ về sự chuyển hóa giữa thế năng và động năng: nước ở trên đỉnh thác có thế năng tương đối lớn nhưng khi rơi từ phía trên xuống, chúng sẽ chuyển thành động năng và tạo ra dòng chảy mạnh mẽ. Hoặc một ví dụ khác khi chúng ta đá cầu từ mặt đất lên vị trí cao hơn thì lúc này động năng giảm dần và chuyển thành thế năng.

Định luật bảo toàn cơ năng

Động năng và thế năng là hai dạng năng lượng cơ học có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau. Tức là động năng của vật có thể chuyển thành thế năng hoặc thế năng chuyển hóa thành động năng. Tuy nhiên, tổng cơ năng của vật vẫn không hề bị thay đổi theo thời gian nếu không có bất kỳ tác động ngoại lực nào.

Hay nói cách khác, định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng và được áp dụng khi vật chịu tác dụng của lực đàn hồi và trọng lực mà không phải chịu thêm bất kỳ lực tác động nào khác bên ngoài nữa. Bởi các lực không bảo toàn như lực ma sát, lực cản của môi trường,…có thể làm giảm cơ năng của vật thể và chuyển hóa một phần năng lượng thành nhiệt năng hoặc một số các dạng năng lượng khác.

Hệ quả:

• Nếu động năng của vật thể có dấu hiệu giảm thì thế năng sẽ tăng lên và ngược lại.
• Khi động năng của vật đạt giá trị cực đại thì thế năng đạt cực tiểu và ngược lại.

Ý nghĩa và ứng dụng của cơ năng

Ý nghĩa của cơ năng trong thực tiễn cuộc sống

Cơ năng là một dạng năng lượng xuất hiện xung quanh cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh đó, cơ năng hỗ trợ quá trình di chuyển của vật thể được diễn ra dễ dàng, thuận tiện, đồng thời giúp chúng ta đạt được những mục đích mà không thể làm được khi chỉ dựa vào sức lực của con người.

Ứng dụng của cơ năng

Dưới đây là các ứng dụng tiêu biểu của cơ năng:

• Lĩnh vực thể thao: cơ năng là thành phần quan trọng trong các bộ môn thể thao như bơi lội, điền kinh, nhảy xa,…
• Lĩnh vực y tế: sử dụng trong các thiết bị máy móc phục hồi chức năng. Điều này giúp cải thiện và nâng cao khả năng chuyển động của bệnh nhân.
• Ngành kỹ thuật, máy móc: sử dụng cơ năng trong quá trình sản xuất và vận hành các thiết bị máy móc.
• Ngành năng lượng tái tạo: nước chảy từ độ cao tạo ra thế năng, sau đó được chuyển đổi thành động năng làm xoay cánh quạt tua bin để sản sinh ra điện.
• Lĩnh vực giao thông vận tải: cơ năng được ứng dụng trong các phương tiện giao thông như xe đạp, xe máy, ô tô, xe buýt, tàu thủy,…
• Thiết bị giải trí: xe ô tô điều khiển từ xa, hay các trò chơi như bowling, đánh golf,…
• Ngành van công nghiệp: cơ năng được tạo ra trong quá trình người sử dụng vận hành điều khiển hoạt động của các thiết bị như van bướm tay gạt, van bướm tay quay, van bi tay gạt, van cổng tay quay,…

Một số câu hỏi liên quan đến cơ năng

Thế nào là sản xuất cơ năng

Là quá trình sản xuất và cung cấp cơ năng cần thiết cho các thiết bị, hệ thống công nghệ. Từ đó, giúp đáp ứng được các nhu cầu, mục đích sử dụng năng lượng của con người và các ngành công nghiệp, kỹ thuật. Một số thành phẩm của sản xuất cơ năng như động cơ máy móc, hệ thống điện, thiết bị truyền động,…Ngoài ra, để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ hiện đại, bền vững, những sản phẩm này đã ngày càng được cải thiện nhằm mục đích cung cấp năng lượng sạch, hiệu quả cho người tiêu dùng.

Các ví dụ về sản xuất cơ năng:

• Để một chiếc xe có thể di chuyển, chúng ta cần thực hiện sản xuất cơ năng. Lúc này động cơ của xe sẽ sử dụng năng lượng hóa học trong khí gas để chuyển hóa thành động năng, khiến cho xe có thể di chuyển một cách dễ dàng.
• Động cơ của một chiếc xe điện sẽ chuyển hóa điện năng thành cơ năng. Từ đó, giúp chiếc xe có thể chuyển động bình thường.

Khi nào thì cơ năng bằng thế năng

Như chúng ta đã biết thì cơ năng bằng tổng động năng và thế năng. Vậy nên, cơ năng bằng thế năng khi vật đó không có động năng mà chỉ tồn tại thế năng. Hay nói cách khác, khi động năng của vật bằng 0 thì thế năng bằng cơ năng.

Tại sao cơ năng không được bảo toàn

Cơ năng sẽ không được bảo toàn nếu hệ thống đó không hoàn toàn khép kín. Bởi những hệ thống như vậy sẽ dễ dàng chịu lực tác động từ bên ngoài. Điều này dẫn đến làm tăng hoặc giảm năng lượng cơ học của hệ thống. Ngoài ra, những lực này còn làm tổn hại đến tính bảo toàn của các hệ thống. Không chỉ có vậy, trong một số môi trường tiêu tán, chúng có thể gây nên sự cản trở bảo toàn cơ năng.

Chuyển hóa cơ năng là gì

Chuyển hóa cơ năng được hiểu là quá trình chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó, năng lượng được tồn tại dưới rất nhiều hình thức khác nhau như cơ học, điện, hóa học, ánh sáng,…Việc chuyển hóa cơ năng giúp tạo ra các năng lượng cần thiết để phục vụ nhu cầu và mục đích sử dụng của con người.

Ngoài ra, trong các hoạt động công nghiệp, việc chuyển hóa cơ năng còn đóng vai trò quan trọng trong các quy trình vận hành và sản xuất. Ví dụ trong các nhà máy điện, nguồn năng lượng nhiệt năng từ các hoạt động đốt than đá, dầu sẽ được chuyển đổi thành dạng điện năng. Hay trong các nhà máy sản xuất, năng lượng điện năng được chuyển đổi thành dạng cơ học để điều khiển, vận hành các dây truyền sản xuất.

Tóm lại, việc chuyển hóa cơ năng có ý nghĩa, vai trò quan trọng trong thực tiễn cuộc sống cũng như các hoạt động sản xuất công nghiệp. Chúng giúp phục vụ nhu cầu sử dụng của con người, đồng thời đem lại hiệu quả cao trong các ứng dụng.

Tổng kết

Qua bài viết trên, chúng ta có thế thấy rằng cơ năng là một khái niệm quan trọng trong vật lý, thể hiện được mối quan hệ kết hợp giữa động năng và thế năng. Bên cạnh đó, việc lý giải được sự chuyển hóa và bảo toàn cơ năng không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các hiện tượng trong tự nhiên mà còn là yếu tố cốt lõi trong rất nhiều các ứng dụng thực tiễn, từ dân dụng cho đến công nghiệp sản xuất.

Hy vọng với những kiến thức mà chúng tôi vừa chia sẻ có thể giúp bạn đọc áp dụng chúng vào thực tiễn một cách hiệu quả. Qua đó, cải thiện và tối ưu hóa hiệu suất làm việc của các hệ thống ứng dụng.

Xin cảm ơn quý bạn đọc đã dành thời gian quan tâm đến bài viết của chúng tôi!