Bài học

Sự chuyển hóa cơ năng khi có ma sát

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao cơ năng của một vật giảm dần theo thời gian khi có ma sát, nêu được cơ năng đã mất đi chuyển hoá thành dạng năng lượng nào, và nhận diện được hiện tượng này trong các tình huống thực tế như con lắc, tàu lượn, vật trượt trên mặt sàn.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương trước, em đã học định luật bảo toàn cơ năng — nhưng luôn kèm điều kiện "bỏ qua ma sát". Bài này xét đúng trường hợp bị bỏ qua đó: khi ma sát thực sự tồn tại, cơ năng không còn được bảo toàn nữa. Em cũng cần nhớ khái niệm nhiệt năng đã gặp ở Course 1 khi nói về công của lực ma sát sinh nhiệt.

Khởi động

Một quả bóng cao su thả rơi xuống sàn sẽ nảy lên, nhưng mỗi lần nảy lại thấp hơn lần trước, cho đến khi nó nằm yên trên sàn. Nếu cơ năng luôn được bảo toàn, tại sao quả bóng lại không nảy lên đúng độ cao ban đầu mãi mãi?

Kiến thức trọng tâm

Vì vậy, khi có ma sát, cơ năng của một vật giảm dần theo thời gian, dù tổng năng lượng của cả hệ (cơ năng + nhiệt năng + năng lượng âm thanh...) vẫn được bảo toàn theo định luật bảo toàn năng lượng tổng quát. Đây chính là lí do con lắc đồng hồ thực tế đung đưa thấp dần từng chu kì nếu không được lên dây cót hoặc cấp năng lượng bù lại; quả bóng nảy thấp dần mỗi lần chạm sàn; một vật trượt trên mặt sàn có ma sát cuối cùng sẽ dừng hẳn dù không có lực nào khác cản nó ngoài ma sát.

Trong thực tế, hầu hết các chuyển động đều chịu tác dụng của lực ma sát hoặc lực cản của không khí. Các lực này sinh công cản trở chuyển động, và công đó không làm tăng động năng hay thế năng của vật — nó chuyển hoá cơ năng của vật thành **nhiệt năng** (làm nóng bề mặt tiếp xúc, làm nóng không khí xung quanh) và một phần thành năng lượng âm thanh (ma sát gây ra tiếng động). Vì vậy, khi có ma sát, cơ năng của một vật **giảm dần** theo thời gian, dù tổng năng lượng của cả hệ (cơ năng + nhiệt năng + năng lượng âm thanh...) vẫn được bảo toàn theo định luật bảo toàn năng lượng tổng quát. Đây chính là lí do con lắc đồng hồ thực tế đung đưa thấp dần từng chu kì nếu không được lên dây cót hoặc cấp năng lượng bù lại; quả bóng nảy thấp dần mỗi lần chạm sàn; một vật trượt trên mặt sàn có ma sát cuối cùng sẽ dừng hẳn dù không có lực nào khác cản nó ngoài ma sát.

Ví dụ chuẩn

Ví dụ

Giải thích vì sao quả bóng nảy thấp dần

1
Một quả bóng cao su được thả rơi từ độ cao 1 m xuống sàn bê tông. Sau lần nảy đầu tiên, quả bóng chỉ lên tới độ cao 0,7 m. Giải thích vì sao độ cao nảy lên lại thấp hơn độ cao thả ban đầu.
2
Trong quá trình rơi và va chạm với sàn, ngoài trọng lực còn có lực cản không khí và đặc biệt là lực ma sát/biến dạng tại chỗ va chạm giữa bóng và sàn.
3
Khi bóng chạm sàn, một phần cơ năng của bóng chuyển hoá thành nhiệt năng (làm nóng nhẹ chỗ tiếp xúc) và năng lượng âm thanh (tiếng bóng nảy), khiến cơ năng còn lại sau va chạm nhỏ hơn cơ năng trước va chạm.
4
Vì cơ năng sau va chạm nhỏ hơn, nên độ cao lớn nhất mà bóng nảy lên được (ứng với toàn bộ cơ năng còn lại chuyển thành thế năng) cũng nhỏ hơn độ cao ban đầu — đây là lí do bóng chỉ nảy lên 0,7 m thay vì 1 m.

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

Tính phần cơ năng đã mất do ma sát

1
Một khối gỗ khối lượng 2 kg trượt trên một mặt sàn nằm ngang có ma sát, với tốc độ ban đầu 4 m/s, rồi trượt được một đoạn thì dừng hẳn do ma sát. Tính cơ năng ban đầu của khối gỗ (so với mặt sàn) và cho biết toàn bộ cơ năng đó đã chuyển hoá thành dạng năng lượng nào khi khối gỗ dừng lại.
2
Khối gỗ trượt trên mặt sàn ngang nên độ cao không đổi, $h = 0$ trong suốt quá trình — thế năng trọng trường không đổi và có thể chọn bằng 0. Cơ năng ban đầu bằng động năng ban đầu.
Khối gỗ trượt trên mặt sàn ngang nên độ cao không đổi, $h = 0$ trong suốt quá trình — thế năng trọng trường không đổi và có thể chọn bằng 0. Cơ năng ban đầu bằng động năng ban đầu.
3
$W_đ = \frac{1}{2} \times 2 \times 4^2 = \frac{1}{2} \times 2 \times 16 = 16$ J. Đây cũng là cơ năng ban đầu của khối gỗ. (1)
$W_đ = \frac{1}{2} \times 2 \times 4^2 = \frac{1}{2} \times 2 \times 16 = 16$ J. Đây cũng là cơ năng ban đầu của khối gỗ. (1)
4
Khi khối gỗ dừng hẳn, $v = 0$ nên động năng bằng 0; độ cao không đổi nên thế năng vẫn bằng giá trị đã chọn ( $h = 0$ ). Cơ năng lúc dừng bằng 0. (2)
Khi khối gỗ dừng hẳn, $v = 0$ nên động năng bằng 0; độ cao không đổi nên thế năng vẫn bằng giá trị đã chọn ($h = 0$). Cơ năng lúc dừng bằng 0. (2)
5
Từ (1) và (2), toàn bộ 16 J cơ năng ban đầu đã bị lực ma sát lấy đi trong quá trình khối gỗ trượt, chuyển hoá thành nhiệt năng ở mặt tiếp xúc giữa khối gỗ và sàn.
6
Vậy cơ năng ban đầu của khối gỗ là 16 J, và toàn bộ 16 J đó đã chuyển hoá thành nhiệt năng do công cản của lực ma sát khi khối gỗ trượt tới lúc dừng hẳn.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: nhiều học sinh vẫn áp dụng định luật bảo toàn cơ năng ("cơ năng không đổi") cho cả các tình huống đề bài đã nói rõ có ma sát — dẫn đến kết quả sai. Hãy đọc kĩ đề: hễ thấy "có ma sát", "mặt sàn nhám", "vật dừng lại do ma sát", cơ năng KHÔNG được bảo toàn, phần hao hụt chính là câu hỏi đang cần trả lời.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Khi có ma sát hoặc lực cản, cơ năng của một vật giảm dần theo thời gian — không phải biến mất, mà chuyển hoá thành nhiệt năng và năng lượng âm thanh. Định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng khi bỏ qua các lực cản này; trong thực tế cần tính đến phần cơ năng đã hao hụt.

Cầu nối

Ta đã biết công, công suất (Course 1) và giờ đã biết đủ ba dạng cơ năng cùng cách chúng chuyển hoá. Bài tiếp theo gộp tất cả các công thức này lại trong một dạng bài tập tổng hợp — đúng phong cách đề thi tuyển sinh 10.