PHCN Online – SINH CƠ HỌC. CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG

Bởi
Cập nhật lần cuối vào 07/11/2021

CÔNG

Định nghĩa :

Thuật ngữ công thường được sử dụng lỏng lẻo trong ngôn từ thường ngày để chỉ sự nỗ lực hoặc gắng sức bỏ ra để thực thi một việc làm nào đó .

Tuy nhiên, trong vật lý, công dùng để chỉ vận động của một vật thông qua tác động một lực.

Do đó, công cơ học (W) được thực hiện bởi một lực được định nghĩa là tích của lực tác dụng lên vật (F) và hình chiếu của độ dời của vật theo hướng của lực (d):

Công cơ học = lực * hình chiếu độ dời theo hướng của lực .
W = F. d
Nếu độ dời tạo với phương của lực một góc α, độ dời có độ lớn là s, thì d = s.cos α

Đơn vị của công là Joule (J), 1 Joule  = 1 Nx 1m

Tác dụng của công thường hoàn toàn có thể thấy là đổi khác vị trí của một vật, hoặc làm biến dạng vật hoặc làm tăng tốc độ của vật .

Ví dụ :

Một người người trẻ tuổi đang tập đẩy tạ 60 kg ở tư thế nằm từ ngực đến vị trí giữ cao cách ngực 40 cm ( Hình 6-7 ). Công triển khai là bao nhiêu. Công đã mất đi đâu ?
6.7Hình. Ví dụ về công

Giải

Công được thực thi được tính theo công thức W = F * d
Lực tính năng lên tạ bằng với trọng tải của quả tạ ( nếu tạ được đẩy từ từ, không tăng cường )
F = 60 * g ( N ) với g = 9,81
Độ dời của lực là khoảng cách bàn tay cầm tạ chuyển dời ( 40 cm ) tức 0,4 m .

Công được thực hiện là W = (60* g)* 0,4 = 233.4 Joules.

Công đã mất vào trong động tác nâng tạ chống lại trọng tải .
Một điểm chú ý quan tâm từ định nghĩa là nếu một lực tác động ảnh hưởng lên vật nhưng không chuyển dời vật, nghĩa là không chuyển dời điểm tác động ảnh hưởng của nó, thì không tạo ra công. Do đó, nếu người người trẻ tuổi cố nâng tạ nhưng không được ví dụ vì tạ quá nặng, thì không triển khai công mặc dầu đã gắng sức. Các cơ của anh ta dù co và gắng sức nhưng không vận động và di chuyển được tạ, do đó nhìn từ góc nhìn quả tạ thì không có công nào đã được thực thi lên nó .

Công dương và công âm

Công được triển khai hoàn toàn có thể được phân loại là công dương hoặc công âm, phụ thuộc vào vào lực chuyển dời theo hướng hoạt động của vật hoặc theo hướng ngược lại. Trong động tác nâng tạ ở trên, công là dương vì lực hướng lên cùng hướng chuyển dời của tạ. Trong động tác hạ tạ, công là âm vì lực hướng lên ngược chiều chuyển dời đi xuống của tạ. Điều này có nghĩa là khi tạ đang được hạ xuống, quả tạ đang triển khai công lên người, không như khi nó được nâng lên ( người tính năng công lên tạ ). Công âm này mất đi đâu ? Thường nó phân tán thành nhiệt trong cơ và biến mất .

CÔNG SUẤT

Định nghĩa

Công suất (P) là thuật ngữ được mô tả tốc độ (thời gian) công được thực hiện. Ví dụ, nâng tạ chậm khác với nâng tạ nhanh, cho dù kết quả cuối cùng về chiều cao được nâng là như nhau. Một người đạp xe đạp lên dốc nhanh và chậm thì kết quả như nhau nhưng đạp lên dốc nhanh đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn. Sự khác nhau là do công suất tạo ra khác nhau. Công suất là đại lượng có giá trị bằng thương giữa công W và thời gian t cần để thực hiện công ấy.

P. = W / t .
Đơn vị hiệu suất là oát ( W ), 1W = 1 J / 1 s .
Mã lực ( CV ) : 1 mã lực = 736 W
Có thể trình diễn phương trình hiệu suất dưới dạng khác như sau :
Vì W = Fd, nên P = Fd / t
Với d / t = v, do đó P = F * v

Phương trình này rất hữu ích trong nhiều phương pháp sinh cơ học để tính lực hoặc vận tốc.

Ví dụ :

Một người đạp xe đạp điện lên đồi cao được một quãng 50 m trong 3 phút 45 giây. Nếu tổng khối lượng của người đạp và chiếc xe là 100 kg, hiệu suất tạo ra là bao nhiêu ?
6.8Hình: Ví dụ về công suấtGiải :

  • Công suất được tính bằng phương trình P = W/t
  • Công leo lên đồi là W = Fd = (100g)*(50) = 49,050 J
  • Thời gian hoàn thành là  225 s
  • Do đó công suất  P = 49,050/225 = 218 Watt

NĂNG LƯỢNG

Định nghĩa :

Năng lượng (E) được định nghĩa là khả năng làm việc hoặc thực hiện hoạt động nào đó.

Đơn vị năng lượng là Joules, (tương tự như công, do đó có mối quan hệ giữa năng lượng và công). Nếu công được thực hiện lên vật, vật nhận năng lượng. Nếu vật thực hiện công, nó mất năng lượng.

Các dạng năng lượng và ví dụ

Có nhiều dạng năng lượng, gồm có năng lượng hóa học làm cho cơ co, nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể, … trong đó có hai dạng năng lượng cơ học quan trọng với sinh cơ học, đó là thế năng tương quan đến năng lượng do vị trí hoặc độ biến dạng, và động năng tương quan đến năng lượng hoạt động .

Thế năng

Thế năng là năng lượng mà vật có được do vị trí hoặc hình dạng của nó. Có hai dạng thế năng, thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi.

Thế năng trọng trường (Et ) là năng lượng được dự trữ do vị trí trong một trường trọng lực. Nếu vật ở độ cao (h) trên mặt đất thì thế năng trọng trường của nó được tính bằng công thức

Et = m. g. h
Trong ví dụ 1, quả tạ được nâng lên 0,4 m từ vị trí nghỉ của nó và giờ đây nó có một năng lượng là m. g. h = 60. g. 0,4 = 235,4 J lớn hơn vị trí lúc nghỉ của nó .
Khi một vật trên quả đất đổi khác vị trí ( độ cao ) từ vị trí 1 sang vị trí 2 thì công của trọng tải sẽ là : W12 = Et1 – Et2
Công của trọng tải bằng hiệu thế năng của vật tại vị trí đầu và vị trí cuối, tức bằng độ giảm thế năng của vật .

Dạng thế năng thứ hai là thế năng đàn hồi (Edh),  là loại năng lượng được dự trữ hoặc phát ra do biến dạng của một vật liệu. Năng lượng này phụ thuộc vào mức độ biến dạng (Δx) và độ cứng (k) của vật liệu bị biến dạng và được tính theo công thức

Edh = ½ kΔx2
Độ cứng ( hay độ đàn hồi ) là một đặc tính cơ học của một vật tư và được xác lập bởi kích cỡ, thành phần, và cấu trúc của vật tư. Nếu làm biến dạng một vật ( lò xo ví dụ điển hình ) từ vị trí 1 đến vị trí 2, thì công tạo ra là :

W12 = Edh1-Edh2

Công của lực đàn hồi bằng độ giảm thế năng đàn hồi

Động năng

Một vật khi hoạt động hoàn toàn có thể sinh công, tức là nó đã có một năng lượng. Năng lượng này được gọi là động năng. Đơn vị của động năng cũng là đơn vị chức năng của công ( J ). Động năng là một đại lượng vô hướng và luôn luôn dương .
Động năng cũng có hai dạng tương quan đến tốc độ thẳng và tốc độ góc của vật. Dạng tiên phong là động năng thẳng ( tuyến tính ) được xác lập bởi tốc độ thẳng ( v ) và khối lượng ( m ) của một vật. Phương trình tính động năng thẳng ( Eđnt ) là :
Eđnt = ½mv2
Động năng thẳng màn biểu diễn công phải thực thi để một vật chuyển dời và do đó phản ánh năng lượng được dự trữ bên trong vật do hoạt động của nó. Qua phương trình ta thấy để tăng được tốc độ gấp đôi cần phải sử dụng năng lượng gấp 4 lần ( xem ví dụ ) .
Một yếu tố khác cần quan tâm là một vật có động năng thẳng nào đó muốn ngừng lại cần phải tiêu tán năng lượng đó đi ( nghĩa là động năng thẳng cần giảm xuống zero ). Để triển khai điều này tất cả chúng ta sử dụng những kỹ thuật đặc biệt quan trọng, ví dụ điển hình khi chạy tất cả chúng ta ngừng hoạt động về phía trước của mình bằng duỗi thẳng một chân ; khi hạ người xuống ( nhảy cao ), tất cả chúng ta co cơ duỗi cổ chân, háng và gối ; khi bắt bóng tất cả chúng ta duỗi tay ra để bắt bóng và sau đó đưa bóng vào khung hình để hấp thụ năng lượng. Tất cả những hoạt động giải trí này nhằm mục đích giảm năng lượng một cách có trấn áp. Thường thì năng lượng hóa học của cơ bị tiêu thụ để triển khai những hoạt động giải trí này, do đó năng lượng hóa học của cơ cần cả để tăng và giảm động năng. Do đó những hoạt động cần biến hóa tốc độ liên tục ( như đánh cầu lông ) cũng cần mức tiêu thụ năng lượng hóa học cao. Phương trình động năng cũng chứng tỏ rằng động năng thẳng liên hệ đến khối lượng vật thể và do đó trong những ví dụ này người nặng hơn sẽ khó ngừng lại hơn ( ít linh động hơn ) .

Ví dụ:

Hãy tính tốc độ của một vận động viên chạy nước rút trong 5 nhịp chạy tiên phong và sự đổi khác tốc độ mỗi nhịp chạy nếu năng lượng mỗi lần đạp chân là 200 J và khối lượng của người đó là 75 kg .
6.9Hình: Ví dụ về động năng thẳngGiải
Động năng thẳng của vận động viên là Eđnt = ½ m. v2 do đó tốc độ của vận động viên là
Kết quả tốc độ và biến hóa tốc độ được trình diễn ở bảng sau :

Nhịp chạy Năng lượng(J) Vận tốc (m/s) Thay đổi vận tốc (m/s)
0 0 0 –
1 200 2.31 2.31
2 400 3.27 0.96
3 600 4.00 0.73
4 800 4.62 0.62
5 1000 3.16 0.54

Nhận xét : Sự đổi khác tốc độ lớn nhất là ở nhịp chạy tiên phong. Mặc dù năng lượng mỗi nhịp chạy là như nhau, hiệu suất cao ( biểu lộ ở đổi khác vận tốc ) giảm khi vận tốc tăng .

Dạng động năng thứ hai được gọi là động năng xoay (hoặc góc) (Eđnx) và được xác định bằng vận tốc góc (ω) và moment quán tính (I) của một vật theo phương trình:

Eđnx = ½ I. ω2
Hầu hết những hoạt động giải trí của khung hình tương quan đến hoạt động xoay của những chi quanh những khớp và do đó trong những hoạt động giải trí này năng lượng được chứa trong những hoạt động xoay này. Khi khớp gấp và duỗi ( ví dụ khớp gối ), cẳng chân chuyển dời ra trước và ra sau, biến hóa hướng trong mỗi chu kỳ luân hồi. Năng lượng hoá học của cơ cần để tăng tốc độ góc của chi, nhưng cũng để làm chậm lại và đổi khác hướng. Do đó, những hoạt động giải trí yên cầu hoạt động chi nhiều yên cầu mức tiêu thụ năng lượng hóa học cao .

MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG

Như ta thấy công và năng lượng có tương quan mật thiết với nhau và có cùng đơn vị chức năng Joules. Năng lượng hoàn toàn có thể được dự trữ nhưng công thì không. Về thực chất công là quy trình đổi khác năng lượng từ dạng này sang một dạng khác và do đó xác lập mối quan hệ giữa công và năng lượng. Quan hệ cơ bản là công được thực thi ( W ) bằng với biến hóa năng lượng ( ΔE ) và được tính bằng công thức :
W = ΔE = E cuối – E đầu
Trong ví dụ động năng ở trên, năng lượng biến hóa giữa những bước chạy là 200 J là do công được triển khai khi nhảy mỗi bước .
Hãy xét một ví dụ khác
Một vận động viên nhảy cao có khối lượng 70 kg ảnh hưởng tác động một lực trung bình 2000N trong một quãng đường 0.4 m. Hãy tính vận tốc của vận động viên vào lúc nhảy lên .
6.10Hình: Ví dụ mối liên hệ giữa công-năng lượng

Giải

Vận động viên nhảy cao có tốc độ thẳng đứng bằng zero ở điểm hạ người thấp nhất ( bắt đầu ) và tốc độ tối đa vào lúc nhảy lên ( cuối ) .
Công triển khai = đổi khác động năng

  • d = [1⁄2 m.v2]cuối – [1⁄2 m.v2]ban đầu
  • Vì động năng ban đầu = 0¸ ta có
  • d = [1⁄2 m.v2]cuối
  • 2000* 0,4 = 1⁄2* 70*v2
  • Do đó           v2 = 22.85

Kết quả : v = 4,78 m / s hay tốc độ của vận động viên vào lúc nhảy lên là 4,78 m / s .

ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ BẢO TOÀN CƠ NĂNG

Năng lượng không được tạo ra hoặc mất đi mà tổng năng lượng vẫn không đổi vì nó chuyển từ dạng này sang dạng khác. Định luật này là một trong những phát kiến lớn của khoa học và giúp ta hiểu về thế giới xung quanh.

Sự bảo toàn năng lượng cơ học là một dạng đặc biệt của định luật bảo toàn năng lượng có giá trị trong khoa học vận động và thể thao vì nó chỉ sử dụng dạng năng lượng cơ học. Sự bảo toàn này là sự biến đổi chỉ hai loại năng lượng: thế năng trọng trường và động năng thẳng và góc.

Ta có tổng năng lượng cơ học của vật ∑ E ( không đổi ) bằng tổng những loại năng lượng thành phần :
∑ E = Eđnt + Eđnx + Et = ½ mv2 + ½ I. ω2 + mgh
Dựa vào công thức này, ta hoàn toàn có thể tính được sự đổi khác năng lượng cơ học từ dạng này sang dạng khác .
Nói chung sự bảo toàn cơ năng hoàn toàn có thể vận dụng với những vật ở không trung khi mà sức cản không khí hoàn toàn có thể bỏ lỡ. Nó không hề ứng dụng khi có sự mất mát năng lượng rõ ràng do ma sát hoặc sức cản khác .

Please leave this field empty

👋 Chào bạn!

Hãy nhập địa chỉ email của bạn để ĐK theo dõi blog này và nhận thông tin về những bài mới qua email mỗi tuần .
MinhdatRehab