Động năng là dạng năng lượng của một vật có được do nó đang chuyển động. Trong cuộc sống hàng ngày, các bạn sẽ gặp không ít những hiện tượng điển hình về động năng như: Cối xay gió của Hà Lan, đập thủy điện, thác nước,…. Cùng bài viết tìm hiểu về động năng.
1. Động năng là gì?
Động năng của một vật là năng lượng mà nó có được từ chuyển động của nó. Nó được định nghĩa là công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện thời của nó. Sau khi đạt được năng lượng này bởi gia tốc của nó, vật sẽ duy trì động năng này trừ khi tốc độ của nó thay đổi. Để hiểu rõ hơn về động năng trước tiên cần phải hiểu năng lượng là gì?
1.1. Năng lượng:
Năng lượng chính là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật bất kỳ. Năng lượng được coi là một đại lượng bảo toàn, nó không tự nhiên sinh ra hay mất đi.
– Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau: như cơ năng, nội năng, năng lượng điện trường, năng lượng
– Năng lượng có thể chuyển hoá qua lại từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác như: thực hiện công, tuyền nhiệt, phát ra các tia mang năng lượng,…
– Mọi vật xung quanh chúng ta đều mang năng lượng. Khi một vật tương tác với các vật khác thì giữa chúng có thể trao đổi năng lượng.
1.2. Động năng:
– Động năng là dạng năng lượng mà vật có được do nó đang chuyển động.
– Khi một vật có động năng thì vật có thể tác dụng lực lên vật khác và động năng sẽ chuyển thành lực sinh công.
1.3. Định nghĩa động năng:
Động năng là dạng năng lượng của một vật có được do nó đang chuyển động và được xác định theo công thức:
Trong đó: m là khối lượng của vật (kg)
v là vận tốc của vật (m/s)
Wđ là động năng (J)
1.4. Tính chất của động năng:
– Chỉ phụ thuộc độ lớn vận tốc, không phụ thuộc hướng vận tốc.
– Là đại lượng vô hướng, có giá trị dương.
– Mang tính tương đối.
1.5. Đơn vị của động năng:
Động năng được kí hiệu là Wđ. Đơn vị của động năng là jun (Viết tắt là: J)
1.6. Ví dụ về động năng:
– Từ thời xa xưa, người Hà Lan thông qua các cối xay gió đã biến năng lượng chuyển động từ gió thành công cơ học để chạy các máy xay đơn giản.
– Sử dụng năng lượng từ chuyển động của các dòng không khí (gió) thành công cơ học để bơm nước từ các giếng sâu lên mặt đất.
– Năng lượng có được từ chuyển động của các dòng không khí (các cơn gió) làm quay các cánh quạt, chuyển động quay của cánh quạt lại được nối với các tuabin của
2. Động năng của vật rắn:
Trong cơ học cổ điển, động năng của một chất điểm (một vật nhỏ đến nỗi mà khối lượng của nó có thể được xem là chỉ tồn tại tại một điểm), hay một vật không quay, được cho bởi phương trình với m là khối lượng và v là tốc độ (hay vận tốc) của vật. Trong hệ SI, khối lượng được đo bằng kilogram, tốc độ được đo bằng mét trên giây, và động năng thu được đo bằng joule (Jun).
Ví dụ, một vật khối lượng 80kg di chuyển với tốc độ 18mét trên giây (65 km/h) thì động năng của nó là:
Ek = (1/2).80.182 J = 12.96 kJ
Bởi vì động năng tỉ lệ theo bình phương tốc độ, nên một vật tăng gấp đôi tốc độ thì nó sẽ có động năng gấp bốn lần ban đầu. Ví dụ, một chiếc xe hơi di chuyển nhanh gấp đôi chiếc khác thì phải tốn quãng đường gấp bốn lần để dừng, nếu lực thắng là bằng nhau.
Động năng của một vật liên hệ với động lượng theo phương trình:
+ p là động lượng
+ m là khối lượng của vật
Động năng tịnh tiến:
Động năng tịnh tiến, là động năng liên quan đến chuyển động tịnh tiến, của vật rắn có khối lượng không đổi m, và khối tâm của nó di chuyển với tốc độ v, sẽ bằng với:
+ m là khối lượng của vật
+ v là tốc độ khối tâm của vật.
Động năng của bất kỳ vật nào đều phụ thuộc vào hệ quy chiếu mà nó được đo. Tuy nhiên, tổng năng lượng của một hệ cô lập, nghĩa là một hệ không có năng lượng vào hoặc ra, thì không thay đổi trong bất kỳ hệ quy chiếu nào. Do đó, phần hóa năng được chuyển thành động năng bởi một động cơ tên lửa bị phân chia cho tên lửa và khí thải phụ thuộc vào hệ quy chiếu được chọn. Điều này được gọi là hiệu ứng Oberth. Nhưng tổng năng lượng của hệ, kể cả động năng, hóa năng của nhiên liệu, nhiệt,…, được bảo toàn theo thời gian, bất kể đến cách chọn hệ quy chiếu. Tuy nhiên, giá trị tổng năng lượng này thì sẽ khác nhau trong các hệ quy chiếu khác nhau.
Động năng của một hệ phụ thuộc và cách chọn hệ quy chiếu: hệ quy chiếu cho giá trị động năng nhỏ nhất là hệ mà trong đó, tổng động lượng của hệ bằng không. Giá trị động năng nhỏ nhất này đóng góp vào khối lượng bất biến của hệ.
3. Định lý động năng (Công của lực tác dụng và độ biến thiên động năng):
Độ biến thiên động năng của một vật bằng công của ngoại lực tác dụng vào vật. Khi lực tác dụng lên vật sinh công dương thì động năng của vật tăng (tức là vật thu thêm công hay vật sinh công âm). Ngược lại, khi lực tác dụng lên vật sinh công âm thì động năng của vật giảm (tức là vật sinh công dương).
– Công do lực F sinh ra tính theo công thức:
Tóm lại hệ quả:
Lực tác dụng lên vật sinh công dương: động năng của vật tăng.
Lực tác dụng lên vật sinh công âm: động năng của vật giảm.
* Biểu thức Động năng của vật:
Wđ=mv22Wđ=mv22=0,5mv2.
Trong đó
Wđđ: động năng của vật (J)
m: khối lượng của vật (kg)
v: vận tốc của vật
Động năng là một đại lượng vô hướng.
Định lý động năng: Độ biến thiên động năng ΔWđđ=Wđ2đ2 – Wđ1đ1 bằng công của ngoại lực tác dụng vào vật
* Biểu thức định lý Động năng:
ΔWđđ=Wđ2đ2 – Wđ1đ1=mv222−mv212=Amv222−mv122=A
Nếu v2 > v1 => ΔWđđ> 0 => A > 0: ngoại lực sinh công phát động làm động-năng của vật tăng lên
nếu v2 < v1 => ΔWđđ< 0 => A < 0: ngoại lực sinh công cản làm động-năng của vật giảm đi.
4. Công thức động năng?
4.1. Xét vật khối lượng m chuyển động dưới tác dụng của một lực F, giả sử F không đổi và vật chuyển động dọc theo giá của lực.
– Giả sử sau khi đi được quãng đường s vận tốc của vật biến thiên từ v1 đến v2, ta có:
– Nên ta có:
4.2. Trường hợp đặng biệt, vật bắt đầu từ trạng thái nghỉ v1=0 dưới tác dụng của lực F đạt tới trạng thái vận tốc v1=v thì ta có:
– Từ đó đi đến kết luận: Động năng của một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc v là năng lượng mà vật đó có được do nó đang chuyển động và được xác định theo công thức sau:
– Công thức tính động năng:
Trong đó:
W là động năng có đơn vị là Jun, ký hiệu (J)
m: khối lượng của vật (kg)
v: vận tốc của vật (m/s)
5. Bài tập vận dụng về động năng và đáp án:
* Bài 1: Khi nào động năng của vật
A- Biến thiên
B- Tăng lên
C- Giảm đi
=> Lời giải:
– Khi lực tác dụng lên vật sinh công dương (A > 0) thì động năng của vật tăng lên (W > W ).
– Ngược lại khi lực tác dụng lên vật sinh công âm (A < 0) thì động năng của vật giảm đi (W < W ).
⇒ Khi lực sinh công thì động năng của vật biến thiên.
* Bài 3: Câu nào sai trong các câu sau? Động năng của vật không đổi khi vật:
A- Chuyển động thẳng đều
B- Chuyển động với gia tốc không đổi
C- Chuyển động tròn đều
D- Chuyển động cong đều
=> Lời giải: Chọn đáp án: B. Chuyển động với gia tốc không đổi. Vì chuyển động có gia tốc không đổi là chuyển động thẳng biến đổi đều, nếu vận tốc biến đổi thì động năng cũng thay đổi.
* Bài 4: Động năng của một vật tăng khi:
A- Gia tốc của vật a>0
B- Vận tốc của vật v>0
C- Các lực tác dụng lên vật sinh công dương
D- Gia tốc của vật tăng
=> Lời giải: Chọn đáp án: C. Các lực tác dụng lên vật sinh công dương
– Công của các lực tác dụng lên vật và độ biến thiên động năng của vật:
– Với A là tổng công của tất cả các lực tác dụng lên vật; Động năng của vật tăng nên suy ra A>0 dẫn tới lực tác dụng lên vật sinh công dương.
* Bài 5: Một vật trọng lượng 1,0N có động năng 1,0J. Lấy g = 10 m/s . Khi đó vận tốc của vật bằng bao nhiêu?
A- 0,45m/s
B- 1,0m/s
C- 1,4m/s
D- 4,4m/s
=> Lời giải: Chọn đáp án: D. 4,4m/s. Vì:
– Khối lượng của vật là, từ công thức tính trọng lực:
– Vật tốc của vật là, từ công thức tính động năng:
* Bài 6: Một ô tô có khối lượng 1000 kg chuyển động với vận tốc 80 km/h. Động năng của ô tô có giá trị nào sau đây?
A. 2,52.10 J
B. 2,47.10 J
C. 2,42.10 J
D. 3,20.10 J
=> Lời giải: Chọn đáp án: B. 2,47.10 J
– Ta có: v = 80 km/h = 200/9 m/s
– Áp dụng công thức tính động năng:
* Bài 7: Tính động năng của một vận động viên có khối lượng 70 kg chạy đều hết quãng đường 400 m trong thời gian 45s.
=> Lời giải: – Động năng của vận động viên là:
* Bài 8: Một vật khối lượng m = 2kg đang nằm yên trên một mặt phẳng ngang không ma sát. Dưới tác dụng cả lực nằm ngang 5N, vật chuyển động và đi được 10m. Tính vận tốc của vật ở cuối chuyển dời ấy.
Lời giải:
– Gia tốc của vật thu được là, từ công thức:
– Vận tốc của vật khi đi được 10m là vận tốc thỏa mãn:
