Thế năng là gì?

Thế năng thường được nhắc đến là một trong những dạng năng lượng có mặt trong mọi hoạt động, sự kiện xung quanh ta. Mặc dù thế năng nắm giữ vai trò cốt lõi trong hệ thống năng lượng vật lý, không phải ai cũng hiểu rõ thế năng là gì và các dạng của nó. Bài viết này từ Vimi hứa hẹn sẽ bổ sung cho các bạn những kiến thức thú vị về đại lượng vật lý này.

1. Thế năng là gì?

Thế năng là một dạng năng lượng của vật thể, biểu hiện cho khả năng sinh công của nó tại một số điều kiện cụ thể. Về mặt học thuật, thế năng là một trong các đại lượng vật lý cơ bản và nắm vai trò cốt lõi trong sự tồn tại của vật chất. Thế năng có đơn vị là Jun (J).

Thế năng phụ thuộc vào vị trí liên quan giữa các đối tượng khác nhau của một hệ thống. Một chiếc lò xo có nhiều thế năng hơn khi nó bị nén lại hoặc kéo giãn ra. Một quả bóng kim loại có nhiều thế năng hơn khi nó được ném lên khỏi mặt đất hơn là lúc nó rơi quay trở lại. Trong vị trí ném lên, nó có khả năng tạo được nhiều năng lượng hơn.

Thế năng là thuộc tính của một hệ thống chứ không phải của một bộ phận riêng lẻ. Ví dụ, một hệ bao gồm Trái Đất và quả bóng được nâng lên thì có nhiều thế năng hơn khi 2 đối tượng này càng xa nhau, tức khi quả bóng ném cao hơn khỏi mặt đất.

Vậy, các dạng của thế năng là gì?

• Thế năng trọng trường
• Thế năng đàn hồi
• Thế năng tĩnh điện

2. Ai đã đặt ra thuật ngữ thế năng?

Thuật ngữ thế năng lần đầu tiên được sử dụng bởi một kỹ sư Scotland và nhà vật lý William Rankine suốt thế kỷ 19. Và sau này, các nhà khoa học mới dần phát triển khái niệm về thế năng là gì cũng như các kiến thức vật lý liên quan đến nó.

3. Thế năng trọng trường

3.1. Trọng trường

Chúng ta đều biết Trái Đất luôn được bao trùm bởi trọng trường. Và tất cả vật chất trên Trái Đất đều chịu tác động từ lực hút hay còn gọi là trọng lực.

3.2. Thế năng trọng trường

Trọng trường trong thế năng là gì? Nó được tính toán dựa vào sự tương quan về độ cao của đối tượng và mặt đất, hoặc đặt trong độ cao so với bất kì vị trí nào.

Lấy quả cầu kim loại làm ví dụ, nếu để nó tại mặt đất thì sẽ không thể sinh công. Nhưng khi quả cầu đó được đưa lên cao một mốc nhất định thì nó lại có thể sinh công.

4. Thế năng đàn hồi

4.1. Công của lực đàn hồi

Bất kì một tác động nào diễn ra đều sẽ sinh công, và khi một vật thể bị tác động, nó sẽ biến dạng dù ít hay nhiều, nó có sự đàn hồi. Lực đàn hồi đó sinh công. Vậy, dạng thế năng đàn hồi của thế năng là gì?

4.2. Thế năng đàn hồi

Thế năng đàn hồi là dạng thế năng được tạo ra dựa trên vật thể chịu ảnh hưởng từ lực đàn hồi. Một ví dụ điển hình nhất trong vật lý để nhận biết thế năng đàn hồi là thí nghiệm với lò xo.

Thực tế, ứng dụng tính đàn hồi của thế năng là gì?

• Quả tennis bị méo vào khoảnh khắc chạm vợt, mặt sân
• Lon nước biến dạng do tay bóp
• Mũi tên đang đặt ở dây cung đang được căng lên

5. Thế năng tĩnh điện

Thế năng tĩnh điện là năng lượng cần có để di chuyển một điện tích chống lại điện trường. Bạn cần nhiều năng lượng hơn để di chuyển 1 điện tích ra xa hơn trong điện trường đó, nhưng cũng có thể cần nhiều năng lượng hơn để di chuyển nó qua một điện trường mạnh hơn.

Cách phát hiện dạng này của thế năng là gì?

Để tìm được thế năng tĩnh điện giữa 2 điện tích, chúng ta lấy K – hằng số điện nhân với một trong 2 điện tích, sau đó nhân với điện tích kia rồi chia cho khoảng cách giữa chúng.

6. Cách định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng áp dụng lên thế năng là gì?

Khái niệm năng lượng dần dần được mở rộng và bao gồm các dạng năng lượng khác nhau. Khi cơ thể chuyển động chậm lại thì động năng dần biến mất vì nó di chuyển lên trên chống lại lực hấp dẫn, và được coi là đã chuyển đổi thành thế năng, sau đó chuyển đổi lại thành động năng khi cơ thể tăng tốc trở lại. Thực chất, sự chuyển đổi đó của thế năng là gì?

Ví dụ, khi một con lắc dao động lên trên, động năng được chuyển hóa thành thế năng. Khi con lắc dừng lại ở đỉnh vòng dao động, động năng là 0, và tất cả năng lượng đều ở dạng thế năng.

Khi con lắc dao động ngược trở lại, thế năng chuyển hóa trở lại thành động năng. Tại mọi thời điểm dao động, tổng của thế năng và động năng luôn không đổi. Tuy nhiên, lực ma sát làm chậm dao động và làm tiêu hao dần năng lượng tổng của chúng.

Trong suốt những năm 1840, người ta kết luận rằng khái niệm năng lượng có thể mở rộng và bao gồm cả nhiệt lượng mà ma sát đã tạo ra. Từ đấy mà đại lượng thực sự được bảo toàn là tổng của động năng, thế năng và nhiệt năng.

Năng lượng không được tạo ra hay phá hủy mà chỉ chuyển đổi trạng thái, từ thế năng thành động năng rồi thành nhiệt năng.

Bài viết trên đây của Vimi đã giới thiệu cho bạn đọc về thế năng là gì và các loại thế năng cũng như những thông tin hữu ích liên quan đến đại lượng vật lý này. Mong rằng với những gì Vimi cung cấp, các bạn có thể nhìn nhận cụ thể hơn về thế năng và ứng dụng hiệu quả vào thực tiễn.