NĂNG LƯỢNG TIỀM TÀNG: ĐẶC ĐIỂM, LOẠI, CÁCH TÍNH VÀ VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Thế năng là năng lượng mà các vật thể có cấu hình riêng của nó. Khi các vật thể tương tác, có các lực giữa chúng có khả năng thực hiện công việc và khả năng thực hiện công việc này, được lưu trữ trong sự sắp xếp của chúng, có thể được chuyển thành năng lượng.

Ví dụ, con người đã khai thác tiềm năng của các thác nước từ thời xa xưa, đầu tiên bằng các nhà máy kéo sợi và sau đó là các nhà máy thủy điện.

Thác Niagara: một hồ chứa năng lượng hấp dẫn khổng lồ. Nguồn: Pixabay.

Mặt khác, nhiều vật liệu có khả năng làm việc đáng chú ý bằng cách biến dạng và sau đó trở lại kích thước ban đầu. Và trong các trường hợp khác, sự sắp xếp của điện tích cho phép lưu trữ năng lượng tiềm tàng, chẳng hạn như trong một tụ điện.

Năng lượng tiềm tàng mang lại nhiều khả năng chuyển hóa thành các dạng năng lượng có thể sử dụng khác, do đó tầm quan trọng của việc biết các quy luật chi phối nó.

Nguồn gốc của thế năng

Thế năng của một vật có nguồn gốc từ các lực tác dụng lên nó. Tuy nhiên, thế năng là một đại lượng vô hướng, còn lực là vectơ. Vì vậy, để xác định thế năng, chỉ cần cho biết trị số của nó và các đơn vị đã chọn là đủ.

Một phẩm chất quan trọng khác là loại lực có thể tích trữ năng lượng tiềm tàng, vì không phải lực nào cũng có đức tính này. Chỉ các lực lượng bảo thủ mới lưu trữ năng lượng tiềm tàng trong các hệ thống mà chúng hoạt động.

Lực bảo toàn là lực mà công của nó không phụ thuộc vào đường đi của vật mà chỉ phụ thuộc vào điểm xuất phát và điểm đến. Lực đẩy nước rơi là trọng lực, là lực bảo toàn.

Mặt khác, lực đàn hồi và lực tĩnh điện cũng có tính chất này, do đó có thế năng liên kết với chúng.

Lực lượng không đáp ứng yêu cầu nói trên được gọi là không bảo thủ; Ví dụ về ma sát và lực cản của không khí.

Các dạng năng lượng tiềm tàng

Vì thế năng luôn bắt nguồn từ các lực bảo toàn như những lực đã được đề cập, chúng ta nói về thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi, thế năng tĩnh điện, thế năng hạt nhân và thế năng hóa học.

Thế năng hấp dẫn

Bất kỳ vật thể nào cũng có thế năng là một hàm của độ cao của nó so với mặt đất. Sự thật có vẻ đơn giản này minh họa tại sao nước rơi xuống lại có khả năng tạo động lực cho các tua-bin và cuối cùng được chuyển hóa thành năng lượng điện. Ví dụ về vận động viên trượt tuyết được trình bày ở đây cũng cho thấy mối quan hệ của trọng lượng và chiều cao với thế năng hấp dẫn.

Một ví dụ khác là một toa tàu lượn, có thế năng cao hơn khi nó ở độ cao nhất định so với mặt đất. Khi nó đã đến mặt đất, độ cao của nó bằng 0 và tất cả thế năng của nó đã được chuyển hóa thành động năng (năng lượng của chuyển động).

Hình ảnh động cho thấy sự trao đổi giữa thế năng hấp dẫn và động năng của một vật thể chuyển động trên tàu lượn. Tổng của cả hai năng lượng, được gọi là cơ năng, không đổi trong suốt chuyển động. Nguồn: Wikimedia Commons.

Thế năng đàn hồi

Những vật như lò xo, cung tên, nỏ và dây chun có khả năng tích trữ thế năng đàn hồi.

Bằng cách vẽ cung, người bắn cung thực hiện công việc được lưu trữ dưới dạng năng lượng tiềm năng của hệ thống cung tên. Khi bạn thả cung, năng lượng này được chuyển hóa thành chuyển động của mũi tên. Nguồn: Pixabay.

Tính đàn hồi của một cơ thể hoặc một vật liệu được mô tả bằng định luật Hooke (đến các giới hạn nhất định), cho chúng ta biết rằng lực có khả năng tác dụng khi nó bị nén hoặc bị kéo giãn tỷ lệ với độ biến dạng của nó.

Ví dụ trong trường hợp lò xo hoặc lò xo, điều này có nghĩa là nó càng co lại hoặc dãn ra thì lực tác dụng lên một vật được đặt ở một đầu càng lớn.

Thế năng tĩnh điện

Đó là năng lượng mà các điện tích có được do cấu hình của chúng. Các điện tích cùng dấu đẩy nhau nên để đặt một cặp điện tích dương hoặc âm vào một vị trí nào đó thì phải có tác nhân bên ngoài tác dụng. Nếu không, họ sẽ có xu hướng tách rời nhau.

Công việc này được lưu trữ theo cách các tải được đặt. Các điện tích cùng dấu càng gần nhau thì cấu hình có thế năng càng cao. Điều ngược lại xảy ra khi nói đến vô số dấu hiệu khác nhau; Khi chúng hút nhau, chúng càng gần nhau, thì chúng càng ít tiềm năng hơn.

Thế năng hạt nhân

Biểu diễn gần đúng của nguyên tử Heli. Trong hạt nhân, các proton được biểu thị bằng màu đỏ và các nơtron có màu xanh lam.

Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ các proton và neutron, thường được gọi là nucleon. Cái trước có điện tích dương và cái sau là trung tính.

Vì chúng được kết tụ trong một không gian nhỏ bé ngoài sức tưởng tượng, và biết rằng các điện tích cùng dấu đẩy nhau, người ta tự hỏi làm thế nào mà hạt nhân nguyên tử vẫn cố kết.

Câu trả lời nằm ở các lực khác ngoài lực đẩy tĩnh điện, đặc trưng của hạt nhân, chẳng hạn như tương tác hạt nhân mạnh và tương tác hạt nhân yếu. Đây là những lực rất mạnh, vượt xa lực tĩnh điện.

Thế năng hóa học

Dạng thế năng này xuất phát từ cách các nguyên tử và phân tử của các chất được sắp xếp theo các kiểu liên kết hóa học khác nhau.

Khi một phản ứng hóa học xảy ra, năng lượng này có thể được chuyển hóa thành các dạng khác, ví dụ bằng tế bào hoặc pin điện.

Ví dụ về thế năng

Năng lượng tiềm tàng hiện diện trong cuộc sống hàng ngày theo nhiều cách. Việc quan sát các tác động của nó cũng dễ dàng như đặt bất kỳ vật thể nào ở độ cao nhất định và chắc chắn rằng vật đó có thể lăn hoặc rơi bất cứ lúc nào.

Dưới đây là một số biểu hiện của các dạng thế năng được mô tả trước đây:

-Tàu lượn siêu tốc

-Xe hoặc bóng lăn xuống dốc

-Cung và tên

-Pin điện

-Một đồng hồ quả lắc

Khi một trong những quả cầu ở hai đầu được đưa vào chuyển động, chuyển động được truyền cho những quả cầu khác. Nguồn: Pixabay.

-Chèo xích đu

- Nhảy trên tấm bạt lò xo

-Sử dụng bút rút.

Xem: ví dụ về thế năng.

Tính toán thế năng

Thế năng phụ thuộc vào công do lực thực hiện và điều này lại không phụ thuộc vào quỹ đạo, do đó có thể phát biểu rằng:

-Nếu A và B là hai điểm thì công W _AB cần thiết để đi từ A đến B bằng công cần thiết để đi từ B đến A. Do đó: W _AB = W _BA , do đó:

-Và nếu hai quỹ đạo khác nhau 1 và 2 được thử nối các điểm A và B đã nói, thì công được thực hiện trong cả hai trường hợp cũng như nhau:

W ₁ = W ₂ .

Trong cả hai trường hợp vật thể trải qua sự thay đổi thế năng:

Thế năng của vật được định nghĩa là giá trị âm của công do lực (bảo toàn) thực hiện:

Nhưng vì công việc được xác định bởi tích phân này:

:

Lưu ý rằng các đơn vị của thế năng giống như đơn vị của công. Trong Hệ thống quốc tế SI, đơn vị là joule, được viết tắt là J và bằng 1 newton x mét, bởi nhà vật lý người Anh James Joule (1818-1889).

Các đơn vị khác cho năng lượng bao gồm cgs erg, pound-force x foot, BTU (British Thermal Unit), calo và kilowatt-giờ.

Chúng ta hãy xem bên dưới một số trường hợp cụ thể về cách tính thế năng.

Tính thế năng trọng trường

Trong vùng lân cận của bề mặt trái đất, lực hấp dẫn hướng thẳng đứng xuống dưới và độ lớn của nó được cho bởi phương trình Trọng lượng = khối lượng x trọng lực.

Ký hiệu trục tung bằng chữ cái “y” và gán cho hướng này vectơ đơn vị j , dương lên và âm xuống, sự thay đổi thế năng khi một vật chuyển động từ y = y _A đến y = và _B là :

Tính thế năng đàn hồi

Định luật Hooke cho chúng ta biết rằng lực tỷ lệ với độ biến dạng:

Ở đây x là biến dạng và k là hằng số riêng của lò xo, cho biết độ cứng của nó. Qua biểu thức này, người ta tính được thế năng đàn hồi, với i là vectơ đơn vị theo phương ngang:

Tính thế năng tĩnh điện

Khi bạn có một điện tích điểm Q, nó tạo ra một điện trường nhận biết một điện tích điểm q khác, và tác dụng lên nó khi nó được di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác ở giữa trường. Lực tĩnh điện giữa hai điện tích điểm có phương hướng tâm, kí hiệu bằng vectơ đơn vị r :

Hình ví dụ 1. Nguồn: F. Zapata.

Giải pháp

Khi khối ở độ cao h _A so với mặt sàn, nó có thế năng hấp dẫn do độ cao của nó. Khi được giải phóng, thế năng này dần dần được chuyển thành động năng, và khi nó trượt xuống đoạn đường cong trơn, tốc độ của nó tăng lên.

Trong quá trình đi từ A đến B, không thể áp dụng phương trình chuyển động thẳng biến đổi đều. Mặc dù trọng lực chịu trách nhiệm cho sự chuyển động của khối, nhưng chuyển động mà nó trải qua phức tạp hơn, vì quỹ đạo không phải là chính tuyến.

Bảo toàn năng lượng trên đường AB

Tuy nhiên, vì trọng lực là một lực bảo toàn và không có ma sát trên đoạn đường nối, bạn có thể sử dụng phương pháp bảo toàn cơ năng để tìm tốc độ ở cuối đoạn đường dốc:

Biểu thức được đơn giản hóa bằng cách lưu ý rằng khối lượng xuất hiện trong mỗi số hạng. Nó được giải phóng từ phần còn lại v _A = 0. Và h _B ở mặt đất, h _B = 0. Với những đơn giản hóa này, biểu thức rút gọn thành:

Công việc thực hiện bằng cách cọ xát trong phần BC

Bây giờ khối bắt đầu hành trình trên đoạn đường gồ ghề với vận tốc này và cuối cùng dừng lại ở điểm C. Do đó v _C = 0. Cơ năng không còn bảo toàn, vì ma sát là lực tiêu tán, đã làm cho a làm việc trên khối được cung cấp bởi:

Công này có âm, vì động năng ma sát làm chậm vật, ngược lại chuyển động của nó. Độ lớn của động năng ma sát f _k là:

Trong đó N là độ lớn của lực pháp tuyến. Lực pháp tuyến do bề mặt tác dụng lên khối và vì bề mặt nằm ngang hoàn toàn nên nó cân bằng với trọng lượng P = mg, do đó độ lớn của pháp tuyến là:

Dẫn đến:

Công mà f _k thực hiện trên khối là: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Tính toán sự thay đổi năng lượng cơ học

Công này tương đương với sự thay đổi năng lượng cơ học, được tính như sau:

Trong phương trình này có một số số hạng biến mất: K _C = 0, vì khối dừng ở C và U _C = U _B cũng biến mất , vì các điểm này ở mặt đất. Việc đơn giản hóa dẫn đến:

Khối lượng lại loại bỏ và có thể thu được D như sau:

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 2. Động lực học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Ngày 6. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
5. Sears, Zemansky. 2016. Vật lý Đại học với Vật lý hiện đại. Ngày 14. Ed. Tập 1-2.