Khi Nào Cơ Năng Của Vật Sẽ Không Được Bảo Toàn?

Mô tả sản phẩm

Trong vật lý, cơ năng của một vật được định nghĩa là tổng động năng và thế năng của vật đó. Theo định luật bảo toàn cơ năng, nếu một vật chỉ chịu tác dụng của các lực thế (lực hấp dẫn, lực đàn hồi) và không có các lực phi thế hay lực cản từ môi trường, thì cơ năng của vật sẽ được bảo toàn, tức là tổng động năng và thế năng không đổi theo thời gian. Tuy nhiên, trong thực tế, có rất nhiều trường hợp cơ năng của vật không được bảo toàn. Điều này xảy ra khi có sự xuất hiện của các lực phi thế hoặc khi có sự trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài dưới các dạng khác không phải là cơ năng. Dưới đây là các trường hợp cụ thể khiến cơ năng của vật không được bảo toàn:

1. Sự xuất hiện của các lực ma sát: Đây là nguyên nhân phổ biến nhất khiến cơ năng không được bảo toàn. Lực ma sát (ma sát trượt, ma sát lăn, ma sát nghỉ) luôn cản trở chuyển động tương đối giữa các bề mặt tiếp xúc. Khi có ma sát, một phần cơ năng của vật sẽ bị chuyển hóa thành nhiệt năng (do sự cọ xát), âm năng (âm thanh phát ra) hoặc các dạng năng lượng khác không phải là cơ năng. Công của lực ma sát luôn là công âm, làm giảm tổng cơ năng của hệ.
Ví dụ: Một khối gỗ trượt trên mặt sàn thô ráp sẽ dừng lại do lực ma sát. Toàn bộ động năng ban đầu của khối gỗ đã chuyển hóa thành nhiệt năng và một phần nhỏ thành âm năng. Tương tự, khi một vật rơi trong không khí, lực cản của không khí (một dạng ma sát) sẽ làm giảm tốc độ rơi và chuyển hóa một phần cơ năng thành nhiệt năng làm nóng vật và không khí.

2. Sự tác dụng của lực cản môi trường: Giống như ma sát, lực cản của môi trường (chẳng hạn lực cản của không khí, lực cản của nước) là một dạng lực phi thế có tác dụng ngược chiều chuyển động. Khi một vật chuyển động trong môi trường có chất lưu, lực cản này sẽ thực hiện công âm, làm giảm cơ năng của vật và chuyển hóa nó thành nhiệt năng hoặc năng lượng làm biến dạng chất lưu.
Ví dụ: Một chiếc xe đạp đang lăn tự do sẽ dừng lại do lực ma sát giữa lốp xe và mặt đường, cũng như lực cản của không khí. Một quả bóng được ném lên cao sẽ không đạt được độ cao như lý thuyết nếu không có lực cản không khí, và khi rơi xuống, nó cũng không có cùng động năng như khi được ném lên từ cùng một độ cao.

3. Sự tác dụng của các lực tác dụng ngoài không phải là lực thế: Nếu có một lực bên ngoài tác dụng lên vật và lực đó không phải là lực thế (ví dụ: lực kéo, lực đẩy từ động cơ, lực nổ), thì cơ năng của vật sẽ thay đổi.

• Nếu lực ngoài thực hiện công dương, cơ năng của vật sẽ tăng lên. Ví dụ: Một chiếc ô tô tăng tốc nhờ lực đẩy của động cơ, cơ năng của ô tô (động năng) tăng lên.
• Nếu lực ngoài thực hiện công âm (ví dụ: lực hãm phanh), cơ năng của vật sẽ giảm xuống. Ví dụ: Khi phanh xe, lực ma sát từ phanh và mặt đường làm giảm động năng của xe, chuyển hóa thành nhiệt năng.

4. Va chạm không đàn hồi: Khi hai vật va chạm với nhau, nếu va chạm là không đàn hồi hoàn toàn hoặc một phần, một phần động năng của hệ sẽ bị mất mát dưới dạng nhiệt, âm thanh hoặc biến dạng vĩnh viễn của vật liệu. Trong trường hợp này, cơ năng của hệ không được bảo toàn.
Ví dụ: Một viên đất sét rơi xuống sàn và dính vào đó. Động năng của viên đất sét trước khi chạm sàn đã biến mất sau va chạm, chuyển hóa thành nhiệt năng và biến dạng của đất sét.

5. Chuyển hóa năng lượng sang các dạng khác không phải cơ năng: Trong nhiều quá trình vật lý, năng lượng có thể chuyển hóa từ cơ năng sang các dạng năng lượng khác như điện năng, quang năng, hóa năng, hoặc ngược lại. Khi cơ năng được chuyển hóa thành các dạng năng lượng này, nó không còn được bảo toàn dưới dạng cơ năng nữa.
Ví dụ: Máy phát điện chuyển hóa cơ năng quay của tuabin thành điện năng.

Mối liên hệ với Định luật Bảo toàn Năng lượng:
Mặc dù cơ năng có thể không được bảo toàn trong các trường hợp trên, nhưng điều đó không mâu thuẫn với Định luật Bảo toàn Năng lượng toàn phần. Định luật Bảo toàn Năng lượng khẳng định rằng năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Khi cơ năng của vật giảm, năng lượng "mất đi" đó thực chất đã chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác (nhiệt, âm, điện, v.v.), và tổng năng lượng của hệ kín vẫn được bảo toàn. Công của các lực phi thế ($W_{phi-the}$) chính là sự thay đổi của cơ năng của vật: $W_{phi-the} = \Delta E_{co} = E_{co,sau} - E_{co,truoc}$.

Tóm lại, cơ năng của vật sẽ không được bảo toàn khi có sự hiện diện của các lực phi thế như ma sát, lực cản môi trường, hoặc khi có các lực tác dụng ngoài thực hiện công, cũng như trong các quá trình chuyển hóa năng lượng không phải là cơ năng. Việc hiểu rõ các trường hợp này rất quan trọng để phân tích chính xác các hiện tượng vật lý trong thế giới thực.