Cập nhật lần cuối vào 31/05/2022
XEM THÊM: SINH CƠ HỌC. HỆ ĐÒN BẨY VÀ CÁC LOẠI ĐÒN BẨY
Mục lục
CÔNG
Định nghĩa:
Thuật ngữ công thường được sử dụng lỏng lẻo trong ngôn ngữ thường ngày để chỉ sự nỗ lực hoặc gắng sức bỏ ra để thực hiện một công việc nào đó.
Tuy nhiên, trong vật lý, công dùng để chỉ vận động của một vật thông qua tác động một lực.
Do đó, công cơ học (W) được thực hiện bởi một lực được định nghĩa là tích của lực tác dụng lên vật (F) và hình chiếu của độ dời của vật theo hướng của lực (d):
Công cơ học = lực * hình chiếu độ dời theo hướng của lực.
W = F. d
Nếu độ dời tạo với phương của lực một góc α, độ dời có độ lớn là s, thì d = s.cos α
Đơn vị của công là Joule (J), 1 Joule = 1 Nx 1m
Tác dụng của công thường có thể thấy là thay đổi vị trí của một vật, hoặc làm biến dạng vật hoặc làm tăng vận tốc của vật.
Ví dụ:
Một người thanh niên đang tập đẩy tạ 60 kg ở tư thế nằm từ ngực đến vị trí giữ cao cách ngực 40 cm (Hình 6-7). Công thực hiện là bao nhiêu. Công đã mất đi đâu?
Công được thực hiện được tính theo công thức W = F*d
Lực tác dụng lên tạ bằng với trọng lực của quả tạ (nếu tạ được đẩy từ từ, không tăng tốc)
F = 60* g (N) với g = 9,81
Độ dời của lực là khoảng cách bàn tay cầm tạ di chuyển (40cm) tức 0,4 m.
Công được thực hiện là W = (60* g)* 0,4 = 233.4 Joules.
Công đã mất vào trong động tác nâng tạ chống lại trọng lực.
Một điểm lưu ý từ định nghĩa là nếu một lực tác động lên vật nhưng không di chuyển vật, nghĩa là không di chuyển điểm tác động của nó, thì không tạo ra công. Do đó, nếu người thanh niên cố nâng tạ nhưng không được ví dụ vì tạ quá nặng, thì không thực hiện công cho dù đã gắng sức. Các cơ của anh ta dù co và gắng sức nhưng không di chuyển được tạ, do đó nhìn từ góc độ quả tạ thì không có công nào đã được thực hiện lên nó.
Công dương và công âm
Công được thực hiện có thể được phân loại là công dương hoặc công âm, phụ thuộc vào lực di chuyển theo hướng vận động của vật hoặc theo hướng ngược lại. Trong động tác nâng tạ ở trên, công là dương vì lực hướng lên cùng hướng di chuyển của tạ. Trong động tác hạ tạ, công là âm vì lực hướng lên ngược chiều di chuyển đi xuống của tạ. Điều này có nghĩa là khi tạ đang được hạ xuống, quả tạ đang thực hiện công lên người, không như khi nó được nâng lên (người tác dụng công lên tạ). Công âm này mất đi đâu? Thường nó phân tán thành nhiệt trong cơ và biến mất.
CÔNG SUẤT
Định nghĩa
Công suất (P) là thuật ngữ được mô tả tốc độ (thời gian) công được thực hiện. Ví dụ, nâng tạ chậm khác với nâng tạ nhanh, cho dù kết quả cuối cùng về chiều cao được nâng là như nhau. Một người đạp xe đạp lên dốc nhanh và chậm thì kết quả như nhau nhưng đạp lên dốc nhanh đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn. Sự khác nhau là do công suất tạo ra khác nhau. Công suất là đại lượng có giá trị bằng thương giữa công W và thời gian t cần để thực hiện công ấy.
P = W/t.
Đơn vị công suất là oát (W), 1W= 1 J/ 1s.
Mã lực (CV): 1 mã lực = 736 W
Có thể biểu diễn phương trình công suất dưới dạng khác như sau:
Vì W = Fd, nên P = Fd/t
Với d/t = v, do đó P = F*v
Phương trình này rất hữu ích trong nhiều phương pháp sinh cơ học để tính lực hoặc vận tốc.
Ví dụ:
Một người đạp xe đạp lên đồi cao được một quãng 50 m trong 3 phút 45 giây. Nếu tổng trọng lượng của người đạp và chiếc xe là 100 kg, công suất tạo ra là bao nhiêu?
Giải:
- Công suất được tính bằng phương trình P = W/t
- Công leo lên đồi là W = Fd = (100g)*(50) = 49,050 J
- Thời gian hoàn thành là 225 s
- Do đó công suất P = 49,050/225 = 218 Watt
NĂNG LƯỢNG
Định nghĩa:
Năng lượng (E) được định nghĩa là khả năng làm việc hoặc thực hiện hoạt động nào đó.
Đơn vị năng lượng là Joules, (tương tự như công, do đó có mối quan hệ giữa năng lượng và công). Nếu công được thực hiện lên vật, vật nhận năng lượng. Nếu vật thực hiện công, nó mất năng lượng.
Các dạng năng lượng và ví dụ
Có nhiều dạng năng lượng, bao gồm năng lượng hóa học làm cho cơ co, nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể,… trong đó có hai dạng năng lượng cơ học quan trọng với sinh cơ học, đó là thế năng liên quan đến năng lượng do vị trí hoặc độ biến dạng, và động năng liên quan đến năng lượng vận động.
Thế năng
Thế năng là năng lượng mà vật có được do vị trí hoặc hình dạng của nó. Có hai dạng thế năng, thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi.
Thế năng trọng trường (Et ) là năng lượng được dự trữ do vị trí trong một trường trọng lực. Nếu vật ở độ cao (h) trên mặt đất thì thế năng trọng trường của nó được tính bằng công thức
Et = m.g.h
Trong ví dụ 1, quả tạ được nâng lên 0,4 m từ vị trí nghỉ của nó và bây giờ nó có một năng lượng là m.g.h = 60. g. 0,4 = 235,4 J lớn hơn vị trí lúc nghỉ của nó.
Khi một vật trên quả đất thay đổi vị trí (độ cao) từ vị trí 1 sang vị trí 2 thì công của trọng lực sẽ là: W12 = Et1 – Et2
Công của trọng lực bằng hiệu thế năng của vật tại vị trí đầu và vị trí cuối, tức bằng độ giảm thế năng của vật.
Dạng thế năng thứ hai là thế năng đàn hồi (Edh), là loại năng lượng được dự trữ hoặc phát ra do biến dạng của một vật liệu. Năng lượng này phụ thuộc vào mức độ biến dạng (Δx) và độ cứng (k) của vật liệu bị biến dạng và được tính theo công thức
Edh = ½ kΔx2
Độ cứng (hay độ đàn hồi) là một đặc tính cơ học của một vật liệu và được xác định bởi kích thước, thành phần, và cấu trúc của vật liệu. Nếu làm biến dạng một vật (lò xo chẳng hạn) từ vị trí 1 đến vị trí 2, thì công tạo ra là:
W12 = Edh1-Edh2
Công của lực đàn hồi bằng độ giảm thế năng đàn hồi
Động năng
Một vật khi chuyển động có thể sinh công, tức là nó đã có một năng lượng. Năng lượng này được gọi là động năng. Đơn vị của động năng cũng là đơn vị của công (J). Động năng là một đại lượng vô hướng và luôn luôn dương.
Động năng cũng có hai dạng liên quan đến vận tốc thẳng và vận tốc góc của vật. Dạng đầu tiên là động năng thẳng (tuyến tính) được xác định bởi vận tốc thẳng (v) và khối lượng (m) của một vật. Phương trình tính động năng thẳng (Eđnt) là:
Eđnt = ½mv2
Động năng thẳng biểu diễn công phải thực hiện để một vật di chuyển và do đó phản ánh năng lượng được dự trữ bên trong vật do vận động của nó. Qua phương trình ta thấy để tăng được vận tốc gấp đôi cần phải sử dụng năng lượng gấp 4 lần (xem ví dụ).
Một vấn đề khác cần chú ý là một vật có động năng thẳng nào đó muốn ngừng lại cần phải tiêu tán năng lượng đó đi (nghĩa là động năng thẳng cần giảm xuống zero). Để thực hiện điều này chúng ta sử dụng những kỹ thuật đặc biệt, chẳng hạn khi chạy chúng ta ngừng vận động về phía trước của mình bằng duỗi thẳng một chân; khi hạ người xuống (nhảy cao), chúng ta co cơ duỗi cổ chân, háng và gối; khi bắt bóng chúng ta duỗi tay ra để bắt bóng và sau đó đưa bóng vào cơ thể để hấp thụ năng lượng. Tất cả những hoạt động này nhằm giảm năng lượng một cách có kiểm soát. Thường thì năng lượng hóa học của cơ bị tiêu thụ để thực hiện những hoạt động này, do đó năng lượng hóa học của cơ cần cả để tăng và giảm động năng. Do đó những vận động cần thay đổi vận tốc thường xuyên (như đánh cầu lông) cũng cần mức tiêu thụ năng lượng hóa học cao. Phương trình động năng cũng chứng tỏ rằng động năng thẳng liên hệ đến khối lượng vật thể và do đó trong những ví dụ này người nặng hơn sẽ khó ngừng lại hơn (ít linh hoạt hơn).
Ví dụ:
Hãy tính vận tốc của một vận động viên chạy nước rút trong 5 nhịp chạy đầu tiên và sự thay đổi vận tốc mỗi nhịp chạy nếu năng lượng mỗi lần đạp chân là 200 J và trọng lượng của người đó là 75 kg.
Giải
Động năng thẳng của vận động viên là Eđnt= ½ m.v2 do đó vận tốc của vận động viên là
Kết quả vận tốc và thay đổi vận tốc được trình bày ở bảng sau:
| Nhịp chạy | Năng lượng(J) | Vận tốc (m/s) | Thay đổi vận tốc (m/s) |
| 0 | 0 | 0 | – |
| 1 | 200 | 2.31 | 2.31 |
| 2 | 400 | 3.27 | 0.96 |
| 3 | 600 | 4.00 | 0.73 |
| 4 | 800 | 4.62 | 0.62 |
| 5 | 1000 | 3.16 | 0.54 |
Nhận xét: Sự thay đổi vận tốc lớn nhất là ở nhịp chạy đầu tiên. Mặc dù năng lượng mỗi nhịp chạy là như nhau, hiệu quả (biểu hiện ở thay đổi tốc độ) giảm khi tốc độ tăng.
Dạng động năng thứ hai được gọi là động năng xoay (hoặc góc) (Eđnx) và được xác định bằng vận tốc góc (ω) và moment quán tính (I) của một vật theo phương trình:
Eđnx =½ I.ω2
Hầu hết các hoạt động của cơ thể liên quan đến vận động xoay của các chi quanh các khớp và do đó trong những hoạt động này năng lượng được chứa trong các vận động xoay này. Khi khớp gấp và duỗi (ví dụ khớp gối), cẳng chân di chuyển ra trước và ra sau, thay đổi hướng trong mỗi chu kỳ. Năng lượng hoá học của cơ cần để tăng vận tốc góc của chi, nhưng cũng để làm chậm lại và thay đổi hướng. Do đó, những hoạt động đòi hỏi vận động chi nhiều đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng hóa học cao.
MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG
Như ta thấy công và năng lượng có liên quan mật thiết với nhau và có cùng đơn vị Joules. Năng lượng có thể được dự trữ nhưng công thì không. Về bản chất công là quá trình thay đổi năng lượng từ dạng này sang một dạng khác và do đó xác định mối quan hệ giữa công và năng lượng. Quan hệ cơ bản là công được thực hiện (W) bằng với thay đổi năng lượng (ΔE) và được tính bằng công thức:
W = ΔE = E cuối – E đầu
Trong ví dụ động năng ở trên, năng lượng thay đổi giữa các bước chạy là 200 J là do công được thực hiện khi nhảy mỗi bước.
Hãy xét một ví dụ khác
Một vận động viên nhảy cao có khối lượng 70 kg tác động một lực trung bình 2000N trong một quãng đường 0.4 m. Hãy tính tốc độ của vận động viên vào lúc nhảy lên.
Giải
Vận động viên nhảy cao có vận tốc thẳng đứng bằng zero ở điểm hạ người thấp nhất (ban đầu) và vận tốc tối đa vào lúc nhảy lên (cuối).
Công thực hiện = thay đổi động năng
- d = [1⁄2 m.v2]cuối – [1⁄2 m.v2]ban đầu
- Vì động năng ban đầu = 0¸ ta có
- d = [1⁄2 m.v2]cuối
- 2000* 0,4 = 1⁄2* 70*v2
- Do đó v2 = 22.85
Kết quả: v = 4,78 m/s hay vận tốc của vận động viên vào lúc nhảy lên là 4,78m/s.
ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ BẢO TOÀN CƠ NĂNG
Năng lượng không được tạo ra hoặc mất đi mà tổng năng lượng vẫn không đổi vì nó chuyển từ dạng này sang dạng khác. Định luật này là một trong những phát kiến lớn của khoa học và giúp ta hiểu về thế giới xung quanh.
Sự bảo toàn năng lượng cơ học là một dạng đặc biệt của định luật bảo toàn năng lượng có giá trị trong khoa học vận động và thể thao vì nó chỉ sử dụng dạng năng lượng cơ học. Sự bảo toàn này là sự biến đổi chỉ hai loại năng lượng: thế năng trọng trường và động năng thẳng và góc.
Ta có tổng năng lượng cơ học của vật ∑E (không đổi) bằng tổng các loại năng lượng thành phần:
∑E = Eđnt + Eđnx + Et = ½ mv2 + ½ I.ω2+ mgh
Dựa vào công thức này, ta có thể tính được sự biến đổi năng lượng cơ học từ dạng này sang dạng khác.
Nói chung sự bảo toàn cơ năng có thể áp dụng với các vật ở không trung khi mà sức cản không khí có thể bỏ qua. Nó không thể ứng dụng khi có sự mất mát năng lượng rõ rệt do ma sát hoặc sức cản khác.