Để hiểu rõ cái này phải đi từ gốc rễ của nó
1/ Năng lượng là gì?
Để định nghĩa năng lượng là gì thì rất khó, nhưng hiểu một cách đơn giản thì lại rất dễ.
đơn giản: năng lượng = công = F.s cosα (J)
2/ Định lý động năng thực chất là gì?
- Bắt đầu với định luật II Newton về mặt độ lớn a = F/m trong đó F là hợp của tất ngoại lực tác dụng vào vật (lực gây cho vật gia tốc hoặc làm vật bị biến dạng)
câu hỏi: vậy lực ma sát có phải là ngoại lực không?
trả lời: có
câu hỏi: nhưng lực ma sát có gây ra gia tốc hay làm vật bị biến dạng đâu?
trả lời: bản chất lực ma sát là một loại lực đặc biệt, nó tự xuất hiện để cản trở chuyển động của vật, khi vật nằm im trên một bề mặt cũng có ma sát, lực ma sát cân bằng với các lực khác nên vật mới nằm yên => có thể hiểu lực ma sát vẫn gây ra gia tốc cho vật nhưng gia tốc này ngược chiều với gia tốc do một ngoại lực khác gâyt ra nên gia tốc tổng thể = 0.
- bằng toán học a = F/m => ma = F, lại cũng bằng toán học ta có thêm a = (v$^{2}$ - v$_{o}$$^{2}$)/2s với s là quãng đường vật đi được khi vận tốc thay đổi từ v$_{o}$ sang v.
- lại bằng toán học: ma = F => 0,5m(v$^{2}$ - v$_{o}$$^{2}$) = F.s = A
giả sử v$_{o}$ = 0 => 0,5mv$^{2}$ = A
vì A là năng lượng => biểu thức [0,5mv$^{2}$] cũng là năng lượng, nó chứa v (vận tốc) là đại lượng đặc trưng cho chuyển động => thôi thì gọi 0,5mv$^{2}$ = W$_{đ}$ là động năng (năng lượng chuyển động)
viết lại a = (v$_{2}$$^{2}$ - v$_{1}$$^{2}$)/2s về bản chất công thức không đổi chỉ có kí hiệu thay đổi thay vào biểu thức ma = F => 0,5m(v$_{2}$$^{2}$ - v$_{1}$$^{2}$) = F.s = A (1) => định lý động năng
=> định lý động năng đúng cho mọi trường hợp (chỉ xét trong chương trình vật lý đang học) có nghĩa là kể cả trường hợp có ma sát hay không có ma sát cũng vẫn đúng hết.
3/ Thế năng thực chất là cái gì?
thế năng nó là một dạng năng lượng tiềm năng (có khả năng sinh ra hoặc không sinh ra) ví dụ giữ một hòn đá ở độ cao h so với mặt đất, nếu cứ giữ mãi ở đó thì chả có đoạn dịch chuyển nào (s = 0 => A = 0) hay hòn đá không sinh ra năng lượng.
bỗng hệ thống giữ hòn đá hỏng => dưới tác dụng của trọng lực => kiểu gì hòn đá cũng phải rơi xuống => trọng lực làm hòn đá dịch chuyển được quãng đường s => trọng lực sinh công
xét biểu thức công của trọng lực: A = P.s = mg(h$_{1}$ - h$_{2}$) = mgh$_{1}$ - mgh$_{2}$ (2)
với h$_{1}$ và h$_{2}$ là hai độ cao khác nhau của hòn đá khi nó bắt đầu rơi tự do.
như vậy độ cao ban đầu của hòn đá sẽ liên quan đến năng lượng sinh ra trong khi rơi, và lại bằng toán học tá cũng tính ra được nếu hòn đá không rơi tự do mà trượt (lăn) không ma sát trên mặt phẳng nghiêng thì A = P.s = mg(h$_{1}$ - h$_{2}$) = mgh$_{1}$ - mgh$_{2}$ và trong nhiều trường hợp không có ma sát nữa thì công của trọng lực không phụ thuộc vào hình dạng của đường chuyển động mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối => cái lực có tính chất đặc biệt như vậy nên ta đặt cho nó cái tên đặc biệt là "lực thế" đi ^_^.
khi h$_{2}$ = 0 => A = mgh$_{1}$ = năng lượng = W$_{t}$, hay thôi gọi luôn nó là thế năng đi (năng lượng sinh ra từ lực thế)
từ (1) W$_{đ2}$ - W$_{đ1}$ = 0,5mv$_{2}$$^{2}$ - 0,5mv$_{1}$$^{2}$ = A
và (2) A = mgh$_{1}$ - mgh$_{2}$
=> 0,5mv$_{2}$$^{2}$ - 0,5mv$_{1}$$^{2 }$= mgh$_{1}$ - mgh$_{2}$ => 0,5mv$_{1}$$^{2}$ + mgh$_{1}$ = 0,5mv$_{2}$$^{2}$ + mgh$_{2}$ (3)
W$_{đ}$ là năng lượng sinh ra khi vật chuyển động
W$_{t}$ cũng là năng lượng
thôi thì ta gọi luôn W$_{đ}$ + W$_{t}$ = năng lượng luôn đi, nhưng mà nó liên quan đến chuyển động cơ vậy thì gọi ngắn gọn là "cơ năng" đi
khi không có ma sát W$_{đ1}$ + W$_{t1}$ = W$_{đ2}$ + W$_{t2}$ = W là các vị trí bất kỳ không phuộc vào thời gian thế mà nó lại bằng nhau => cơ năng không đổi trong suốt quá trình vật chuyển động hay nói cách khác cơ năng được bảo toàn.
nếu có ma sát thì sao.
W$_{đ2}$ - W$_{đ1}$ = 0,5mv$_{2}$$^{2}$ - 0,5mv$_{1}$$^{2}$ = A
mgh$_{1}$ - mgh$_{2}$ không bằng A nữa => không thể suy ra được (3) hay nói cách khác lúc đó cơ năng không bảo toàn nữa.