Thế năng là gì (Công thức tính thế năng-Thế năng đàn hồi là gì và công thức tính-đơn vị thế năng-thế năng trọng trường-thế năng hấp dẫn-độ giảm của thế năng-Cực tiểu của Thế năng)

Thế năng là gì

Thế năng hay còn gọi là năng lượng tiềm tàng, tiếng Anh là potential energy, à năng lượng được lưu trữ trong một hệ thống cũng có thể được giải phóng hoặc chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác. Thế năng là đại lượng trạng thái hay còn gọi là thế năng. Năng lượng tiềm tàng không thuộc về các đối tượng riêng lẻ, mà được chia sẻ bởi các đối tượng tương tác.

Thế năng có thể được chia thành thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi, thế năng điện và thế năng hạt nhân theo các tính chất khác nhau của tác dụng. Trong cơ học, thế năng bao gồm thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi.

Công thức tính thế năng

W_t= m.g.z

Trong đó:

• W_t: Thế năng của vật được đặt tại vị trí z (đơn vị Jun (J)).
• m: Khối lượng của vật (kg)
• z: Độ cao của vật so với mặt đất.

Thế năng đàn hồi là gì

Do tương tác đàn hồi, các bộ phận khác nhau của vật bị biến dạng đàn hồi cũng có thế năng, gọi là thế năng đàn hồi. Độ biến dạng của cùng một vật đàn hồi trong một khoảng nào đó càng lớn thì thế năng đàn hồi càng lớn và ngược lại, càng nhỏ.

Công thức tính thế năng đàn hồi

• Nếu chọn chiều dương là chiều tăng của lò của chiều dài lò xo ta có công thức là: 
• Công thức để tính lực đàn hồi khi đưa vật trở về vị trí lò xo không bị biến dạng là:
• Khi đã tính toán lực đàn hồi xong, chúng ta có thể dễ dàng áp dụng công thức sau để tính được thế năng đàn hồi của lò xo. Công thức tính  thế năng đàn hồi như sau:

Trong đó:

• Wđh: Thế năng đàn hồi, đơn vị J
• k: Độ cứng lò xo (N.m)
• x: Độ biến dạng lò xo (m)

 

Đơn vị thế năng

Thế năng thường được biểu thị bằng tỷ số giữa thế năng với một đại lượng vật lý, chẳng hạn như thế điện (tỷ số giữa thế năng tĩnh điện của một hạt với điện tích của nó), thế năng hấp dẫn (tỷ số giữa thế năng hấp dẫn của một vật với khối lượng của nó). Trong một trường lực bảo toàn xác định, thế năng của một vật liên quan đến vật đó, nhưng sự phân bố của thế năng không phụ thuộc vào vật.

Điều cần phân biệt với thế năng là các vật không phải lúc nào cũng chuyển động về phía có thế năng thấp hơn. Một điện tích dương sẽ có xu hướng đi đến một thế năng thấp hơn, nhưng một điện tích âm sẽ có xu hướng đi đến một thế năng cao hơn, nhưng ở đó, tương ứng, là nơi năng lượng tiềm ẩn của chúng thấp hơn.

Thế năng cũng bao gồm một số nội dung mà thế năng không bao gồm, chẳng hạn như thế vectơ từ trường.

Thế năng trọng trường

Độ lớn của thế năng trọng trường của một vật được xác định bằng độ lớn của lực hút của trái đất lên vật và vị trí tương đối của trái đất và của vật trên mặt đất. Vật có khối lượng càng lớn thì vị trí của nó càng cao và khả năng sinh công càng lớn thì vật có thế năng hấp dẫn càng nhiều.

Trong một chừng mực nào đó, khi độ cao không đổi, khối lượng càng lớn thì thế năng trọng trường càng lớn; khi khối lượng không đổi, càng lên cao thì thế năng trọng trường càng lớn.

Thế năng hấp dẫn

Thế năng hấp dẫn là năng lượng mà một vật sở hữu do tác dụng của lực hấp dẫn. Thế năng hấp dẫn của một vật tại một điểm trong không gian bằng công do trọng lực thực hiện khi đưa vật từ điểm đó đến điểm chuẩn (tức là một mặt phẳng ngang cụ thể).

Để đánh giá liệu một vật có thế năng hấp dẫn hay không, điều quan trọng là phải xem liệu vật đó có được nâng lên so với một mặt phẳng nhất định hay không, tức là nó có một độ cao nhất định so với mặt phẳng này hay không. Nếu có, vật có thế năng hấp dẫn, nếu không, vật không có thế năng hấp dẫn.

Trong vật lý, độ lớn của thế năng hấp dẫn do một vật sở hữu tỷ lệ thuận với khối lượng của vật đó và tỷ lệ thuận với độ cao mà vật đó được nâng lên.
Do đó ta được: Ep = mgh.

Khi nào vật có thế năng hấp dẫn

Thế năng hấp dẫn là một đại lượng vô hướng tính bằng jun (J). Khác với công, các dấu tích cực và âm của công cho biết tác dụng, và chỉ có giá trị số được so sánh khi so sánh độ lớn; còn số dương trong thế năng trọng trường luôn lớn hơn số âm. Trong biểu thức của thế năng hấp dẫn. năng lượng, vì độ cao h là tương đối nên thế năng trọng trường Các giá trị cũng tương đối. Ta nói rằng một vật có thế năng hấp dẫn mgh so với một mặt phẳng ngang nhất định.

Nếu lấy chiều cao của mặt phẳng ngang này bằng 0 thì mặt phẳng nằm ngang này được gọi là mặt phẳng chuẩn. Khi vật nằm trên mặt phẳng chuẩn này , thế năng hấp dẫn bằng 0., vì vậy mặt phẳng quy chiếu còn được gọi là mặt phẳng thế năng bằng không.

Lò xo bị nén có thế năng hấp dẫn

Sự hiểu biết về thế năng hấp dẫn trong vật lý cổ điển là khi một vật ở một vị trí, so với mặt phẳng quy chiếu, thì trọng lực có thể tác dụng bao nhiêu lên vật đó và bao nhiêu dạng năng lượng khác mà vật có thể thu được, là lượng thế năng trọng trường.

Nhưng điều đó không có nghĩa là nếu thế năng hấp dẫn bằng 0, nó không có khả năng sinh công, điều này được xác định bởi thuyết tương đối của nó. Khi trọng lực làm việc tích cực, thế năng trọng trường giảm, và khi trọng lực làm việc tiêu cực, thế năng hấp dẫn tăng lên.

Công thức tính thế năng trọng trường

Công thức của thế năng trọng trường: Ep = mgh (Ep là thế năng hấp dẫn, m là khối lượng, g là gia tốc trọng trường của bề mặt trái đất và trong hầu hết các trường hợp, h là độ cao của vật thể so với mặt phẳng chuẩn).

Vì cả trọng lực và g đều thay đổi theo khoảng cách, Ep = mgh chỉ có thể giải quyết bề mặt Trái đất.

Cực tiểu của thế năng

Nguyên lý thế năng cực tiểu thuộc phạm trù vật lý, nghĩa là khi thế năng của một hệ là nhỏ nhất thì hệ sẽ ở trạng thái cân bằng bền. Ví dụ, khi một quả bóng nhỏ chuyển động trên một bề mặt, khi nó đến điểm thấp nhất của bề mặt, hệ sẽ có xu hướng theo nguyên tắc cân bằng ổn định.

Cơ năng là gì

Năng lượng mà một vật sở hữu do chuyển động cơ học của nó được gọi là cơ năng. Nó bao gồm động năng và thế năng. Thế năng bao gồm thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi. Vì trọng lực và lực hút là những lực có cùng bản chất nên khi không thể bỏ qua độ cao của một vật thì gọi là thế năng hấp dẫn, tức là thế năng trọng trường là thế năng hấp dẫn, trong giáo trình, ngoài việc thảo luận về sự thay đổi của trọng lực với sự thay đổi vị trí (vĩ độ và độ cao) của một vật trên trái đất, người ta coi trọng lực là bằng vạn vật hấp dẫn nên cũng có thể coi thế năng hấp dẫn của một vật bằng thế năng hấp dẫn.

Ý nghĩa của cơ năng

Cơ năng là tổng của động năng và thế năng, trong đó thế năng được chia thành thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi. Chúng ta gọi chung động năng, thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi là cơ năng. Yếu tố quyết định động năng là khối lượng và vận tốc; yếu tố xác định thế năng hấp dẫn là khối lượng và chiều cao; yếu tố xác định thế năng đàn hồi là hệ số độ cứng và độ biến dạng.

Cơ năng đơn giản là tổng của động năng và thế năng. Cơ năng là đại lượng vật lý biểu thị trạng thái chuyển động và độ cao của vật. Động năng và thế năng của vật có thể quy đổi được. Trong quá trình chuyển hoá lẫn nhau chỉ có động năng và thế năng, tổng cơ năng không đổi tức là cơ năng được bảo toàn.

Cơ năng của một vật bằng

Nguyên tắc của thế năng cực tiểu về cơ bản giống như nguyên tắc của công ảo. Mọi thứ trong vũ trụ, nếu thế năng của nó chưa đạt đến mức “tối thiểu” (khái niệm cục bộ), thì nó sẽ luôn cố gắng thay đổi về vị trí thế năng tối thiểu “tương đối” của nó.

Công thức tính cơ năng

Einstein đã bổ sung công thức trên trong thuyết tương đối.Công thức đầy đủ là

E = m0C ^ 2 / √ (1-V ^ 2 / C ^ 2) -m0C ^ 2

m0 là khối lượng còn lại

Ví dụ về cơ năng

Ví dụ: một vật đặt trên núi cao có thế năng dương (không cực tiểu) so với mặt đất nên luôn có “cơ năng” chuyển động về phía mặt đất (“nhảy” xuống đất) (bản chất cơ học của nó là nó ở trạng thái cân bằng không ổn định). Do đó, nó cố gắng (và chỉ) chuyển động xuống để đảm bảo rằng nó đạt đến trạng thái tương đối ổn định.

Thế năng từ trường

Thế năng từ trường là sự thay đổi vị trí tương đối của các vật gây ra bởi lực hút hoặc lực đẩy của từ trường; năng lượng làm thay đổi các đặc tính bên trong của vật liệu do từ hóa hoặc khử từ được gọi là thế năng từ trường. (Từ trường là một trường không bảo toàn, nó là một trường quay, và thế năng nên tồn tại trong một trường thế năng. Một trong những điều kiện để có một trường thế năng là một trường không quay).

Động năng

Năng lượng mà một vật sở hữu do chuyển động được gọi là động năng, và thường được định nghĩa là công được thực hiện để đưa một vật từ trạng thái nghỉ sang trạng thái chuyển động. Kích thước của nó bằng một nửa tích của khối lượng và bình phương vận tốc của vật chuyển động. Mọi vật chuyển động đều có động năng.

Động năng: Ek = 1 ∕ 2 · m · v ^ 2

Đặc điểm của thế năng

Thế năng của một vật mang điện không phải là cơ năng, và công cũng có thể thực hiện được trên vật bằng cách sử dụng định lý động năng. Nếu lực điện trường tác dụng dương lên vật mang điện thì thế năng giảm, cơ năng tăng; ngược lại, lực điện trường tác dụng lên vật mang điện thì thế năng tăng, cơ năng giảm.

Khi đóng cọc, trước tiên người ta nhấc chiếc búa nặng lên cao, khi chiếc búa nặng rơi xuống thì cọc gỗ có thể bị đóng xuống đất. Búa nặng có thể làm việc vì nó được nâng lên cao, và năng lượng của vật được nâng lên được gọi là thế năng hấp dẫn.

Một vật có khối lượng càng lớn và càng được nâng lên cao thì càng có nhiều thế năng hấp dẫn. Một quả nặng được nâng lên có thế năng hấp dẫn. Khối lượng của búa nặng càng lớn thì vật được nâng lên càng cao và khi rơi xuống càng có công, nghĩa là thế năng hấp dẫn của búa nặng càng lớn. (Không phải tất cả thang máy đều là nhân tạo, nhưng chiều cao nâng lên so với mặt phẳng nằm ngang là chiều cao được nâng).

Phát biểu định luật bảo toàn cơ năng

Theo quan điểm chuyển hóa năng lượng, miễn là trong một quá trình vật lý nhất định, tổng cơ năng của hệ không đổi, không có cơ năng nào được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác trong hệ hoặc giữa hệ với thế giới bên ngoài, và không có dạng năng lượng nào khác có thể chuyển thành cơ năng của hệ, khi đó cơ năng của hệ được bảo toàn, bất kể trong hệ có phải xảy ra sự chuyển hóa lẫn nhau giữa động năng và thế năng hay không.

Định luật bảo toàn cơ năng có thể coi là định luật biến đổi và bảo toàn năng lượng trong cơ học. Điều kiện của nó là hệ chỉ có trọng lực và lực đàn hồi để thực hiện công. Trong một hệ thống như vậy, tổng cơ năng là không đổi mặc dù có sự chuyển hóa lẫn nhau giữa động năng và thế năng. Ở đây chúng ta nói về ứng dụng của định luật bảo toàn cơ năng.

Ví dụ về thế năng trong có thể

Ví dụ, một vật chuyển động thẳng với vận tốc đều trên mặt phẳng nằm ngang. Năng lượng cơ học của nó được bảo toàn; nếu có các dạng chuyển đổi năng lượng và cơ năng khác trong hệ thống hoặc giữa hệ thống với thế giới bên ngoài. Ngay cả khi tổng cơ năng của hệ không đổi, thì cơ năng của hệ không được bảo toàn. trong hệ thống có hoạt động trên hệ thống, mặc dù tổng năng lượng cơ học không thay đổi. có tác dụng biến đổi cơ năng thành các dạng năng lượng khác.