Động năng: định nghĩa, các loại và mối quan hệ với công việc

Chắc chắn bạn đã từng học ở viện động năng trong môn vật lý. Nếu không, có lẽ bạn đã từng nghe nó trong một số nghiên cứu khoa học hoặc trên các phương tiện truyền thông. Và nó là năng lượng quan trọng để nghiên cứu chuyển động của các vật thể. Tuy nhiên, nhiều người vẫn chưa rõ động năng thực sự đòi hỏi điều gì, nó hoạt động như thế nào và nó được đo như thế nào.

Trong bài viết này chúng tôi sẽ cung cấp một hướng dẫn đầy đủ về động năng, đi sâu vào định nghĩa, cách sử dụng, loại và cách tính động năng. Ngoài ra, chúng tôi sẽ cung cấp các ví dụ hữu ích và ôn lại các khái niệm liên quan đến các loại năng lượng khác, để bạn hiểu đầy đủ tầm quan trọng của động năng trong vật lý và cuộc sống hàng ngày.

Bạn có muốn biết mọi thứ về động năng? Bạn chỉ cần tiếp tục đọc để tìm hiểu 

Định nghĩa của kinetic là gì?

Khi nói về động năng, một số người cho rằng nó đề cập đến một loại năng lượng nào đó được sử dụng để tạo ra điện hoặc một nguồn tài nguyên tương tự. Tuy nhiên, động năng chỉ đơn giản là năng lượng mà vật có được do nó chuyển động. Nói một cách đơn giản, chúng ta có thể nói rằng bất kỳ vật nào chuyển động đều có động năng.

Để một vật đang đứng yên bắt đầu chuyển động thì cần phải tác dụng một lực vào nó. Khi lực đó được tác dụng, vật sẽ vượt qua lực cản (chẳng hạn như ma sát mặt đất hoặc không khí) và bắt đầu chuyển động. Trong quá trình này, năng lượng liên quan đến vật chuyển động được chúng ta gọi là động năng.

Do đó, Động năng phụ thuộc vào hai yếu tố chính: khối lượng của vật và tốc độ của nó. Khối lượng và tốc độ càng lớn thì vật sẽ có động năng càng lớn. Việc tăng tốc độ sẽ gây ra sự tăng năng lượng đáng kể, vì năng lượng phụ thuộc vào tốc độ theo phương trình bậc hai.

Năng lượng này có thể được truyền từ vật này sang vật khác. Ví dụ, trong trường hợp va chạm, một phần động năng của vật va chạm được truyền sang vật bị va chạm.

Mối liên hệ giữa động năng và công

Động năng có liên quan chặt chẽ với khái niệm công trong vật lý. Anh ta làm việc được thực hiện trên một vật thể để thay đổi tốc độ của nó là cái mang lại cho nó động năng. Công này được định nghĩa là tích của lực tác dụng lên vật và quãng đường nó di chuyển do lực đó.

Phương trình công việc là:

W = F · d · cos(θ)

Đây, W công việc đã hoàn thành chưa, F là độ lớn của lực tác dụng, d là quãng đường đi được và θ là góc giữa lực và chuyển vị.

Chúng ta có thể coi động năng là công cần thiết để đưa một vật từ trạng thái đứng yên đến tốc độ hiện tại của nó.

Các dạng động năng

Có hai loại động năng chính, tùy thuộc vào loại chuyển động mà vật mô tả:

• Động năng tịnh tiến: Xảy ra khi một vật chuyển động dọc theo một đường thẳng. Ví dụ, khi một ô tô chuyển động trên đường thẳng, nó có động năng tịnh tiến.
• Động năng quay: Xuất hiện khi một vật đang quay quanh trục của chính nó. Ví dụ rõ ràng nhất là bánh xe đang quay hoặc cánh quạt đang chuyển động.

Ngoài những loại này, động năng còn có thể biểu hiện ở những cấp độ khác. Ví dụ, ở cấp độ vi mô, sự chuyển động của các nguyên tử trong chất rắn tạo ra một động năng nhiệt, nguyên nhân gây ra nhiệt. Các electron chuyển động trong mạch điện cũng tạo ra động năng điện.

Động năng được tính như thế nào?

Tính động năng của một vật tương đối đơn giản nếu bạn biết khối lượng và tốc độ của nó. Công thức tổng quát của Động năng được cho bởi:

Để hiểu rõ hơn phương trình này, sẽ rất hữu ích khi giải thích các thuật ngữ:

• E_c: Biểu thị động năng, được đo bằng joules (J).
• m: là khối lượng của vật, tính bằng kilôgam (kg).
• v: Tương ứng với tốc độ của vật thể, được đo bằng mét trên giây (m/s).

Như bạn có thể thấy, động năng tỷ lệ thuận với khối lượng, nhưng phụ thuộc vào bình phương tốc độ, nghĩa là tốc độ của một vật tăng gấp đôi thì động năng của nó tăng gấp bốn lần.

Hơn nữa, động năng của một vật luôn có thể dương hoặc ít nhất bằng 0 nếu vật đứng yên.

Gia tốc và ma sát trong động năng

động năng Nó không tự hoạt động trong vũ trụ. Nó thường bị ảnh hưởng bởi các lực lượng khác, chủ yếu là lực ma sát và khả năng tăng tốc.

Khi chúng ta tác dụng một lực lên một vật, nó bắt đầu tăng tốc. Khi tốc độ của bạn tăng lên, động năng của bạn cũng tăng theo. Tuy nhiên, nếu chúng ta ngừng tác dụng lực thì các yếu tố khác như ma sát không khí hoặc tiếp xúc với mặt đất sẽ bắt đầu làm vật giảm tốc. Quá trình này làm giảm động năng của nó cho đến khi vật thể dừng lại.

Vì lý do này, kiến ​​thức về lực ma sát là cần thiết để hiểu được hành vi của một vật chuyển động. Ví dụ, khi lái ô tô, động năng của bánh xe liên tục tương tác với mặt đất, điều này quyết định lượng công suất cần thiết để giữ cho ô tô chuyển động.

Công thức động năng: ứng dụng trong cơ học cổ điển và cơ học tương đối tính

Trong cơ học cổ điển, tốc độ liên quan thấp hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Trong trường hợp này, công thức E_c = ½ mv² Nó hoàn toàn có giá trị để tính động năng của một vật.

Tuy nhiên, trong cơ học tương đối, cần phải tính đến ảnh hưởng của Thuyết tương đối đặc biệt của Einstein, khi vật chuyển động với tốc độ gần ánh sáng. Trong tình huống này, dạng cổ điển của công thức không chính xác và một phiên bản phức tạp hơn bắt nguồn từ phương trình nổi tiếng của Einstein được sử dụng. E = m².

Ví dụ về động năng

• Một quả bóng được ném: Khi bạn ném một quả bóng, bạn truyền cho nó động năng. Lượng năng lượng phụ thuộc vào tốc độ của quả bóng và khối lượng của nó.
• Một ô tô đang chuyển động: Một ô tô đang chuyển động có động năng phụ thuộc vào khối lượng và tốc độ của nó. Khi phanh xe, động năng bị tiêu tán chủ yếu do ma sát của phanh và lốp với mặt đất.
• Tàu lượn siêu tốc: Khi đi tàu lượn siêu tốc, ô tô tích trữ thế năng, năng lượng này được chuyển thành động năng khi ô tô di chuyển xuống dốc.
• đá rơi: Một vật rơi từ một độ cao nhất định sẽ thu được động năng khi tăng tốc. Loại chuyển động tích lũy này được sử dụng trong nhiều thí nghiệm vật lý và các ví dụ thực tế.

Động năng đóng một vai trò quan trọng trong vô số tình huống hàng ngày và là nền tảng để hiểu cách các vật chuyển động tương tác trong thế giới của chúng ta. Từ chuyển động đơn giản nhất của một quả bóng đến nghiên cứu về electron trong vật lý lượng tử, mọi thứ đều được kết nối bởi các định luật chi phối dạng năng lượng này.