Chắc hẳn trong đời sống bạn đã nghe nhiều về thế năng đàn hồi? Vậy đây là loại thế năng gì? Công thức để tính nó ra sao? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết hơn về loại thế năng này qua bài viết sau nhé!
Khái niệm thế năng đàn hồi là gì?
Trong vật lý, thế năng là một đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của vật. Thế năng thường được tồn tại ở dưới dạng năng lượng.
Tìm hiểu về thế năng đàn hồi
Nói một cách dễ hiểu hơn thì thế năng chính là một dạng năng lượng khác được tồn tại khi vật đang ở một vị trí độ cao nào đó.
Ví dụ như khi vật được đưa lên ở độ cao (h), mũi tên trong cung đang giương hoặc một vật nào đó được gắn vào đầu của một lò xo đang bị nén.
Hiện nay, thế năng được chia thành hai dạng chính đó là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Mỗi dạng thế năng đều có mỗi đặc điểm và cách tính khác nhau.
Tìm hiểu chi tiết về thế năng trọng trường
Khái niệm trọng trường là gì?
Trọng trường là gì? Có thể bạn chưa biết, xung quanh Trái Đất của chúng ta luôn tồn tại một trọng trường. Biểu hiện của trọng trường đó là sự xuất hiện cả trọng lực tác dụng lên vật có khối lượng m được đặt ở một vị trí bất kỳ trong khoảng không gian có trọng trường.
Xung quanh Trái đất luôn tồn tại thế năng trọng trường
Công thức trọng lực của một vật có khối lượng m sẽ là: 
Trong đó:
- g: là gia tốc rơi tự do hay đó chính là gia tốc của trọng trường.
- m: chính là khối lượng của vật thể
Ở trong một khoảng không gian không quá rộng nếu gia tốc trọng trường tại mọi điểm đều luôn có phương song song, cùng chiều và có cùng độ lớn thì người ta cho rằng khoảng không gian đó chính là trọng trường đều.
Thế năng trọng trường là gì?
Cơ năng của một vật nào đó sẽ phụ thuộc trực tiếp vào độ cao của vật so với mặt đất. Hoặc dựa vào vị trí khác được đặt chọn để làm mốc tính toán độ cao được gọi là thế năng trọng trường. Ngoài ra, người ta còn lý giải đây là thế năng hấp dẫn.
Ví dụ: Viên đạn đang bay hay quả táo ở trên cây, máy bay đang bay, diều đang bay, viên đạn đang bay, mây…
Viên đạn đang bay là một ví dụ điển hình cho thế năng trọng trường
Nói một cách dễ hiểu hơn, thế năng trọng trường chính là một dạng năng lượng để tương tác giữa Trái Đất và các vật.
Thế năng của trọng trường sẽ phụ thuộc trực tiếp vào vị trí vật ở trong trọng trường. Nếu chọn thế năng vật đặt ở vị trí trên mặt đất và có khối lượng là m. Độ cao vị trí tương ứng trọng trường trái đất được ký hiệu z. Khi đó áp dụng công thức để tính thế năng như sau: Wt= mgz.
Công thức tính thế năng
Trong đó, ta có:
- Wt: Thế năng của vật nằm tại vị trí z, đơn vị để đo thế năng là Jun (J)
- m: Khối lượng của vật, đơn vị là kilogam (kg)
- z: Độ cao của vật so với mặt đất
Thế năng trọng trường có điểm nổi bật đó chính là một đại lượng vô hướng. Thế năng có thể rơi vào khoảng từ >0, <0 và cũng có thể =0. Sự biến thiên của thế năng và công trọng lực chính là khi một vật nào đó bắt đầu di chuyển từ vị trí A cho tới vị trí B.
Khi đó, công trọng lực của vật sẽ được tính toán bằng hiệu điện thế của trọng lực tại 2 vị trí. Công thức áp dụng đó là: AAB = Wt (ở A) – Wt (ở B)
Nếu trong trường hợp khi vật rơi bởi lực hấp dẫn thì sẽ dẫn đến hiện hiện tượng thế năng bị giảm. Sau đó sẽ chuyển thành công để vật có thể rời ra một cách tự do.
Còn ở trong trường hợp vật được ném lên từ mốc thế năng sẽ giúp lực ném chuyển qua thành công khiến cản trở trọng lực đến khi trọng lực giúp vật rơi một cách tự do.
Mối liên hệ biến giữa thế năng và công của trọng lực
Khi một vật chuyển động trong trọng trường ở tử vị trí M tới N công của trọng lực sẽ có giá trị bằng với hiệu thế năng tại vị trí M và N. Hệ quả khi đó như sau:
Trọng lực và thế năng có mối liên quan gì đến nhau không?
- Khi vật có độ giảm cao, thế năng của vật giảm dẫn đến trọng lực sẽ sinh ra công dương.
- Khi vật tăng độ cao, thế năng vật khi đó tăng lên làm cho trọng lực sẽ sinh ra công âm.
Tìm hiểu chi tiết về loại thế năng đàn hồi
Khái niệm thế năng đàn hồi
Khi một vật có khả năng biến dạng bởi bất kỳ một tác động nào đó thì sẽ đều có khả năng sinh ra công. Đây chính là một dạng năng lượng được gọi tên chung là thế năng đàn hồi. Muốn tính được thế năng đàn hồi trước hết chúng ta phải tính toán được công của lực đàn hồi.
Công thức tính thế năng đàn hồi
Xét một lò xo có chiều là I0, độ co cứng đàn hồi được tính bằng con số k bất kỳ. Một đầu giữ cố định, một đầu gắn vào vật. Bắt đầu tiến hành thao tác kéo một đoạn cố định là ΔI. Khi đó sẽ xuất hiện lực đàn hồi trực tiếp lò xo, tác động vào vật. Độ dài của lò xo sẽ được tính theo công thức : I – I0 + Đen ta I. Theo định luật Húc, ta có:
Thế năng đàn hồi thường xuất hiện ở lò xo
- 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)
Tại sao trong lò xo lại có thế năng?
Lò xo có thể tự dịch chuyển về với hình dạng ban đầu
Khi lò xo bị biến dạng trong giới hạn đàn hồi, do lực đàn hồi lò xo sẽ có xu hướng lấy lại hình dạng ban đầu. Lò xo có thể tự dịch chuyển về trạng thái ban đầu (không biến dạng) quá trình dịch chuyển có thể tạo nên công (năng lượng). Thế nhưng, có một trạng thái đó là lò xo bị biến dạng sau đó bị giữ cố định tại vị trí lò xo biến dạng mà không buông. Nghĩa là nó không tự sinh công (không sinh ra năng lượng). Dạng năng lượng ở đây là một dạng năng lượng tiềm năng (dạng năng lượng dự trữ) và ta thường gọi nó với cái tên đó là thế năng.
Tất cả mọi vật có biến dạng đàn hồi đều sinh ra lực đàn hồi. Tuy nhiên đối với những biến dạng đàn hồi khác việc xác định lực rất phức tạp. Vì vậy, trong chương trình vật lý phổ thông, các bạn chỉ nghiên cứu thế năng đàn hồi của lò xo vì lực đàn hồi của lò xo có thể dễ dàng xác định được.
Bài tập ví dụ
Ví dụ: Nếu thế năng của một vật tính được bằng 2kg, vật nằm dưới đáy giếng sâu khoảng 10 mét, g = 10m/s2. Lúc này gốc thế năng tại mặt đất bằng bao nhiêu?
Giải: A = Wt – Wt0 mà Wt = m.g.z = 2.10. (-10) = -200 (J)
Tìm hiểu chi tiết thế năng tĩnh điện
Ngoài thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi thì trong vật lý còn có một loại thế năng nữa đó là thế năng tĩnh điện. Loại thế năng này được xem như là một dạng lực bảo toàn dưới dạng tĩnh điện. Công thức để tính thế năng tĩnh điện như sau: φ= qv
Công thức để tính thế năng tĩnh điện
Trong đó:
- q: là điện thế
- v là điện tích của vật được xác định.
Chúng ta có thể suy ra từ công thức F= qxE để có thể tính được điện thế, điện tích,…
Bài viết trên đây của chúng tôi đã tổng hợp chi tiết các kiến thức liên quan đến thế năng đàn hồi. Nếu như bạn muốn có thêm những bài học bổ ích về lĩnh vực khoa học vật lí, hãy nhớ luôn theo dõi những bài đăng tiếp theo trên website của chuthapdoquangninh.org.vn nhé! Xin cảm ơn!
Xem thêm:
- Cơ năng là gì? Công thức và định luận bảo toàn cơ năng
- Lực ma sát là gì? Lực ma sát có tác dụng gì?
- Ứng suất là gì? Nguyên nhân tạo ra ứng suất
- Momen xoắn là gì? Ý nghĩa đại lượng momen xoắn
- Công suất phản kháng là gì? Khái niệm công suất phản kháng Q
