Công cơ học là gì? Lý thuyết và bài tập về công cơ học

Công cơ học là gì?

Để tìm hiểu về công cơ học, chúng ta cùng xét ví dụ cụ thể:

- Một người dùng lực kéo một vật di chuyển khi đó được gọi là công cơ học.

- Khi đẩy tay vào bức tường dù dùng một lực rất lớn để đẩy nhưng bức tường không di chuyển → không được coi là thực hiện công cơ học.

Vậy, Công cơ học là hành động thực hiện trên một đối tượng, khi ấy gây ra một lực làm dịch chuyển đối tượng đó.

Theo định nghĩa trong bài 13 SGK Vật lý 8: Công cơ học là công của lực (khi một vật tác dụng lực lên vật khác và lực này sinh công thì có thể nói công đó là công của vật).

Công cơ học thường được gọi tắt là công.

Vậy khi nào có công cơ học? Công cơ học phụ thuộc vào yếu tố nào?

Điều kiện có công cơ học: Chỉ có công cơ học khi có lực tác dụng vào vật và làm cho vật di chuyển

Công cơ học phụ thuộc vào yếu tố: Lực tác dụng vào vật và quãng đường vật di chuyển.

Lưu ý: Lực tác dụng vào vật: Đối với từng trường hợp thì có sự khác nhau giữa các lực tác dụng. Khi thì là lực kéo, khi thì lực đó lại là trọng lực (Ví dụ: Quả táo bị rơi từ trên cây xuống thì lực thực hiện công lúc này là trọng lực). Chúng ta cần tìm ra lực nào đã thực hiện công đó.

Nếu muốn tăng hay giảm công, người ta sẽ cần tăng hoặc giảm một trong hai yếu tố này. Hoặc có trường hợp tăng/ giảm cả hai yếu tố cùng lúc tùy theo mục đích. Ta cũng có thể nói, quãng đường dịch chuyển càng dài thì công thực hiện càng lớn và ngược lại.

Công thức và đơn vị tính công cơ học

Công thức tính công cơ học

A = F.s.cosα

Trong đó:

• A: Công cơ học (công của lực)
• F: lực tác dụng
• s: quãng đường dịch chuyển
• α: là góc hợp bởi véc tơ dịch chuyển và véc tơ lực F

Khi lực F làm vật di chuyển một quãng đường s theo hướng của lực thì công thức tính công là: A = F.s

Đơn vị tính công là jun, kí hiệu là J

Tùy thuộc vào góc α mà công có thể là một đại lượng đại số âm, dương hoặc bằng 0

• α = 90° → A = 0 → lực không sinh công
• 0 ≤ α < 90° → A > 0 → lực sinh công dương
• α > 90° → A < 0 → lực sinh công âm (công cản)

Lưu ý:

• Xét trong hệ quy chiếu gắn với vật chuyển động theo phương ngang thì tất cả các lực vuông góc với phương ngang sẽ không sinh công cho dù các lực đó tác dụng vào vật và làm vật chuyển động.
• Xét trong hệ quy chiếu gắn với vật chuyển động theo phương thẳng đứng thì tất cả các lực vuông góc với phương thẳng đứng sẽ không sinh công cho dù các lực đó tác dụng vào vật làm vật chuyển động.

Ý nghĩa vật lí của các giá trị công cơ học

- Công âm (công cản) một số lực tác dụng vào vật không làm vật sinh công mà còn tiêu hao năng lượng trong hệ quy chiếu ta chọn. Ví dụ lực ma sát sẽ cản trở chuyển động tiến về phía trước của vật, lực này sinh công âm tức là sẽ tiêu hao năng lượng biểu hiện của nó là làm cho hệ chuyển động nóng lên tỏa nhiệt ra ngoài môi trường, phần năng lượng nhiệt năng này trong hệ chuyển động làm giảm năng lượng của hệ chuyển động khiến vật dừng lại nên gọi là phần năng lượng lãng phí.

- Công dương: lực tác dụng vào hệ sinh công làm vật chuyển động theo hệ quy chiếu ta chọn.

- Công bằng 0: lực tác dụng vào hệ không sinh công, hoặc công sinh ra nhưng không có tác dụng làm vật chuyển động trong hệ quy chiếu ta chọn.

Bài tập về công cơ học

Bài 1. Khi rửa gầm ô tô, người ta thường sử dụng máy nâng để nâng ô tô lên tới độ cao h = 160cm so với mặt sàn. Cho biết khối lượng ô tô là m = 1,5 tấn và gia tốc trọng trường g = 10m/s2. Tính công tối thiểu mà máy nâng cần thực hiện

Hướng dẫn giải

Để nâng được ô tô lên thì máy nâng phải tác dụng vào ô tô một lực tối thiểu

$F_{min} = P = m.g = 1,5. 10^3. 10 = 1,5. 10^4 N$

Công tối thiểu mà máy nâng cần thực hiện là

$A = P. h = 1,5. 10^4. 1,6 = 24000J = 24kJ$

Bài 2. Vật có khối lượng 2 kg trượt trên sàn có hệ số ma sát 0,2 dưới tác dụng của một lực không đổi có độ lớn 10N hợp với phương ngang góc 30°. Tính công của lực F và lực ma sát khi vật chuyển động được 5s, với $g = 10m/s^2$.

Hướng dẫn giải

m = 2 kg; µ = 0,2; $g = 10 m/s^2$; F = 10 N; α = 30°; t = 5s

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật

$F_{ms} = µ.(P – Fsinα) = 3N$

Áp dụng định luật II Newton theo phương ngang:

$Fcosα – F_{ms} = ma → a = 2.83 m/s^2$

Quãng đường vật đi được trong 5s là: $s = 0,5.a.t^2 = 35,375 (m)$

$A_F = F.s.cosα = 306,4 (J)$

$A_{F_{ms}} = F_{ms}. s. cos180° = -106,124 (J)$.

Bài 3. Người ta dùng một máy hơi nước hiệu suất 10% để đưa nước lên độ cao 9m. Sau 5 giờ, máy bơm được 720 m3 nước. Tính công suất có ích của máy?

A. 3,6kW    

B. 12,96MW    

C. 216kW    

D. 7,2kW

Bài 4. Suất điện động của một nguồn điện là 12V. Tính công của lực lạ khi dịch chuyển một lượng điện tích là 0,5C. bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương của nó?

A. 6J    

B. 3J    

C. 12J    

D. 24J

Bài 5. Một điện tích q chuyển động trong điện trường (đều hay không đều) theo một đường cong kín. Gọi công của lực điện trong chuyển động đó là A thì:

A. A > 0 nếu q > 0    

B. A > 0 nếu q < 0    

C. A khác 0 nếu điện trường không đều    

D. A = 0