Thế năng là gì? Thế năng hấp dẫn là gì? Công thức tính thế năng hấp dẫn

Thế năng là gì? Thế năng là một đại lượng phổ biến trong vật lý, thể hiện khả năng sinh công của vật. Về thế năng, hiện nay có hai dạng thế năng phổ biến nhất là thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường (hay còn gọi là thế năng hấp dẫn). Trang tài liệu sẽ cùng các bạn tìm hiểu qua bài viết sau đây.

Thế năng là gì?

Khái niệm: Thế năng là một đại lượng trong môn vật lý, tiếng anh là “potential energy” hiểu đơn giản là một dạng năng lượng tiềm tạng do lực nén bên trong bản thân, điện tích hoặc từ các yếu tố khác, có được do tính tượng đối giữa vị trí của nó và vị trí của vật khác. Thế năng thể hiện cho khả năng sinh công của một vật thể và tồn tại dưới dạng một loại năng lượng.

Phân loại thế năng phổ biến:

– Thế năng hấp dẫn: sinh ra khi một vật chịu tác dụng của lực hấp dẫn của trái đất, phụ thuộc vào khối lượng với khoảng cách một vật khác.

– Thế năng đàn hồi lò xo: sinh ra khi một vật biến dạng do tác động của lực đàn hồi.

– Thế năng của điện tích trong một điện trường.

Đơn vị của thế năng: Do bản chất là một loại năng lượng nên đơn vị của thể năng trong hệ đo lường quốc tế (SI) là Jun, có ký hiệu là J.

Thế năng hấp dẫn là gì?

Thế năng hấp dẫn là cơ năng của một vật thể phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất hoặc vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao.

Ví dụ điển hình của thế năng hấp dẫn là viên đạn bay theo chiều ngang sẽ có độ cao giảm dần và thế năng hấp dẫn do đó cũng giảm đần.

Đặc điểm của thế năng hấp dẫn

Thế năng hấp dẫn là một đại lượng vô hướng, với giá trị có thể dương hoặc âm.

Sự biến thiên thế năng và công của trọng lực chính là khi một vật bắt đầu di chuyển từ vị trí A cho đến B. Công của trọng lực của vật sẽ được tính bằng hiệu thế năng của trọng lực tại 2 vị trí với công thức:

W(AB)  = Wt (A) – Wt (B)

Trong trường hợp vật rơi tự do thì sẽ xuất hiện hiện tượng thế năng bị giảm và chuyển thành công để vật rơi tự do. Trường hợp vật được ném lên từ mốc thế năng cũng sẽ giúp lực ném chuyển thành công để cản trở trọng lực đến khi trọng lực triệt tiêu lực ném đó (cân bằng với nó) sẽ tác dụng khiến vật rơi tự do.

Thế năng đàn hồi là gì?

Khi một vật thể biến dạng do tác động nào đó, nó có khả năng sinh công. Đây là năng lượng được gọi chung là thế năng đàn hồi. Để tính được thế năng đàn hồi trước hết phải tính được công của lực đàn hồi.

Xét một lò xo chiều I0 có độ cứng đàn hồi đo bằng k. Gồm một đầu cố định và một đầu gắn vào vật, kéo một đoạn cố định có chiều dài ΔI. Khi đó lực đàn hồi xuất hiện trực tiếp vào lò xo tác dụng lên vật. Chiều dài của lò xo sau khi kéo được tính là I = I0 + ΔI, lực đàn hồi tác dụng vào vật tuân theo định luật là:

Nếu chiều dương là chiều tăng của lò của chiều dài lò xo thì lực sẽ là:

Công thức tính lực đàn hồi giúp đưa vật trở về vị trí của lò xo không biến dạng là:

Sau khi tính toán được lực đàn hồi, ta có thể áp dụng công thức sau để tính thế năng lực đàn hồi của lò xo.

Công thức tính thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi

Công thức tính thế năng hấp dẫn

Hiểu một cách đơn giản nhất thì thế năng hấp dẫn là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật, phụ thuộc vào vị trí của vật ở trong trọng trường. Nếu chọn thế năng của vật tại mặt đất có khối lượng là m, độ cao của vị trí tương ứng so với lực hấp dẫn trái đất là h, thì ta biểu diễn công thức tính thế năng hấp dẫn như sau:

Wt = m.g.h

Trong đó:

• Wt là thế năng của vật tại vị trí có độ cao h, đơn vị đo là Jun (J)
• m là khối lượng của vật, đơn vị đo là kilogram (kg)
• h là độ cao của vật so với mặt đất, đơn vị đo là mét (m)

Công thức tính thế năng đàn hồi

Để tính được thế năng đàn hồi trước hết ta phải tính được công của lực đàn hồi (F đh)

Xét một lò xo có chiều dài lo với độ cứng đàn hồi được tính bằng một hằng số k. Một đầu cố định, một đầu gắn vào vật. Tiến hành kéo một đoạn cố định là x. Khi đó lực đàn hồi xuất hiện và tác động trực tiếp lên lò xo và vật. Độ dài của lo xo khi đó được tính là l = lo + x.

Nếu chọn chiều dương là chiều tăng độ dài của lò xo thì Lực đàn hồi sẽ tác dụng vào vật theo hướng ngược lại. Khi đó, theo định luật Húc, độ lớn của lực đàn hồi tác dụng lên vật khi đó sẽ là:

F = – k . x

Công thức tính lực đàn hồi đưa vật trở về vị trí của lò xo không biến dạng là:

A = 1/2 . k . x^2

Khi tính toán được lực đàn hồi, mọi người có thể áp dụng công thức sau để tính thế năng của lực đàn hồi của lò xo. Công thức thế năng đàn hồi:

Wđh = 1/2 . k . x^2

Trong đó:

• Wđh là thế năng đàn hồi, đơn vị là Jun (J)
• k là độ cứng của lò xo, đơn vị là Newton-mét (N.m)
• x là độ biến dạng của lo xo, đơn vị là mét (m)