Thế năng là gì | Tài liệu tham khảo | ứng dụng

Thế năng là gì? Là một dạng của cơ năng, nó là năng lượng tiềm tàng của một vật có được do vị trí của vật đó không cùng với vật khác. Năng lượng này xuất hiện nhờ lực nén bên trong bản thân nó, điện tích hoặc đến từ các yếu tố khác.

Tuy nhiên, không phải ai cũng có thể hiểu rõ được khái niệm và công thức xác định thế năng của một vật. Bài viết sau đây sẽ tổng hợp các kiến thức cần thiết liên quan đến thế năng để các bạn cùng tham khảo.

Khái niệm thế năng là gì

Là khả năng sinh công của vật trong một số điều kiện nhất định. Hiểu một cách ngắn gọn, thế năng chính là một dạng năng lượng tiềm ẩn có bên trong vật thể. Nó được coi là một đại lượng vật lý quan trọng, luôn tồn tại xung quanh chúng ta và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống thường nhật.

Ta có thể dễ dàng bắt gặp hình ảnh của nó trong các hoạt động như bắn cung, hoạt động máy móc trong công trường xây dựng,…

Ngoài ra, nó cũng được áp dụng nhiều trong các thiết bị từ đơn giản đến phức tạp. Các loại máy dùng cơ bản cho đến sản phẩm tự động hóa công nghệ cao.

Xem thêm : Nhiệt lượng là gì ? | Đơn vị và công thức tính nhiệt lượng

Có mấy loại thế năng

Đây là câu hỏi rất nhiều người đang đặt ra. Ta có thể tổng hợp thế năng gồm 3 dạng chính là : thế năng trọng trường – thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi và thế năng tĩnh điện. Mỗi loại sẽ có công thức tính và đặc trưng riêng, cùng tìm hiểu với chúng tôi qua bài viết dưới đây nhé!

Thế năng trọng trường

Nếu một vật nằm trong vòng khí quyển của Trái Đất, vật đó sẽ phải chịu tác dụng của lực hút Trái Đất hay nói cách khác là lực hấp dẫn hoặc trọng trường. Lực này biểu diễn gia tốc rơi của vật được thả tự do, tâm hướng về Trái Đất – mặt đất. Dưới đây, là định nghĩa và công thức xác định thế năng hấp dẫn của vật.

Định nghĩa

Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác lẫn nhau giữa vật đó và Trái Đất. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào độ cao tính từ vật xuống mặt đất hoặc từ vật tới vị trí bất kỳ được chọn làm mốc tính độ cao.

Công thức tính thế năng Wt

Ta áp dụng công thức : Wt = m.g.z

Trong đó : Thế năng của vật là Wt (J)

Khối lượng của vật là m (kg)

Độ cao của vật đến mặt đất hoặc đến mốc là z (m)

Gia tốc trọng trường là g (m/s.s)

Xem thêm : DN là gì | Đường kính danh nghĩa | Thông số liên quan

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

Trong quá trình chuyển động của vật trong trọng trường :

• Khi độ cao của vật giảm, thế năng của vật giảm thì trọng lực sinh công dương.
• Khi thế năng của vật tăng, độ cao của vật tăng thì trọng lực sinh công âm.

Ví dụ : Một tờ giấy có khối lượng 10g, rơi từ độ cao 2m xuống, nó chao liệng trong không trung rồi rơi xuống mặt đất. Cho g= 9,3 m/s.s.

Ta có : mốc thế năng trong trường hợp này xác định là mặt đất.

Áp dụng liên hệ giữa công của trọng lực và biến thiên thế năng :

A = Wt0 – Wt1 = m.g.z – 0 = 0,01. 9,3.2 = 0,186 (J)

Suy ra, công của trọng lực tác dụng lên tờ giấy là 0,186 J, công này không phụ thuộc vào hình dạng quỹ đạo của tờ giấy.

Thế năng đàn hồi

Một quả bóng bị bóp méo, một chai nhựa bị xiết chặt, một lò xo bị nén lại, một mũi tên bị gắn vào dây cung khi đang căng…tất cả những vật thể bị biến dạng bởi một lực nào đó tác động, đều sinh ra thế năng đàn hồi.

Định nghĩa thế năng đàn hồi

Nếu một vật bị biến dạng, vật đó có khả năng sinh ra công. Khi đó, vật mang một dạng năng lượng được gọi là thế năng đàn hồi. Nó là đại lượng thể hiện năng lượng của vật đó khi chịu sự tác động của lực đàn hồi. Đa phần, người ta thí nghiệm nó trên một lò xo lý tưởng.

Độ lớn của thế năng phụ thuộc vào độ biến dạng của vật, khi vật bị biến dạng càng nhiều thì thế năng theo đó sẽ càng lớn. Thế năng đàn hồi xuất hiện bởi lực tác dụng vào vật, làm cho vật thay đổi hình dáng so với lúc ban đầu.

Công thức tính Wđh

Ta có công thức xác định thế năng đàn hồi : Wđh = (1/2).k.x.x

Trong đó : Thế năng đàn hồi là Wđh (J)

Độ cứng của lòa xo là k

Độ biến dạng của lò xo so với gốc chọn thế năng là x (m)

Thế năng tĩnh điện

Ngoài thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi còn có một dạng thế năng khác là thế năng tĩnh điện. Nó là một trong những dạng năng lượng được bảo toàn dưới dạng tĩnh điện.

Thế năng tĩnh điện được tính theo công thức : φ = q .V

Trong đó : Điện thế là q (C)

Điện tích của vật đang xét là V (V)

Vai trò – Ứng dụng của thế năng trong hoạt động của con người

Thực tế cho chúng ta thấy rằng, thế năng có vai trò vô cùng quan trọng trong sinh hoạt và các hoạt động sản xuất phục vụ nhu cầu, sự phát triển toàn diện của nhân loại. Nó có mặt ở khắp mọi nơi, trong mọi thiết bị, máy móc mà chúng ta đang dùng đến hàng ngày. Để có thể nêu hết tất cả các ứng dụng liên quan đến nó là điều khó khăn. Vì vậy, chúng tôi xin được phép đề cập một vài ứng dụng nổi bật của nó như sau :

Lĩnh vực thể dục thể thao

Nó được áp dụng trong nhiều bộ môn thi đấu khác nhau như : bắn cung. đá bóng, tennis, đạp xe…

Thêm nữa, nó được sử dụng trong các thiết bị máy móc hỗ trợ các phòng tập dụng cụ, tập gym rèn luyện cơ thể.

Sản xuất, chế tạo, vận hành trang thiết bị máy móc

Nó có mặt trong hầu hết các thiết bị máy móc, từ đơn giản đến phức tạp, từ thô sơ đến công nghệ cao. từ điều khiển bằng tay cho đến tự động hóa.

Nó được ứng dụng trong các loại máy sử dụng tới lò xo, dây cót, dây nịch, xăm xe,…

Giao thông vận tải

Tất cả các loại thiết bị dùng đến xăm xe đều là minh chứng của thế năng đàn hồi. Ta có thể liệt kê hàng loạt phương tiện như : xe đạp, xe máy, ô tô, máy bay, tàu hỏa, trực thăng…

Bạn thử tượng tưởng nếu xăm xe không có thế năng đàn hồi thì điều gì sẽ xảy ra? Liệu các phương tiện này có thể dừng đỗ được không? Trong quá trình đó, có xảy ra tai nạn hậu gây hại gì không?

Qua đây, ta nhận ra thế năng đàn hồi nói riêng và tất cả các loại thế năng nói chung đều có những lợi ích to lớn đối với con người và sự phát triển của xã hội chúng ta.

Đối với van công nghiệp

Xét riêng về ứng dụng của thế năng đối với lĩnh vực sản xuất, chế tạo van nước, van khí, van hơi, van công nghiệp. Chúng tôi sẽ lấy sản phẩm: Van bướm điều khiển khí nén ra làm ví dụ điển hình.

Nếu bạn có tìm hiểu về van bướm điều khiển khí nén tác động đơn, bạn sẽ biết rằng để sản xuất ra sản phẩm này cần có bộ phận lò xo được lắp bên trong thân van. Nó là bộ phận không thể thiếu để làm ra một thiết bị van hoàn chỉnh. Nhờ sự đàn hồi của lò xo giúp van có thể hoạt động đóng mở, thay đổi trạng thái điều khiển theo ý muốn người dùng.

Giả sử, không có lò xo lắp đặt bên trong thân van thì điều gì sẽ xảy ra? Câu trả lời là van không thể đóng mở linh hoạt. Nó sẽ mất đi khả năng điều khiển dòng nước vốn có. Khi đó, người ta chỉ có thể tạo ra một thiết bị chuyên dụng trong đường ống là chuyên mở hoặc chuyên đóng. Như vậy, nó mất đi tính năng làm việc của nó và không mang lại hiệu quả công việc cao như kỳ vọng của người tiêu dùng hướng đến.

Hy vọng, bài viết trên của chúng tôi đã phần nào giúp bạn hiểu thêm về thế năng. Thế năng là gì, các dạng thế năng và những kiến thức liên quan đến nó. Nếu các bạn có thêm những câu hỏi hay đóng góp ý kiến, vui lòng để lại bình luận bên dưới. Xin cảm ơn!