Bảo toàn năng lượng vòng

Trả lời ngắn gọn:
Có thể áp dụng định luật bảo toàn năng lượng (cơ năng) trong bài toán hạt cườm trượt trên vòng tròn nếu ta giả thiết không có ma sát hoặc các lực cản ngoài (ví dụ, bỏ qua ma sát trục quay, ma sát giữa hạt và vòng...). Khi đó, lực duy nhất sinh công đáng kể lên hệ là trọng lực, nên cơ năng được bảo toàn.

---

Phân tích chi tiết

1. Mô tả bài toán:

   • Ta có một chiếc vòng tròn (coi như một khung cứng), có thể quay quanh trục cố định đi qua tâm vòng.
   • Trên vòng có luồn một hạt cườm nhỏ. Ban đầu hạt được giữ ở điểm cao nhất của vòng (đỉnh), không có vận tốc ban đầu. Sau đó buông hạt cho trượt trên vòng.

2. Các lực tác dụng lên hệ:

   • Trọng lực (mg): Tác dụng lên hạt cườm, hướng xuống dưới.
   • Phản lực của vòng lên hạt: Phản lực này vuông góc với mặt tiếp xúc (chính là tiếp tuyến của vòng tại vị trí hạt).
   • Lực liên kết/bản lề tại tâm (nếu xét đến vòng quay): Giữ cho vòng quay quanh tâm.

   Nếu bài toán giả thiết không có ma sát giữa hạt và vòng, và không tính ma sát trục quay thì:

   • Phản lực của vòng không sinh công (vì luôn vuông góc với chuyển động tức thời của hạt).
   • Trọng lực là lực duy nhất có sinh công.

3. Điều kiện bảo toàn cơ năng:

   • Không có lực ma sát hoặc các lực cản ngoài (không sinh công).
   • Chỉ có trọng lực sinh công.
     $\Rightarrow$ Tổng cơ năng (thế năng + động năng) của hệ (vòng + hạt) không đổi trong quá trình chuyển động.

4. Áp dụng bảo toàn năng lượng:

   • Thế năng thường được chọn mốc $0$ ở vị trí thấp nhất của vòng hoặc ở mặt phẳng nào tùy chọn, miễn nhất quán.
   • Động năng gồm:
     • Động năng tịnh tiến của hạt cườm (nếu ta coi khối lượng vòng rất lớn, không đáng kể chuyển động tịnh tiến).
     • Nếu vòng cũng quay được quanh tâm, ta phải tính thêm động năng quay của vòng (quán tính quay $\mathrm{I}$ của vòng).

   Trong nhiều bài toán, nếu vòng được coi là khối lượng lớn và không quay đáng kể, thì ta chỉ cần tính động năng của hạt cườm. Còn nếu vòng cũng chuyển động quay tự do, thì phải viết phương trình bảo toàn năng lượng cho cả hai (gồm $\frac{1}{2}I\omega^2$ và $\frac{1}{2}mv^2$).

5. Kết luận:

   • Có, ta hoàn toàn có thể sử dụng bảo toàn cơ năng (bảo toàn năng lượng) để giải bài toán này nếu các lực cản/ma sát được bỏ qua.
   • Khi áp dụng, cần cẩn thận xác định đâu là các dạng động năng (tịnh tiến, quay) và thế năng trong hệ.

---

Tóm lại, khi hạt cườm chuyển động trên một vòng tròn trơn (không ma sát) và vòng quay quanh trục cố định với ma sát trục không đáng kể, thì cơ năng của hệ được bảo toàn. Bạn có thể dễ dàng tính vận tốc của hạt tại vị trí bất kỳ dựa trên độ chênh lệch thế năng (từ đỉnh xuống vị trí đó).

Trả lời ngắn gọn:

Hạt cườm không chịu tác dụng của ma sát vì bài toán giả thiết bề mặt vòng tròn là hoàn toàn trơn. Phản lực từ vòng luôn vuông góc với chuyển động tức thời của hạt, do đó không làm việc và không làm thay đổi năng lượng cơ học của hệ. Vì vậy, bảo toàn cơ năng vẫn được áp dụng trong quá trình hạt trượt trên vòng.

---

Giải thích Chi tiết

1. Giả thiết về Hệ thống:

• Vòng tròn trơn: Bề mặt của vòng không có ma sát, nghĩa là không có lực ma sát cản trở chuyển động của hạt.
• Hạt cườm nhỏ: Khối lượng của hạt đủ nhỏ để bỏ qua việc vòng quay (hoặc coi vòng không quay nếu khối lượng vòng rất lớn).
• Không có lực cản khác: Không xét đến lực không khí hay các lực khác ngoài trọng lực và phản lực từ vòng.

2. Các Lực Tác Dụng lên Hạt Cườm:

• Trọng lực ($\vec{F}_g = mg$): Hướng xuống dưới, tác động trực tiếp lên hạt.
• Phản lực từ vòng ($\vec{N}$): Hướng vuông góc với bề mặt vòng tại vị trí hạt. Đây là lực phản tác dụng từ vòng lên hạt, ngăn hạt không rơi qua vòng.

3. Vì Sao Hạt Không Chịu Ma Sát?

• Giả thiết trơn: Bề mặt vòng được giả định là hoàn toàn trơn, nghĩa là hệ số ma sát ($\mu$) bằng 0. Do đó, không có thành phần lực ma sát cản trở chuyển động của hạt.
• Lực duy nhất cản chuyển động: Phản lực từ vòng ($\vec{N}$) chỉ có thành phần vuông góc với vận tốc tức thời của hạt, không có thành phần song song nên không sinh công.

4. Phản Lực Từ Vòng và Bảo Toàn Năng Lượng:

• Phản lực vuông góc với vận tốc: Vì $\vec{N}$ luôn vuông góc với hướng vận tốc tức thời của hạt, công do lực này sinh ra là:

  $$W = \vec{N} \cdot \vec{d} = N \cdot d \cdot \cos(90^\circ) = 0$$

  Như vậy, phản lực từ vòng không làm việc và không làm thay đổi năng lượng cơ học của hạt.

• Trọng lực làm công: Lực trọng lực có thành phần song song với chuyển động của hạt tại mỗi vị trí, do đó làm thay đổi thế năng và động năng của hạt.

5. Bảo Toàn Cơ Năng:

• Cơ năng của hệ: Bao gồm động năng ($K$) và thế năng ($U$).
• Không có công từ các lực không bảo toàn: Trong trường hợp này, chỉ có trọng lực là lực bảo toàn (có thể liên kết với một hàm thế năng), và không có lực ma sát hay lực khác làm mất năng lượng.
• Do đó: Tổng cơ năng của hệ $E = K + U$ luôn không đổi trong quá trình hạt trượt trên vòng.

6. Tóm Lược Lại Các Điều Kiện Bảo Toán Năng Lượng:

• Không có ma sát hoặc lực cản ngoài: Giúp loại bỏ khả năng mất năng lượng cơ học.
• Phản lực từ vòng không làm việc: Bởi vì nó luôn vuông góc với chuyển động, không ảnh hưởng đến năng lượng.
• Chỉ có lực trọng lực làm thay đổi cơ năng: Tác động qua việc biến đổi giữa động năng và thế năng.

7. Ví Dụ Minh Họa:

Giả sử hạt cườm được thả từ đỉnh vòng tròn (vị trí có thế năng cao nhất, động năng bằng 0).

• Tại một vị trí bất kỳ $\theta$ trên vòng:
  • Thế năng: Giảm xuống theo độ cao của vị trí $\theta$.
  • Động năng: Tăng lên tương ứng với sự giảm thế năng.
  • Tổng cơ năng: Vẫn bằng tổng cơ năng ban đầu tại đỉnh.

8. Kết Luận:

• Bảo toàn cơ năng là một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán vật lý trong các hệ thống mà năng lượng không bị mất đi do các lực không bảo toàn như ma sát.
• Trong trường hợp hạt cườm trên vòng tròn trơn:
  • Không có ma sát nên không có mất mát năng lượng.
  • Phản lực từ vòng không làm việc, không ảnh hưởng đến cơ năng.
  • Do đó, bảo toàn cơ năng hoàn toàn áp dụng và có thể được sử dụng để phân tích chuyển động của hạt một cách chính xác.

---

Lưu ý: Trong thực tế, hầu hết các hệ thống đều có một số lượng nhỏ ma sát hoặc lực cản khác. Tuy nhiên, trong các bài toán lý thuyết, giả thiết về ma sát trơn thường được sử dụng để đơn giản hóa và tập trung vào các khía cạnh cơ bản của vấn đề.