Thế năng là gì, công thức tính thế năng trong vật lý

Thế năng là gì? Năng lượng tiềm năng và động năng là hai thuật ngữ thường được sử dụng trong vật lý đại diện cho khả năng của một vật thể để thực hiện công việc. Hiện nay, có hai loại thế năng là thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường và chúng ta sẽ tìm hiểu chúng ngay sau đây.

1. Thế năng là gì?

Thế năng là một khái niệm trong vật lý. Nó đại diện cho khả năng sinh công của một đối tượng để thực hiện công việc và nó tồn tại ở dạng năng lượng. Trong vật lý, thế năng được gọi là “potential energy” và có thể hiểu là năng lượng tiềm ẩn. Thế năng của một vật thể được xác định bởi vị trí của nó so với các vật thể khác, các lực bên trong như lực nén, điện tích hoặc các yếu tố khác.

Có ba dạng thế năng phổ biến gồm thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi trong lò xo và thế năng điện trường trong điện trường. Ba dạng năng lượng tiềm năng này đều được đo bằng đơn vị năng lượng Hệ đơn vị quốc tế (SI), Joule (J).

2. Thế năng đàn hồi là gì?

Khi một vật thể bị biến dạng do bất kỳ ảnh hưởng nào, nó có khả năng tạo ra năng lượng. Năng lượng này thường được gọi là thế năng đàn hồi. Để tính thế năng đàn hồi, trước hết người ta phải tính công do lực đàn hồi thực hiện.

Xét một lò xo có chiều dài I0 và có độ cứng k, gồm một đầu cố định và một đầu gắn vật. Kéo một đoạn có chiều dài ΔI cố định thì lực đàn hồi trực tiếp xuất hiện ở lò xo, tác dụng lên vật. Chiều dài của lò xo sau khi kéo được tính là I = I0 ΔI và lực đàn hồi tác dụng lên vật tuân theo định luật Hooke:

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

Công thức tính lực đàn hồi gíup 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 thế năng đàn hồi:

Wđh = 0.5.k.x 2

Với:

• Wđh: Thế năng đàn hồi, được tính theo đơn vị J – Jun
• k: độ cứng lò xo (N.m)
• x: Độ biến dạng lò xo ( đơn vị m)

3. Thế năng trọng trường là gì?

3.1 Trọng trường

Xung quanh Trái Đất luôn tồn tại trọng trường do gia tốc trọng trường hay biểu hiện của nó là trọng lực. Biểu hiện rõ ràng là một vật khối lượng m đều có trọng trường được đặt tại vị trí bất kỳ trong khoảng không gian trong vùng trọng trường trái đất.

Công thức của trọng lực trong một vật có khối lượng m là:

Trong một không gian giới hạn, nếu gia tốc trọng trường tại mọi điểm đều song song, thẳng hàng và có độ lớn bằng nhau thì không gian coi như đều trong trường hấp dẫn

3.2 Thế năng trọng trường 

Thế năng của một vật thể phụ thuộc vào độ cao của nó so với mặt đất hoặc bất kỳ điểm tham chiếu đã chọn nào khác, được gọi là thế năng hấp dẫn. Điều này cũng có thể được gọi là lực hấp dẫn hấp dẫn. Ví dụ, một viên đạn đang bay hoặc một quả xoài chín treo trên cây.

Nói một cách đơn giản, thế năng hấp dẫn là dạng năng lượng tương tác giữa Trái đất và một vật thể, và phụ thuộc vào vị trí của vật thể đó trong trường hấp dẫn. Nếu lấy thế năng của vật ở mặt đất có khối lượng m và độ cao của vật là z so với trọng trường của Trái đất thì công thức tính thế năng trọng trường là:

Wt= m.g.z

Trong đó:

• Wt: Thế năng của vật tại vị trí z, đơn vị đo là Jun (J)
• m: Là khối lượng của vật (kg)
• z: Là độ cao của vật so với mặt đất

Đặc điểm nổi bật của thế năng hấp dẫn là nó là một đại lượng vô hướng có thể dương hoặc âm với giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến vô cùng. Sự thay đổi thế năng và công do trọng lực thực hiện khi một vật chuyển động từ vị trí A đến B. Công do trọng lực tác dụng lên vật được tính bằng hiệu giữa thế năng trọng trường giữa hai vị trí. Công thức là: W = Wt (ở A) – Wt (ở B)

Trong trường hợp một vật rơi do chịu tác dụng của lực hấp dẫn, nó sẽ gây ra sự giảm thế năng trọng trường và chuyển hóa thành công để vật rơi tự do. Mặt khác, khi một vật được ném lên cao từ một thế năng hấp dẫn nhất định, nó sẽ chuyển hóa công thực hiện thành thế năng, đồng thời phản lại trọng lực cho đến khi trọng lực làm vật rơi tự do.