Thế năng là gì? Công thức tính thế năng

Thế năng là gì? Công thức tính thế năng

     Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường gặp những hiện tượng liên quan đến năng lượng, như ánh sáng, âm thanh, nhiệt, điện,… Nhưng bạn có biết rằng năng lượng còn có nhiều dạng khác nhau, mà một trong số đó là thế năng? Thế năng là gì và thế năng có vai trò như thế nào trong vật lý và trong thực tiễn? Hãy cùng tìm hiểu qua bài viết này.

1. Thế năng là gì?

     Thế năng là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực vật lý, được biểu diễn bằng thuật ngữ tiếng Anh là "potential energy". Đơn giản, đây là một dạng năng lượng tiềm ẩn do lực nén bên trong một vật thể, điện tích, hoặc có thể từ các yếu tố khác, phát sinh từ sự tương tác vị trí của nó và vị trí của các vật khác. Thế năng là thước đo cho khả năng của một vật thể sinh ra công và tồn tại dưới dạng một dạng năng lượng cụ thể.

     Có một số loại phổ biến của thế năng:

     Thế năng hấp dẫn: Xuất hiện khi một vật thể trải qua tác động của lực hấp dẫn từ trái đất, phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách tới một vật khác.

     Thế năng đàn hồi của lò xo: Xuất hiện khi một vật thể biến dạng do tác động của lực đàn hồi.

     Thế năng của điện tích trong một điện trường.

     Đơn vị đo của thế năng là Joule, được biểu diễn bằng ký hiệu J, là một đơn vị trong Hệ thống đo lường quốc tế (SI).

2. Thế năng hấp dẫn hay thế năng trọng trường là gì?

2.1. Lực hấp dẫn hay trọng trường

     Đây là một hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực vật lý. Khi một vật thể nằm trong bầu khí quyển của Trái Đất, nó tương tác với lực hấp dẫn, còn được biết đến là lực hút Trái Đất hoặc trọng trường. Đây là biểu hiện của gia tốc rơi tự do của vật khi nó được thả tự do, và hướng của lực này luôn trỏ về tâm của Trái Đất, tức là vuông góc với bề mặt đất.

     Với một vật có khối lượng m, luôn tồn tại một lực hấp dẫn tại bất kỳ vị trí nào trong không gian nằm trong vùng trọng trường của Trái Đất. Công thức tính lực trọng trường trên một vật có khối lượng m được biểu diễn bằng công thức:

     P=mg

     Trong đó:
     g là gia tốc rơi tự do, còn được gọi là gia tốc trọng trường.
     m là khối lượng của vật.

     Trong một khoảng không gian hẹp, nếu gia tốc trọng trường tại một điểm nào đó có hướng và độ lớn đồng đều, ta nói rằng không gian đó trải qua trọng trường đều.

2.2. Thế năng hấp dẫn hoặc thế năng trọng trường

     Đây là một khái niệm quan trọng trong vật lý, mô tả cơ năng của một vật thể dựa trên độ cao của nó so với mặt đất hoặc một điểm tham chiếu khác được chọn.

     Một ví dụ minh họa cho thế năng hấp dẫn là khi một viên đạn di chuyển theo chiều ngang, độ cao của nó giảm dần, và do đó, thế năng hấp dẫn giảm theo đúng mức độ cao đó.

     Đặc điểm của thế năng hấp dẫn là một đại lượng vô hướng, có thể có giá trị dương hoặc âm.

     Biến thiên của thế năng và công của trọng lực liên quan đến việc vật thể di chuyển từ vị trí A đến vị trí B. Công của lực trọng lực được tính bằng sự biến thiên của thế năng trọng lực tại hai vị trí, theo công thức:

     W(AB)=Wt(A)−W t(B)

     Trong trường hợp vật rơi tự do, thế năng giảm và chuyển thành công khi vật di chuyển. Nếu vật được ném lên từ một mốc thế năng, lực ném thực hiện công để vật vượt qua trọng lực, và sau đó, khi trọng lực tiêu thụ công ném đó, vật sẽ rơi tự do.

3. Công thức tính thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi?

3.1. Công thức tính thế năng hấp dẫn

     Thế năng hấp dẫn là một dạng năng lượng tương tác giữa vật và Trái Đất, phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường. Nếu chúng ta lựa chọn thế năng của vật tại mặt đất có khối lượng là m và độ cao tương ứng là h, công thức tính thế năng hấp dẫn được biểu diễn như sau:

     Wt = m.g.h

     Trong đó:
     Wt là thế năng của vật tại vị trí có độ cao h, đơn vị là Joule (J).
     m là khối lượng của vật, đơn vị là kilogram (kg).
     g là gia tốc rơi tự do, đơn vị là mét trên giây bình phương (m/s²).
     h là độ cao của vật so với mặt đất, đơn vị là mét (m).

3.2. Công thức tính thế năng đàn hồi

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

     Xét một lò xo có chiều dài lo, với độ cứng đàn hồi được tính là một hằng số k. Một đầu được cố định và một đầu gắn vào vật. Ta 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 lúc đó sẽ được tính là l = lo + x.

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

     F = - k . x

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

     Wđh = 1/2 . k . x^2

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

     Qua bài viết, chúng ta đã hiểu được thế năng là gì? Đó một dạng năng lượng được giữ bởi một vật do vị trí của nó so với các vật khác, các lực nén bên trong bản thân, điện tích hoặc các yếu tố khác. Thế năng là một khái niệm quan trọng trong vật lý, giúp chúng ta giải thích và tính toán được nhiều hiện tượng trong tự nhiên và trong công nghệ. Để biết thêm nhiều thông tin hay và bổ ích, hãy liên hệ đến chúng tôi.

Liên hệ : 1900633720

Bài viết tham khảo:

Trọng lực là gì và công thức tính trọng lực

Tổng đài Karofi