Thí nghiệm về định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng
Con quay Maxell
View

Mô tả thí nghiệm: Một con quay có trục được buộc hai đầu vào hai dải băng sao cho khi con quay quay, thì trục của nó cuộn hai dải băng vào và con quay được nâng lên. Quan sát và liên hệ giữa tốc độ quay của con quay và độ cao của nó.

Cơ sở lý thuyết

Trong các quá trình vật lý nói riêng và quá trình vận động của thế giới vật chất nói chung, sự chuyển biến năng lượng luôn tuân theo định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Định luật này được phát biểu như sau:
Năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi, nó chỉ chuyển từ vật này sang vật khác hoặc từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Ta có thể kiểm chứng định luật này bằng một dụng cụ thí nghiệm sau: treo một con quay lên giá bằng cách buộc chặt hai đầu trục của nó vào hai dải băng (hoặc hai sợi dây) sao cho khi con quay quay, làm cho trục con quay cũng quay và nó cuộn hai dải băng vào. Vì đầu kia của hai dải băng bị gắn cố định lên giá nên khi cuộn dải băng, chính con quay sẽ bị nâng lên. Con quay được treo theo kiểu này gọi là con quay Maxell.
ở vị trí ban đầu, trục con quay chưa cuốn dải băng, giả sử con quay ở độ cao bằng không. Bây giờ, ta dùng tay quay con quay để cuộn dải băng lại đến một mức độ nào đó, tức là nó sẽ bị lên cao đến độ cao h. Vì khối lượng m của con quay là đáng kể, nên nó sẽ tích tụ thế năng Wt = mgh, con quay không quay nên động năng bằng không.
Sau đó, thả tay ra, trọng lực của con quay làm cho nó chuyển động xuống, khiến nó phải nhả dải băng ra và điều này làm cho con quay quay. Trong khi con quay chuyển động xuống, hai dải băng luôn tác dụng một mômen lực cùng chiều với mômen động lượng của con quay nên chuyển động quay là nhanh dần (không đều), tức là động năng tăng dần. Mặt khác, độ cao giảm dần dẫn đến thế năng giảm dần.
Khi con quay chuyển động xuống đến vị trí ban đầu, độ cao của nó bằng không nên thế năng Wt = 0. Tuy nhiên chuyển động quay của con quay khi đó là nhanh nhất, nên động năng của chuyển động quay là cực đại. Vì vận tốc rơi xuống của con quay khá nhỏ nên động năng chuyển động xuống là không đáng kể, có thể bỏ qua. Như vậy động năng của hệ lúc năng bằng động năng của chuyển động quay:

Wđ = Iw2/2 = mR2w2/2
với m, khối lượng con quay, R: bán kính của con quay hình vành khăn (coi khối lượng các thanh nối con quay với trục không đáng kể).
Như vậy toàn bộ thế năng của con quay đã chuyển thành động năng quay của nó. Các phép đo đã cho biết Wt = mgh = mR2w2/2 = Wđ tức là năng lượng của hệ được bảo toàn, không hề biến đổi.
Lúc này, con quay quay với tốc độ nhanh nhất, theo quán tính, nó tiếp tục quay và cuộn hai dải băng lại, do vậy nó bị nâng lên, tức là thế năng sẽ tăng lên. Mặt khác trọng lực lại gây ra một mômen lực ngược chiều với chiều mômen động lượng của con quay (vì lần này dải băng được cuốn theo chiều ngược với lần trước) do đó con quay quay chậm dần (không đều), động năng giảm dần.
Nếu như coi các lực ma sát, lực cản không khí không đáng kể thì con quay sẽ được nâng lên đến độ cao h thì thôi không quay nữa. Khi đó thế năng lại bằng mgh, động năng bằng không, tức là năng lượng vẫn có giá trị như ban đầu.
Như vậy trong quá trình vật lý này, năng lượng không hề bị mất đi và chỉ chuyển từ dạng thế năng sang dạng động năng và ngược lại.