Câu hỏi vận dụng trang 16 Khoa học tự nhiên 9 Cánh diều: Trên công trường xây dựng, để đóng các cọc bê tông lún sâu xuống lòng đất, người ta dùng búa máy như hình 2.5...

Trên công trường xây dựng, để đóng các cọc bê tông lún sâu xuống lòng đất, người ta dùng búa máy như hình 2.5. Đầu búa có trọng lượng lớn được kéo lên một độ cao nhất định so với mặt đất rồi thả rơi xuống đập vào cọc bê tông.

Mô tả sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới ngay trước khi đập vào cọc. Bỏ qua sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng khái niệm về sự bảo toàn năng lượng (Trong quá trình chuyển động của vật, nếu lực cản rất nhỏ, ta có thể bỏ qua phần cơ năng chuyển hóa thành năng lượng nhiệt truyền vào môi trường. Khi đó, động năng giảm đi bao nhiêu thì thế năng tăng lên bấy nhiêu và ngược lại. Như vậy, tổng động năng và thế năng là không đổi. Ta nói cơ năng được bảo toàn.), khái niệm về thế năng, động năng, cơ năng. Sau đó, quan sát và phân tích hoạt động của cọc trong từng vị trí. Từ đó, lập luận để phân tích mô tả sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới ngay trước khi đập vào cọc.

Lời giải chi tiết :

Sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới trước khi đập vào cọc bê tông có thể mô tả như sau:

- Ở trạng thái bắt đầu (trước khi thả): Đầu búa ở trạng thái đứng im, nên động năng là 0. Đầu búa có thể được nâng lên một độ cao h so với mặt đất, nơi có thế năng được xác định bằng biểu thức \({W_t} = Ph\).

- Khi bắt đầu thả rơi: Thế năng bắt đầu giảm khi đầu búa bắt đầu rơi xuống, do độ cao giảm đi, vì vậy động năng bắt đầu tăng lên theo công thức \({W_d} = \frac{1}{2}m{v^2}\).

- Khi gần đến cọc bê tông: Thế năng giảm xuống còn rất nhỏ khi đầu búa gần đến cọc bê tông, vì vậy động năng tăng lên và đạt đến giá trị lớn nhất khi đầu búa sắp chạm vào cọc bê tông.

- Khi đập vào cọc bê tông: Thế năng giảm xuống 0 khi đầu búa đập vào cọc bê tông, vì đầu búa giảm độ cao đến mức thấp nhất, vì vậy toàn bộ thế năng đã được chuyển hóa thành động năng, và động năng này sẽ được truyền vào cọc bê tông, gây ra các hiện tượng va đập và chuyển động của cọc.

Trong quá trình này, giả sử không có sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường, năng lượng từ thế năng ban đầu đã được chuyển hóa hoàn toàn thành động năng trong quá trình đầu búa rơi và đập vào cọc bê tông.