Động năng là gì?

Động năng là năng lượng của khối lượng đang chuyển động. Động năng của một vật là năng lượng mà nó có do chuyển động của nó.

Trong cơ học cổ điển Newton, lí thuyết mô tả các vật vĩ mô đang chuyển động với tốc độ bằng một phần nhỏ của tốc độ ánh sáng, động năng (E) của một vật có khối lượng đang chuyển động có thể được tính bằng một nửa tích số của khối lượng (m) của nó với bình phương vận tốc của nó: E = ½ mv². Lưu ý rằng động năng là một đại lượng vô hướng, tức là nó không phụ thuộc vào hướng của nó, và nó luôn luôn dương. Khi ta tăng gấp đôi khối lượng, thì động năng tăng gấp đôi; tuy nhiên, khi ta tăng gấp đôi vận tốc thì động năng tăng gấp bốn lần.

Thực hiện công

Có lẽ tính chất quan trọng nhất của động năng là khả năng thực hiện công của nó. Công được định nghĩa là lực tác dụng lên một vật theo chiều chuyển động. Vì thế, công và năng lượng có liên hệ chặt chẽ với nhau và có thể chuyển hóa qua lại. Trong khi năng lượng chuyển động thường được biểu diễn là E = ½ mv² thì công (W) thường được xem là lực (F) nhân với quãng đường (d): W = Fd. Nếu ta muốn làm biến thiên động năng của một vật có khối lượng, ta phải thực hiện công lên nó.

Ví dụ, để nâng một vật nặng, ta phải thực hiện công thắng trọng lực và đưa vật lên cao. Nếu vật nặng gấp đôi thì công để nâng nó lên độ cao cũ tăng gấp đôi. Công để nâng vật cũ lên độ cao gấp đôi cũng tăng gấp đôi. Tương tự, để làm một vật trượt trên sàn nhà, ta phải thắng lực ma sát giữa vật và sàn nhà. Công cần thiết tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật và quãng đường mà nó dịch chuyển. (Lưu ý rằng khi bạn vác chiếc đàn guitar trên vai đi xuống khán đài, thật sự bạn không thực hiện công nào lên nó cả.)

Va chạm của các viên billiard là một ví dụ của động năng được truyền từ một vật này sang vật khác.

Thế năng

Động năng có thể dự trữ được. Ví dụ, cần tốn công để nâng một vật nặng và đặt nó lên một cái kệ hoặc nén một cái lò xo. Cái gì xảy ra với động năng sau đó? Ta biết rằng năng lượng được bảo toàn, tức là nó không thể tự sinh ra hoặc mất đi; nó chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác. Trong hai trường hợp này, động năng được biến đổi thành thế năng bởi vì trong khi thật sự không có công nào được thực hiện, nhưng nó có khả năng thực hiện công. Nếu ta thả rơi một vật từ trên kệ hoặc buông lò xo ra, thì thế năng được biến đổi lại thành động năng.

Động năng cũng có thể truyền từ vật này sang vật khác trong va chạm, có thể là va chạm đàn hồi hoặc không đàn hồi. Một ví dụ của va chạm đàn hồi là một viên billiard đập vào một viên billiard khác. Bỏ qua ma sát giữa viên billiard và bàn hoặc bất kì chuyển động xoay nào do cây cơ truyền sang, trên lí tưởng thì động năng của hai viên billiard sau va chạm bằng với động năng của cây cơ trước va chạm.

Một ví dụ của va chạm không đàn hồi là một toa tàu đang chuyển động ép tới một toa tàu tương tự đang đứng yên và móc ghép với nó. Năng lượng toàn phần vẫn giữ không đổi, nhưng khối lượng của hệ mới sẽ tăng gấp đôi. Kết quả là hai toa tàu tiếp tục chuyển động theo hướng cũ ở một tốc độ nhỏ hơn sao cho mv₂² = ½ mv₁², trong đó m là khối lượng của mỗi toa tàu, v₁ là vận tốc của toa tàu thứ nhất, và v₂ là vận tốc của hai toa tàu móc ghép sau va chạm. Chia cho m và lấy căn hai vế ta được v₂ = √2/2 v₁. (Lưu ý v₂ ≠ ½v₁.)

Ngoài ra, động năng có thể biến đổi thành các dạng năng lượng khác và ngược lại. Ví dụ, động năng có thể biến đổi thành điện năng bởi máy phát điện hoặc thành nhiệt năng bởi phanh thắng trên xe hơi. Ngược lại, điện năng có thể biến đổi thành động năng bởi động cơ điện, nhiệt năng có thể biến đổi thành động năng bởi tuabin hơi, và hóa năng có thể biến đổi thành động năng bởi động cơ đốt trong.

Nguồn: Jim Lucas, LiveScience