Trong cơ học khái niệm động năng với các định luật liên quan đóng vai trò cốt lõi để hiểu được chuyển động với năng lượng của vật thể. Hai định luật quan trọng thường được nhắc đến là định luật biến thiên động năng với định luật bảo toàn động năng. Dù đều nói về sự thay đổi hay duy trì năng lượng trong quá trình chuyển động nhưng mỗi định luật lại mô tả một hoàn cảnh khác nhau. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ từng định luật, phân biệt rồi thì áp dụng chúng trong thực tế một cách dễ dàng chính xác.
Động năng là gì và tại sao lại quan trọng
Trước khi đi vào các định luật cần hiểu rõ động năng là gì. Động năng là dạng năng lượng mà một vật có được nhờ chuyển động. Vật càng nặng hoặc chuyển động càng nhanh thì động năng càng lớn. Trong vật lý động năng được coi là một phần của cơ năng có thể chuyển đổi qua lại với các dạng năng lượng khác như thế năng, nhiệt năng hay năng lượng điện.
Hiểu về động năng giúp ta lý giải nhiều hiện tượng như vì sao xe đang chạy lại cần phanh để dừng, vì sao cú đá mạnh làm quả bóng bay xa, vì sao tàu lượn trong công viên có thể lên xuống nhiều đỉnh mà không cần động cơ hỗ trợ liên tục.
Định luật biến thiên động năng mối liên hệ với công của lực
Định luật biến thiên động năng phát biểu rằng độ biến thiên động năng của một vật bằng công của hợp lực tác dụng lên vật đó. Nói cách khác, khi một lực hoặc nhiều lực tác động vào một vật, làm vật di chuyển, thì sự thay đổi về động năng của vật chính là kết quả của công mà lực đã thực hiện.
Nếu lực tác động theo hướng chuyển động của vật, công sẽ dương động năng tăng lên. Vật sẽ nhanh hơn, nhiều năng lượng hơn. Ngược lại, nếu lực chống lại hướng chuyển động, như phanh xe hoặc lực cản không khí, công sẽ âm động năng giảm. Vật chuyển động chậm lại hoặc dừng lại hoàn toàn.
Chính nguyên lý này được ứng dụng rất phổ biến trong giao thông, thể thao, máy móc, công trình xây dựng. Khi thiết kế đường dốc, người ta cần tính toán công của lực trọng trường tác động lên xe để đảm bảo an toàn. Khi huấn luyện vận động viên, các huấn luyện viên cũng phải hiểu rõ mức năng lượng cần thiết để đạt được một vận tốc hay khoảng cách nhất định.
Vai trò của định luật biến thiên động năng trong thực tế
Định luật này rất hữu ích khi cần tính vận tốc cuối của vật trong các bài toán thực tế. Ví dụ một vật trượt trên mặt phẳng nghiêng, một vật bị đẩy bằng một lực nhất định trên một quãng đường. Biết được lực tác động, khoảng cách di chuyển và khối lượng của vật, ta có thể tính được vận tốc cuối, ngược lại, có thể xác định lực cần thiết để đạt được tốc độ mong muốn.
Đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, các kỹ sư dùng định luật này để thiết kế máy móc có hiệu suất cao. Việc tính toán chính xác công của lực với sự biến đổi động năng giúp giảm tổn thất năng lượng, đồng thời cải thiện hiệu quả vận hành.
Định luật bảo toàn động năng cùng điều kiện áp dụng
Khác với định luật biến thiên, định luật bảo toàn động năng chỉ áp dụng trong trường hợp không có sự mất mát năng lượng do ma sát, lực cản hay biến dạng không đàn hồi. Khi đó, nếu chỉ có các lực bảo toàn như trọng lực hoặc lực đàn hồi tác động, thì tổng động năng của hệ không đổi theo thời gian.
Điều này nghĩa là động năng trước và sau một quá trình sẽ bằng nhau. Định luật này rất phù hợp để mô tả các va chạm đàn hồi, chuyển động dao động lý tưởng, các quá trình cơ học trong môi trường không có ma sát.
Ví dụ rõ ràng nhất là một quả bóng nảy trên sàn cứng mà không bị mất năng lượng. Tại thời điểm chạm sàn, toàn bộ động năng chuyển hóa thành thế năng đàn hồi, rồi lại trở lại thành động năng khi quả bóng bật lên. Nếu không có tổn thất do âm thanh hay nhiệt, thì năng lượng luôn được duy trì ở mức không đổi.
So sánh hai định luật khi nào nên sử dụng mỗi định luật
Dù cả hai định luật đều nói đến động năng, nhưng mục tiêu với điều kiện áp dụng của chúng rất khác nhau. Định luật biến thiên động năng mô tả sự thay đổi của động năng khi có công của lực tác động. Nó áp dụng cho mọi tình huống bao gồm cả khi có ma sát hoặc mất mát năng lượng.
Ngược lại, định luật bảo toàn động năng chỉ đúng trong hệ kín, không có ma sát chỉ có các lực bảo toàn tác động. Khiến nó bị giới hạn hơn nhưng lại rất mạnh mẽ trong việc giải quyết các bài toán lý tưởng hoặc mô hình hóa những tình huống gần như hoàn hảo trong vật lý học.
Trong học tập, sinh viên thường sử dụng định luật biến thiên để tính vận tốc hoặc gia tốc còn định luật bảo toàn động năng thường dùng để phân tích các va chạm hay chuyển động tuần hoàn không tiêu hao năng lượng.
Ứng dụng trong đời sống và khoa học kỹ thuật
Cả hai định luật đều có ứng dụng sâu rộng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong giao thông, định luật biến thiên giúp thiết kế hệ thống phanh an toàn. Trong thể thao, nó giúp phân tích hiệu quả của các động tác kỹ thuật. Trong xây dựng, nó được dùng để kiểm tra khả năng chịu lực của cầu, đường dốc hay hệ thống vận chuyển.
Còn định luật bảo toàn động năng thường được ứng dụng trong thiết kế hệ thống dao động như lò xo, con lắc, hệ thống hấp thụ chấn động. Trong nghiên cứu vũ trụ và thiên văn, các nhà khoa học cũng dựa vào nguyên lý bảo toàn động năng để mô phỏng quỹ đạo với va chạm giữa các thiên thể.
Hiểu được định luật biến thiên động năng với định luật bảo toàn động năng không chỉ giúp bạn vượt qua các bài kiểm tra vật lý còn mở ra khả năng lý giải nhiều hiện tượng trong đời sống kỹ thuật. Mỗi định luật đều có vị trí riêng cùng sức mạnh riêng nhưng điều quan trọng là phải biết sử dụng đúng hoàn cảnh hiểu rõ giới hạn của chúng.