Lực lượng bảo thủ và lực lượng phi bảo thủ
1. Lực lượng bảo thủ
1.1 Trọng lượng (w)
Quan sát một vật chuyển động thẳng đứng lên trên cho đến khi đạt độ cao tối đa, sau đó chuyển động xuống dưới trở lại vị trí ban đầu. Khi chuyển động thẳng đứng lên trên một đoạn h, trọng lực có hướng ngược lại với hướng dịch chuyển. Do đó, trọng lực thực hiện công âm lên vật.
W = wh (cos 180o) = – wh = – mgh
Sau khi đạt đến độ cao tối đa, vật thể chuyển động xuống dưới trở lại vị trí ban đầu một khoảng h. Trong quá trình chuyển động xuống dưới, trọng lực cùng hướng với độ dịch chuyển. Vì cùng hướng với độ dịch chuyển, trọng lực thực hiện công dương.
W = wh (cos 0o) = wh = mgh
Khối lượng (m), gia tốc trọng trường (g) và độ cao (h) của vật là như nhau, vì vậy công được thực hiện bởi trọng lực khi vật bắt đầu chuyển động thẳng đứng lên trên cho đến khi nó trở lại vị trí ban đầu là bằng không.
W = mgh – mgh = 0
1.2 Lực lò xo
Quan sát một lò xo đặt ở vị trí nằm ngang. Nếu đầu bên phải của lò xo bị đẩy hoặc nén sang trái, lò xo sẽ tạo ra một lực đẩy sang phải. Bạn có thể chứng minh điều này bằng cách nén lò xo. Ví dụ, đặt một vật lên đầu bên phải, sau đó ấn vật đó sang trái. Sau khi lò xo lệch đi một góc Δx, hãy bỏ tay ra khỏi vật và lò xo. Khi tay không còn tiếp xúc với lò xo, lò xo sẽ đẩy vật đó trở lại bên phải.
Khi vật chuyển động sang trái, hướng chuyển động và độ dịch chuyển của nó ngược hướng với hướng lực của lò xo. Vì hướng ngược nhau nên lực của lò xo thực hiện công âm.
W = – ½ k (Δx)2
Khi vật chuyển động sang phải, hướng chuyển động và độ dịch chuyển của nó trùng với hướng lực của lò xo. Vì hướng chuyển động giống nhau, lực của lò xo thực hiện công dương.
W = ½ k (Δx)2
Lò xo được sử dụng là giống nhau, do đó hằng số lò xo (k) cũng giống nhau. Độ lệch của lò xo (Δx) cũng giống nhau.
Như vậy, công do trọng lực thực hiện khi vật bắt đầu chuyển động sang trái một khoảng Δx và sau đó chuyển động trở lại sang phải một khoảng Δx bằng không.
W = ½ k (Δx)2 – ½ k (Δx)2 = 0
Công được thực hiện bởi trọng lực và lực đàn hồi vì từ khi vật bắt đầu chuyển động từ vị trí ban đầu cho đến khi quay trở lại vị trí ban đầu thì công bằng không. Nếu công được thực hiện bởi một lực nào đó vì từ khi vật chuyển động từ vị trí ban đầu cho đến khi quay trở lại vị trí ban đầu cho đến khi công bằng không, thì lực đó được gọi là lực bảo toàn. Ví dụ, lực đàn hồi và trọng lực là những ví dụ về lực bảo toàn.
2. Lực phi bảo toàn
Quan sát một vật được đẩy sang phải rồi đẩy ngược trở lại sang trái. Khi vật đang chuyển động hoặc dịch chuyển sang phải, hướng dịch chuyển của vật cùng hướng với lực đẩy (F) và ngược hướng với lực ma sát động (f).kVì lực đẩy cùng hướng với hướng dịch chuyển, nên nó thực hiện công dương lên vật.
W = F s
Ngược lại, lực ma sát động thực hiện công âm lên vật thể.
W = – fk s
Công việc được thực hiện bởi lực đẩy và lực ma sát tác dụng lên vật khi vật bắt đầu chuyển động từ vị trí ban đầu cho đến khi nó quay trở lại vị trí ban đầu là:
W = 2 F s
W = -2 fk s
Công do lực đẩy và lực ma sát động thực hiện từ khi vật bắt đầu chuyển động từ vị trí ban đầu cho đến khi quay trở lại vị trí ban đầu là không bằng không. Nếu công do một lực thực hiện từ khi vật bắt đầu chuyển động từ vị trí ban đầu cho đến khi quay trở lại vị trí ban đầu không bằng không, thì lực đó được gọi là lực không bảo toàn. Như vậy, lực đẩy và lực ma sát động là những ví dụ về lực không bảo toàn.
1. Lực bảo toàn là gì? Lực bảo toàn là lực mà công thực hiện khi di chuyển một vật giữa hai điểm không phụ thuộc vào quãng đường di chuyển. Lực hấp dẫn và lực tĩnh điện là những ví dụ về lực bảo toàn.
2. Công do một lực bảo toàn thực hiện có liên quan như thế nào đến thế năng? Công do một lực bảo toàn thực hiện lên một vật chuyển động từ điểm A đến điểm B bằng với sự thay đổi âm của thế năng (∆U) giữa hai điểm đó: Điều này có nghĩa là nếu một vật thu được thế năng, công do lực bảo toàn thực hiện sẽ mang giá trị âm, và ngược lại.
3. Lực phi bảo toàn là gì? Lực không bảo toàn là lực mà công thực hiện khi di chuyển một vật giữa hai điểm phụ thuộc vào quãng đường vật đi. Lực ma sát và lực cản không khí là những ví dụ điển hình về lực không bảo toàn.
4. Lực không bảo toàn ảnh hưởng đến năng lượng cơ học của một hệ như thế nào? Lực phi bảo toàn có thể làm thay đổi tổng năng lượng cơ học (tổng của động năng và thế năng) của một hệ. Điều này là do công do lực phi bảo toàn thực hiện không được tích trữ dưới dạng thế năng mà thường được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt.
5. Làm thế nào để xác định một lực là lực bảo toàn hay lực không bảo toàn bằng cách sử dụng đường dẫn vòng kín? Đối với lực bảo toàn, công tổng cộng tác dụng lên một vật sau khi nó di chuyển hết một vòng khép kín bằng không. Nếu công tổng cộng tác dụng trên một vòng khép kín khác không, thì lực đó là lực không bảo toàn.
6. Độ xoáy của trường lực đóng vai trò gì trong việc xác định xem một lực có phải là lực bảo toàn hay không? Nếu độ xoáy của trường lực bằng 0 ở mọi nơi trong không gian, thì lực đó là lực bảo toàn. Nếu độ xoáy khác 0, thì lực đó là lực phi bảo toàn.
7. Thế năng hấp dẫn có liên quan như thế nào đến các lực bảo toàn? Thế năng trọng trường phát sinh do tính chất bảo toàn của lực hấp dẫn. Sự tăng độ cao trong trường hấp dẫn dẫn đến sự tăng thế năng trọng trường, trong khi công do lực hấp dẫn thực hiện là âm, ngụ ý rằng thế năng giảm khi một vật thể di chuyển đến gần Trái Đất hơn.
8. Tại sao lực ma sát không có thế năng tương ứng như các lực bảo toàn khác? Lực ma sát là một lực không bảo toàn; do đó, công do ma sát thực hiện không được tích trữ dưới dạng thế năng. Thay vào đó, nó thường được chuyển hóa thành các dạng khác, chẳng hạn như nhiệt, và không thể được phục hồi hoàn toàn dưới dạng cơ năng.
9. Trong trường hợp một vật trượt xuống mặt phẳng nghiêng, các lực bảo toàn và lực không bảo toàn đóng vai trò như thế nào? Khi một vật trượt xuống mặt phẳng nghiêng, lực hấp dẫn, một lực bảo toàn, tác dụng lên vật, chuyển hóa thế năng của nó thành động năng. Nếu có ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng (một lực không bảo toàn), nó sẽ cản trở chuyển động và làm giảm động năng của vật, chuyển hóa một phần động năng thành nhiệt năng.
10. Năng lượng toàn phần của một hệ có thể được bảo toàn ngay cả khi có các lực không bảo toàn tác động không? Đúng vậy, tổng năng lượng của một hệ (bao gồm tất cả các dạng năng lượng như cơ học, nhiệt học, v.v.) được bảo toàn theo định luật bảo toàn năng lượng. Tuy nhiên, khi có các lực không bảo toàn tác động, năng lượng cơ học (tổng của động năng và thế năng) có thể không được bảo toàn vì một phần trong đó được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt hoặc âm thanh.
