Động năng là dạng năng lượng mà vật có được do nó đang chuyển động. Trong cuộc sống hàng ngày các bạn sẽ gặp rất nhiều hiện tượng điển hình của động năng như: Cối xay gió Hà Lan, đập thủy điện, thác nước,…. Với bài viết, hãy tìm hiểu về động năng.
Động năng là gì?
Động năng của một vật là năng lượng mà nó có được do chuyển động của nó. Nó được định nghĩa là công cần thiết để tăng tốc một vật có khối lượng nhất định từ trạng thái đứng yên đến tốc độ hiện tại. Sau khi nhận được năng lượng này thông qua gia tốc, vật sẽ giữ lại động năng này trừ khi tốc độ của nó thay đổi. Để hiểu rõ hơn về động năng, trước tiên chúng ta phải hiểu năng lượng là gì?
Năng lượng
Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của bất kỳ vật nào. Năng lượng được coi là một đại lượng được bảo toàn, nó không được tạo ra cũng như không bị mất đi một cách tự nhiên.
Năng lượng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: cơ năng, nội năng, điện trường, từ trường, v.v..
– Năng lượng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác như: thực hiện công, truyền nhiệt, phát ra tia năng lượng, v.v.
Mọi thứ xung quanh chúng ta đều mang năng lượng. Khi một vật tương tác với các vật khác, năng lượng có thể được trao đổi giữa chúng.
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 đó có thể tác dụng một lực lên vật khác và động năng sẽ chuyển hóa thành công.
Định nghĩa động năng
Động năng là dạng năng lượng mà vật có được do nó đang chuyển động và được xác định bởi công thức:
Trong đó: m là khối lượng của vật (kg).
v là tốc độ của vật (m/s)
Wd là động năng (J)
Tính chất động năng
– Chỉ phụ thuộc vào độ lớn của vận tốc chứ không phụ thuộc vào hướng vận tốc.
– Là đại lượng vô hướng có giá trị dương.
– Liên quan đến.
Đơn vị động năng
Động năng được ký hiệu là Wd. Đơn vị của động năng là joule (viết tắt: J)
Ví dụ động năng
– Từ xa xưa, người Hà Lan nhờ cối xay gió đã chuyển đổi năng lượng truyền động của gió thành cơ năng để vận hành các cối xay đơn giản.
– Sử dụng năng lượng từ sự chuyển động của các dòng không khí (gió) có hiệu suất cơ học để bơm nước từ giếng sâu lên bề mặt.
– Năng lượng thu được từ sự chuyển động của các dòng không khí (gió) làm quay các cánh quạt, chuyển động quay của các cánh quạt được nối với tua-bin của máy phát điện. Năng lượng do dòng điện tạo ra được sử dụng trong đời sống hàng ngày như thắp sáng, sạc pin, vận hành các thiết bị điện như tivi, tủ lạnh, bếp điện, điều hòa, v.v..
Động năng của vật rắn
Trong cơ học cổ điển, động năng của một hạt (một vật nhỏ đến mức khối lượng của nó có thể coi là chỉ tồn tại ở một điểm duy nhất), hoặc của một vật không quay, được cho bởi phương trình trong đó m là khối lượng và v là vận tốc. (hoặc tốc độ) của vật thể. Trong hệ SI, khối lượng được đo bằng kilôgam, tốc độ được đo bằng mét trên giây và động năng được đo bằng joules (Jun).
Ví dụ, một vật có khối lượng 80 kg chuyển động với vận tốc 18 mét/giây (65 km/h) thì động năng của nó là:
Ek = (1/2,80,182 J = 12,96 kJ
Vì động năng tỉ lệ với bình phương tốc độ nên một vật có tốc độ tăng gấp đôi sẽ có động năng ban đầu gấp bốn lần. Ví dụ, một ô tô chạy nhanh gấp đôi ô tô khác sẽ mất thời gian lâu hơn gấp bốn lần để dừng lại nếu lực phanh bằng nhau.
Động năng của một vật có quan hệ với động lượng theo phương trình:
+ p là động lượng
+ m là khối lượng của vật
Động năng lũy tiến:
Động năng tịnh tiến, liên quan đến chuyển động tịnh tiến, của một vật rắn có khối lượng không đổi m và khối tâm của nó chuyển động với tốc độ v, sẽ bằng:
+ m là khối lượng của vật
+ v là vận tốc khối tâm của vật.
Động năng của bất kỳ vật nào cũng phụ thuộc vào hệ quy chiếu mà nó được đo. Tuy nhiên, tổng năng lượng của một hệ cô lập, tức là một hệ không có năng lượng đầu vào hoặc đầu ra, không thay đổi trong bất kỳ hệ quy chiếu nào. Như vậy, phần năng lượng hóa học do động cơ tên lửa chuyển hóa thành động năng được chia cho tên lửa và khí thải phụ thuộc vào hệ quy chiếu đã chọn. Đây được gọi là hiệu ứng Oberth. Nhưng tổng năng lượng của hệ, bao gồm động năng, năng lượng hóa học của nhiên liệu, nhiệt, v.v., được bảo toàn theo thời gian cho dù hệ quy chiếu được chọn như thế nào. Tuy nhiên, giá trị của tổng năng lượng này sẽ khác nhau tùy theo hệ quy chiếu.
Động năng của một hệ phụ thuộc vào cách chọn hệ quy chiếu: hệ quy chiếu cho giá trị động năng nhỏ nhất là hệ trong đó tổng động lượng của hệ bằng 0. Giá trị động năng tối thiểu này góp phần tạo nên khối lượng không đổi của hệ.
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 lên vật. Khi một lực tác dụng lên một vật tạo ra công dương thì động năng của vật đó tăng lên (tức là vật nhận thêm công hoặc vật tạo ra công âm). Ngược lại, khi một lực tác dụng lên một vật sinh ra công âm thì động năng của vật đó giảm đi (tức là vật sinh ra công dương).
– Công do lực F thực hiện được tính theo công thức:
Tóm tắt hậu quả:
Lực tác dụng lên một vật tạo ra công dương: động năng của vật tăng lên.
Lực tác dụng lên một vật tạo ra công âm: động năng của vật giảm.
* Biểu diễn động năng của một vật:
Wđ=mv22Wđ=mv22=0,5mv2.
trong đó
Wd: 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 lên vật
* Biểu diễn định lý động năng:
ΔWđđ=Wđ2đ2 – Wđ1đ1=mv222−mv212=Amv222−mv122=A
Nếu v2 > v1 => Wđđ> 0 => A > 0: ngoại lực sinh ra công làm tăng động năng của vật
nếu v2 < v1 => ΔWđđ< 0 => A < 0: ngoại lực tạo ra lực cản, làm giảm động năng của vật.
Công thức tính động năng là gì?
4.1. Xét một vật có khối lượng m chuyển động dưới tác dụng của lực F, giả sử F không đổi và vật chuyển động dọc theo lực đỡ.
– Giả sử sau khi đi được quãng đường s thì tốc độ của vật đi từ v1 đến v2, ta có:
Vì vậy chúng tôi có:
4.2. Trong trường hợp cụ thể, vật bắt đầu từ trạng thái đứng yên v1=0 dưới tác dụng của lực F đạt đến trạng thái vận tốc v1=v thì ta có:
– Từ đó đến kết luận: Động năng của một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc v là năng lượng mà vật 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: tốc độ của vật (m/s)
Bài tập vận dụng về động năng và đáp án
* Bài 1: Động năng của một vật là khi nào
Một biến thể
B-Tăng
C- Giảm dần
=> Giải thích:
– Khi lực tác dụng lên một vật tạo ra công dương (A > 0) thì động năng của vật tăng lên (W > W).
– Ngược lại, khi lực tác dụng lên một vật tạo ra công âm (A < 0) thì động năng của vật giảm (W < W).
⇒ Khi lực tác dụng thì động năng của vật thay đổi.
Bài 3: Câu nào sau đây sai? Động năng của một vật không thay đổi khi vật:
A- Chuyển động thẳng đều
B- Chuyển động có gia tốc không đổi
C- Chuyển động tròn đều
D- Chuyển động cong đều
=> Lời giải: Chọn đáp án: B. Chuyển động có gia tốc không đổi. Vì chuyển động có gia tốc không đổi là chuyển động thẳng biến thiên đều nên nếu tốc độ thay 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 vật v>0
C- Lực tác dụng lên cơ thể sinh ra công dương
D- Gia tốc của vật tăng
=> Giải pháp: Chọn đáp án: C. Lực tác dụng lên vật sinh ra công dương
– Công của các lực tác dụng lên vật và sự biến thiên động năng của vật:
– Trong đó A là tổng các lực tác dụng lên vật; Động năng của vật tăng nên A>0 dẫn đến lực tác dụng lên vật sinh ra công dương.
* Bài 5: Một vật có khối lượng 1,0N thì có động năng là 1,0J. Gọi g = 10 m/s. Vận tốc của vật là 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. Bởi vì:
– Khối lượng của vật theo công thức trọng lực:
– Vận tốc của vật tính theo công thức động năng:
* Bài 6: Một ô tô có khối lượng 1000 kg chuyển động với vận tốc 80 km/h. Động năng nào sau đây là động năng của ô tô?
A.2.52.10J
B.2.47.10J
C.2.42.10J
J. 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 nặng 70 kg chạy quãng đường 400 m trong 45 s.
=> Giải: – Động năng của vận động viên là:
* Bài 8: Một vật có khối lượng m = 2kg nằm yên trên mặt phẳng ngang không ma sát. Dưới tác dụng của một lực nằm ngang 5N, vật chuyển động được quãng đường 10 m. Tính vận tốc của vật khi hết quãng đường.
Câu trả lời:
– Gia tốc của vật được tính từ công thức:
– Vận tốc của vật đi được quãng đường 10m là tốc độ thỏa đáng:
