Thế năng và động năng trên cầu trượt: độ cao đổi thành tốc độ

Khi bạn leo lên đỉnh cầu trượt, cơ bắp của bạn cất năng lượng vào độ cao, gọi là thế năng. Trượt xuống, thế năng biến thành động năng, năng lượng của chuyển động, nên bạn nhanh dần. Nếu không có ma sát, từ đỉnh cầu trượt cao 2 mét bạn sẽ chạm đất ở khoảng 23 km/h; trong thực tế chậm hơn nhiều, vì một phần năng lượng đã biến thành hơi ấm ở quần và mặt máng trượt.

Năng lượng không mất đi, chỉ đổi dạng

Một trong những ý tưởng lớn nhất của khoa học là định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không tự sinh ra, không tự mất đi, chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Cầu trượt ở sân trường là nơi tuyệt vời để thấy điều đó.

Hãy theo dõi năng lượng trong một lượt trượt:

1. Ăn sáng: bánh mì, cơm, sữa cho bạn năng lượng hóa học, cất trong cơ thể.
2. Leo thang: cơ bắp dùng năng lượng đó để nâng cơ thể lên cao. Năng lượng được cất thành thế năng.
3. Ngồi trên đỉnh: bạn đứng yên nhưng mang đầy thế năng, như một cục pin đã sạc.
4. Trượt xuống: thế năng giảm dần khi bạn thấp xuống, động năng tăng dần khi bạn nhanh lên.
5. Chạm đất: bạn dừng lại. Động năng đi đâu? Thành nhiệt ở chỗ ma sát, thành tiếng "sột soạt", thành chút rung động của máng trượt và mặt đất.

Không một chút năng lượng nào biến mất. Nó chỉ chuyển sang những dạng khó dùng lại hơn.

Thế năng: năng lượng của độ cao

Thế năng trọng trường phụ thuộc vào ba thứ: khối lượng của bạn, độ cao bạn đứng, và độ mạnh của trọng lực. Viết gọn:

Thế năng = khối lượng × 9,8 × độ cao

Đơn vị là jun (J). Một bạn nặng 30 kg đứng trên đỉnh cầu trượt cao 2 m có thế năng khoảng 30 × 9,8 × 2 = 588 J so với mặt đất. Để hình dung: 588 J đủ để nâng một chai nước 1 lít lên cao khoảng 60 mét, hoặc thắp một bóng đèn LED 6 W trong khoảng một phút rưỡi.

Lưu ý: thế năng luôn tính so với một mốc nào đó. Đứng trên tầng 3 thì so với sàn tầng 3 bạn có thế năng bằng 0, nhưng so với mặt đường bên dưới thì có rất nhiều.

Động năng: năng lượng của tốc độ

Động năng = ½ × khối lượng × tốc độ × tốc độ

Chú ý tốc độ được nhân hai lần. Nghĩa là chạy nhanh gấp đôi thì động năng gấp bốn, nhanh gấp ba thì gấp chín. Đây là lý do va chạm ở tốc độ cao nguy hiểm hơn nhiều so với cảm giác của ta.

Cầu trượt cao bao nhiêu thì nhanh bao nhiêu

Đặt thế năng ở đỉnh bằng động năng ở chân (giả sử không có ma sát), khối lượng ở hai bên triệt tiêu nhau, và ta có một kết quả gọn gàng: tốc độ ở chân dốc chỉ phụ thuộc vào độ cao, không phụ thuộc vào người nặng hay nhẹ, cũng không phụ thuộc máng dốc hay thoải.

Độ cao đỉnh cầu trượt	Tốc độ ở chân (không ma sát)	Đổi ra km/h
1 m	khoảng 4,4 m/s	khoảng 16 km/h
1,5 m	khoảng 5,4 m/s	khoảng 20 km/h
2 m	khoảng 6,3 m/s	khoảng 23 km/h
3 m	khoảng 7,7 m/s	khoảng 28 km/h
10 m (máng trượt nước lớn)	khoảng 14 m/s	khoảng 50 km/h

Trên cầu trượt thật, bạn đến chân dốc chậm hơn bảng này, thường chỉ bằng một nửa hoặc ít hơn, vì ma sát giữa quần áo và mặt máng lấy đi phần lớn năng lượng. Ở máng trượt nước của công viên nước, lớp nước chảy làm ma sát giảm rất nhiều, nên tốc độ thực tế gần với bảng hơn, và người ta phải làm một đoạn máng dài nằm ngang hoặc một hồ nước ở cuối để giảm tốc an toàn.

Máng dốc hay máng thoải, cái nào nhanh hơn ở chân?

Nếu không có ma sát, cả hai cho cùng tốc độ ở chân khi cùng độ cao. Máng dốc làm bạn tới nơi sớm hơn, máng thoải mất nhiều thời gian hơn, nhưng tốc độ cuối bằng nhau. Trong đời thật, máng thoải dài hơn nên ma sát có nhiều thời gian "ăn" năng lượng hơn, và bạn thường đến chân chậm hơn một chút.

Vì sao có hôm trượt nhanh, có hôm trượt chậm

• Quần áo: quần vải trơn, áo khoác gió trượt nhanh hơn quần jean thô hay quần thun bám.
• Mặt máng: máng nhựa mới, sạch thì trơn; máng bám bụi, cát thì nhám hơn.
• Độ ẩm: máng hơi ẩm sương sớm có thể bám hơn hoặc trơn hơn tùy chất liệu và quần áo.
• Tư thế: ngả lưng nằm xuống làm diện tích tiếp xúc khác đi và giảm sức cản không khí, nhưng không an toàn ở cầu trượt sân chơi. Hãy luôn ngồi, chân đi trước.

Người nặng và người nhẹ có trượt khác nhau không? Theo lý thuyết, ma sát trượt cũng tăng theo trọng lượng, nên khối lượng lại triệt tiêu, hai người trượt gần như bằng nhau. Trong thực tế, người nặng hơn thường nhanh hơn một chút vì sức cản không khí ảnh hưởng ít hơn tới họ, và vì quần áo, tư thế mỗi người một khác.

Những điều thú vị trên cầu trượt nhựa

Tóc dựng đứng

Trượt xuống cầu trượt nhựa trong ngày khô hanh, tóc bạn có thể dựng đứng lên và chạm vào bạn khác thì bị "tách" điện nhẹ. Đó là tĩnh điện: ma sát giữa quần áo và mặt nhựa làm các hạt điện tích nhỏ xíu chuyển từ vật này sang vật kia. Cơ thể bạn mang điện tích cùng loại, các sợi tóc đẩy nhau ra. Đây cũng là năng lượng đổi dạng.

Cầu trượt kim loại giữa trưa nắng

Cầu trượt bằng kim loại hoặc nhựa sẫm màu dưới nắng gắt có thể nóng tới mức gây bỏng da, nhất là với em nhỏ. Năng lượng Mặt Trời đã đổi thành nhiệt cất trong máng. Luôn chạm thử bằng mu bàn tay trước khi cho trẻ nhỏ trượt vào những ngày nắng to.

Năng lượng đổi dạng ở khắp nơi quanh bạn

Nơi	Năng lượng đổi từ	Sang
Thủy điện	Thế năng của nước trên hồ cao	Động năng của nước rồi thành điện
Xích đu	Thế năng ở hai đầu	Động năng ở giữa, rồi lại thế năng
Nhảy sào	Động năng khi chạy đà	Thế năng đàn hồi của sào, rồi thế năng độ cao
Phanh xe đạp	Động năng của xe	Nhiệt ở má phanh và vành xe
Đồng hồ quả lắc	Thế năng của quả tạ treo	Động năng của con lắc và bánh răng

Nhà máy thủy điện Hòa Bình trên sông Đà làm đúng việc của chiếc cầu trượt: nước từ hồ chứa trên cao chảy xuống qua các đường ống, quay tua-bin, và động năng của nước được đổi thành điện năng cho hàng triệu gia đình.

Thử làm: con dốc và quãng lăn

Bạn sẽ kiểm tra xem độ cao thả ảnh hưởng thế nào đến tốc độ ở chân dốc, bằng cách đo quãng đường một chiếc xe đồ chơi lăn tiếp trên sàn.

Chuẩn bị: một tấm ván hoặc bìa cứng dài khoảng 60–80 cm, chồng sách, một ô tô đồ chơi nhỏ hoặc một quả bóng ten-nít, thước dây, băng dính giấy để đánh dấu.

1. Kê một đầu ván lên chồng sách sao cho đầu ván cao 10 cm. Đánh dấu điểm thả trên ván.
2. Thả xe từ điểm đánh dấu, không đẩy. Đo xem xe lăn tiếp trên sàn được bao xa kể từ chân ván. Làm ba lần và lấy số ở giữa.
3. Nâng đầu ván lên 20 cm, rồi 30 cm, 40 cm. Mỗi độ cao đo ba lần.
4. Ghi kết quả vào bảng hai cột: độ cao và quãng lăn.

Dự đoán trước: nâng độ cao gấp đôi thì quãng lăn dài gấp đôi, gấp bốn hay chỉ dài thêm một chút? Theo lý thuyết, nếu ma sát trên sàn đều nhau, quãng lăn tỉ lệ với năng lượng ở chân dốc, mà năng lượng đó tỉ lệ với độ cao. Vậy độ cao gấp đôi thì quãng lăn cũng xấp xỉ gấp đôi. Kết quả của bạn có khớp không? Nếu không, thử nghĩ xem ma sát ở chỗ chuyển từ ván xuống sàn có ảnh hưởng gì.

Thử thêm: giữ nguyên độ cao 30 cm nhưng phủ khăn lên mặt ván, hoặc đổi sang sàn trải thảm. Năng lượng đã "đi đâu"?

Cầu trượt an toàn

Hiểu vật lý giúp hiểu vì sao có những quy tắc ở sân chơi: chỉ trượt khi người phía trước đã rời chân dốc (để không có hai vật va nhau), ngồi và để chân đi trước (để chân, không phải đầu, là phần chạm đất đầu tiên), không leo ngược lên máng khi có người đang trượt xuống. Chân cầu trượt nên có cát, thảm cao su hoặc mặt đệm mềm để hấp thụ phần động năng còn lại nếu ai đó trượt ngã.

Câu hỏi thường gặp

Thế năng và động năng là gì?

Thế năng là năng lượng vật có nhờ vị trí, như nhờ ở trên cao. Động năng là năng lượng vật có nhờ chuyển động, càng nhanh thì càng lớn. Trượt cầu trượt là ví dụ thế năng ở đỉnh biến dần thành động năng ở chân dốc.

Người nặng có trượt cầu trượt nhanh hơn người nhẹ không?

Theo lý thuyết, tốc độ ở chân dốc chỉ phụ thuộc vào độ cao, nên người nặng và người nhẹ gần như bằng nhau. Trong thực tế, người nặng hơn có thể nhanh hơn chút ít do sức cản không khí ảnh hưởng ít hơn, và quần áo, tư thế cũng tạo khác biệt.

Định luật bảo toàn năng lượng là gì?

Là định luật nói rằng năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi, chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Khi trượt xuống, năng lượng không biến mất mà chuyển thành nhiệt, âm thanh và rung động do ma sát.

Vì sao trượt cầu trượt nhựa bị tóc dựng đứng?

Ma sát giữa quần áo và mặt nhựa làm điện tích chuyển từ vật này sang vật kia, cơ thể bị nhiễm tĩnh điện. Các sợi tóc mang điện tích cùng loại nên đẩy nhau, dựng đứng lên, nhất là trong những ngày khô hanh.

Vì sao chân cầu trượt cần có cát hoặc thảm mềm?

Lớp mềm ở chân dốc giúp cơ thể dừng lại trên một quãng dài hơn khi chạm đất hoặc ngã, nên lực tác động nhỏ hơn. Đó là cách hấp thụ phần động năng còn lại một cách an toàn.