Công cơ học là gì? Cách tính và ứng dụng trong thực tế

Công cơ học là gì?

Công cơ học là một đại lượng vô hướng, được định nghĩa là tích số của lực tác dụng lên vật và quãng đường mà vật di chuyển dọc theo phương tác dụng của lực đó. Nói cách khác, công cơ học là số lượng năng lượng mà lực chuyển từ người tác dụng lực sang vật chịu lực.

Công thức tính công cơ học

Công cơ học được ký hiệu là A và tính bằng công thức:

A = F.S

Trong đó:

• - A: Công cơ học (J - Jun)
• - F: Lực tác dụng lên vật (N - Niutơn)
• - S: Quãng đường vật di chuyển dọc theo phương lực tác dụng (m - mét)

Đặc điểm của công cơ học

Công cơ học có một số đặc điểm chính sau:

• - Là một đại lượng vô hướng: Công không phụ thuộc vào phương của lực và phương di chuyển của vật.
• - Đơn vị đo công trong hệ SI là J (Jun)
• - Khi lực không làm thay đổi vận tốc của vật, công bằng 0
• - Khi lực và quãng đường có cùng phương (vuông góc với nhau), công cũng bằng 0

Cách tính công cơ học trong một số trường hợp cụ thể

Trường hợp 1: Lực không đổi, vật chuyển động thẳng đều

Giả sử một lực F không đổi tác dụng lên vật, làm vật chuyển động thẳng đều với quãng đường S. Khi đó:

• - Vận tốc v của vật không đổi
• - Thời gian chuyển động t = S/v

Áp dụng công thức tính công, ta có:

A = F.S = F.v.t

Trường hợp 2: Lực không đổi, vật chuyển động thẳng biến đổi đều

Khi một lực F không đổi tác dụng lên vật, làm vật chuyển động thẳng theo quỹ đạo cong. Giả sử trong khoảng thời gian Δt, vật di chuyển quãng đường ΔS với vận tốc trung bình vm.

Khi đó, công của lực F trong khoảng thời gian Δt bằng:

A = F.ΔS = F.vm.Δt

Trường hợp 3: Lực biến thiên, quãng đường không đổi

Khi một lực biến thiên F tác dụng lên vật, làm vật di chuyển một quãng đường cố định S. Giả sử lực thay đổi liên tục từ F1 đến F2.

Khi đó, công của lực biến thiên này bằng:

A = S.(F1 + F2)/2

Ứng dụng của công cơ học trong thực tế

Công cơ học có nhiều ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật và trong cuộc sống hàng ngày, một số ứng dụng chính như:

Tính công suất, hiệu suất của máy

Dựa vào công thức tính công, có thể tính được công suất và hiệu suất của các loại máy móc, thiết bị. Từ đó đánh giá khả năng hoạt động và mức độ tiêu hao năng lượng của chúng.

Tính toán các thông số kỹ thuật thiết bị vận chuyển

Nhờ ứng dụng công cơ học mà các kỹ sư có thể tính toán chính xác các thông số kỹ thuật, tải trọng cho phép của ô tô, tàu hỏa, máy bay,... đảm bảo an toàn khi vận chuyển.

Đánh giá tiêu hao năng lượng lao động

Công cơ học giúp ước tính lượng năng lượng cơ thể tiêu hao khi làm việc, từ đó có chế độ dinh dưỡng hợp lý cho người lao động.

Ngoài ra, công cơ học còn được ứng dụng trong thiết kế cầu trụ, máy phát điện, tính toán khối lượng thuốc nổ cần sử dụng, v.v.. Có thể thấy công cơ học là một đại lượng vô cùng quan trọng trong khoa học kỹ thuật.

Một số bài tập vận dụng công cơ học

Dưới đây là một số ví dụ bài tập vận dụng công cơ học trong thực tế:

Bài 1: Tính công của lực kéo

Một chiếc xe bị kéo trên đường ngang bằng lực F = 200N. Bánh xe xe trượt trên mặt đường, hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là 0,2. Tính công của lực kéo sau khi chiếc xe chuyển động được đoạn đường 10m.

• Lấy hệ trục toạ độ: Trục Ox là phương chuyển động của xe.
• Lực kéo xe F = 200N
• Lực ma sát f = μ.N = 0,2.m.g (với m là khối lượng xe, lấy g=10m/s2). Giả sử m=500kg nên f = 1000N
• Quãng đường di chuyển S = 10m
• Theo định luật 2 Newton: F - f = ma. Suy ra F - f = 0 nên a=0 => Xe chuyển động đều với v=0
• Công của lực ma sát Ams = 0
• Công của lực kéo A = F.S = 200*10 = 2000J

Vậy công của lực kéo sau khi chiếc xe di chuyển 10m bằng 2000J.

Bài 2: Tính công nén khí

Cho khối khí lý tưởng có thể tích ban đầu V1 = 10 lít bị nén đến thể tích V2 = 2 lít. Biết áp suất ban đầu của khối khí là p1 = 105 Pa. Tính công cần thiết để nén khí.

• Áp dụng định luật Boyle-Mariotte: p1.V1 = p2.V2. Suy ra p2 = (p1.V1)/V2 = (105*10)/2 = 5.105 Pa
• Công nén A = S(p2.dV). Lấy công thức tích phân suy rộng, ta có:

  A = p2.(V2-V1) = 5.105.(2-10) = -4.105 J

Như vậy, công cần thiết để nén khí là 4.105 J.

Các bạn có thể tham khảo thêm nguồn khác: