Năng lượng thế
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ | thế năng |
| gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ | Thế năng hấp dẫn |
| elastic potential energy/ɪˈlæstɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ | Thế năng đàn hồi |
| conservative force/kənˈsɜːvətɪv fɔːs/ | Lực bảo toàn |
| stable equilibrium/ˈsteɪbl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | Cân bằng ổn định |
| unstable equilibrium/ʌnˈsteɪbl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | Cân bằng không ổn định |
Năng lượng đang chờ phát huy tác dụng
- Nhấc một cuốn sách lên kệ và nó chỉ ngồi đó -- nhưng giờ đây nó chứa đựng năng lượng ẩn.
- Đẩy nhẹ nó rơi xuống và năng lượng lưu trữ đó sẽ trở thành chuyển động khi nó rơi.
- Năng lượng gắn liền với vị trí gọi là thế năng.
- Nó là pin có thể sạc lại của tự nhiên.
Thế năng
- Thế năng là năng lượng được lưu trữ trong cấu trúc sắp xếp của một hệ thống, chứ không phải chuyển động của nó.
- Nó chỉ phụ thuộc vào nơi các vật thể nằm.
- Hai loại phổ biến làm nền tảng cho hầu hết cơ học.
Trọng lực và đàn hồi
- Thế năng trọng lực gần mặt đất: $U_g = mgy$ -- nâng cao hơn, lưu trữ nhiều hơn.
- Thế năng đàn hồi trong lò xo: $U_s = \tfrac{1}{2}kx^2$ -- kéo dãn nhiều hơn, lưu trữ nhiều hơn.
- Thả ra, cả hai đều chuyển hóa thành động năng.
Nâng một cuốn sách khối lượng $2\ \text{kg}$ lên độ cao $1.5\ \text{m}$ ($g = 9.8$). Thế năng hấp dẫn được tích trữ là bao nhiêu (tính bằng J)?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$U_g = mgy = 2 \times 9.8 \times 1.5 = 29.4\ \text{J}$.
Một lò xo ($k = 200\ \tfrac{\text{N}}{\text{m}}$) bị nén $0.10\ \text{m}$. Thế năng đàn hồi được tích trữ (đơn vị J)?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$U_s = \tfrac{1}{2}kx^2 = \tfrac{1}{2}(200)(0.10)^2 = 1\ \text{J}$.
Chọn tất cả các dạng thế năng đã được đề cập ở đây.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Hấp dẫn và đàn hồi là năng lượng của lực bảo toàn. Không có thế năng ma sát.
Lực là độ dốc của năng lượng
- Một lực bảo toàn (trọng lực, lò xo) là độ dốc âm của thế năng của nó:
- Đồi năng lượng dốc → lực mạnh. Phẳng → không có lực.
- Điều này biến đồ thị năng lượng thành bản đồ lực.
Thế năng hấp dẫn
Gần bề mặt, thế năng hấp dẫn tỷ lệ thuận với độ cao.
Lực ma sát cũng có thế năng đi kèm, tương tự như trọng lực.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Chỉ có các lực bảo toàn mới có thế năng. Ma sát làm tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt -- nó không thể được tích trữ.
Một lực bảo toàn bằng ____ độ dốc của thế năng tương ứng, $F_x = -dU/dx$.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$F_x = -dU/dx$ -- lực hướng "xuống dốc" trên đồ thị năng lượng.
Đọc đồ thị thế năng
- Trên đồ thị $U$-theo-vị trí, các thung lũng là điểm cân bằng ổn định (đẩy nhẹ sẽ đưa nó về vị trí cũ).
- Đỉnh đồi là cân bằng không ổn định (đẩy nhẹ sẽ đẩy nó ra xa).
- Một vật thể tăng tốc khi lăn xuống đồi trên đồ thị và giảm tốc khi đi lên.
Trên đồ thị thế năng, một thung lũng (cực tiểu cục bộ) là điểm...
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Tại một thung lũng, một đẩy nhẹ sẽ đưa vật trở về vị trí cũ -- cân bằng ổn định. Đỉnh đồi thì không ổn định.
Đối với lò xo, $U_s = \tfrac{1}{2}kx^2$.
- Lực là $F_x = -\dfrac{dU}{dx} = -kx$ -- định luật Hooke xuất hiện trực tiếp từ đạo hàm.
- Đồ thị của $U_s$ là một parabol có điểm cực tiểu tại $x = 0$ -- một cân bằng ổn định.
Chỉ có lực bảo toàn mới có thế năng. Ma sát thì không -- năng lượng mà nó loại bỏ chuyển sang nhiệt và không thể "lưu trữ" hay thu hồi. Vì vậy không có "thế năng ma sát."
Thế năng được lưu trữ bởi vị trí: trọng lực $U_g = mgy$ và đàn hồi $U_s = \tfrac{1}{2}kx^2$. Một lực bảo toàn là độ dốc âm của năng lượng, $F_x = -dU/dx$. Trên đồ thị $U$, các thung lũng là cân bằng ổn định, đỉnh đồi là không ổn định.