Trả lời nhanh
Đáp án đúng: B. Hình dạng khí động học. Vật có dạng thuôn dài, đầu tròn và đuôi thon dần (giống giọt nước hay thân cá) làm dòng chất lưu chảy êm quanh vật, ít tạo xoáy phía sau nên lực cản nhỏ nhất. Khối cầu cản ít hơn tấm phẳng nhưng vẫn lớn hơn nhiều so với dạng khí động học.
Đề bài và đáp án
Câu hỏi: “Hình dạng nào của vật cho lực cản nhỏ nhất?” Hai phương án có trong đề là:
- A. Khối cầu
- B. Hình dạng khí động học
Đáp án: B. Phần dưới giải thích vì sao A chưa phải là hình dạng tối ưu.
Lực cản của chất lưu phụ thuộc vào những gì?
Khi vật chuyển động nhanh trong không khí hoặc nước, lực cản được tính gần đúng bằng công thức:
Fc = ½ · C · ρ · S · v2
- C: hệ số cản, phụ thuộc vào hình dạng và độ nhẵn bề mặt của vật.
- ρ: khối lượng riêng của chất lưu (nước đặc hơn không khí khoảng 800 lần).
- S: diện tích tiết diện chắn gió (diện tích hình chiếu của vật lên mặt phẳng vuông góc với hướng chuyển động).
- v: tốc độ của vật so với chất lưu.
Như vậy, với cùng tiết diện và cùng tốc độ, vật nào có hệ số C nhỏ hơn thì lực cản nhỏ hơn. Hình dạng chính là yếu tố làm thay đổi C.
Vì sao dạng khí động học cản ít nhất?
Lực cản gồm hai phần: ma sát của lớp chất lưu sát bề mặt và chênh lệch áp suất giữa phía trước và phía sau vật. Với vật “cùn” như tấm phẳng hay khối cầu, dòng chất lưu bị tách khỏi bề mặt ở phía sau, tạo vùng xoáy có áp suất thấp. Vùng này “kéo” vật lùi lại, làm lực cản tăng.
Vật có dạng khí động học có đuôi thon dần nên dòng chất lưu ôm sát bề mặt rồi hợp lại êm ở phía sau. Xoáy gần như không xuất hiện, chênh lệch áp suất rất nhỏ, và lực cản giảm mạnh.
So sánh hệ số cản của một số hình dạng
| Hình dạng (cùng tiết diện) | Hệ số cản C (giá trị gần đúng) | Nhận xét |
|---|---|---|
| Tấm phẳng đặt vuông góc với dòng | khoảng 1,1 – 1,3 | Cản rất lớn, xoáy mạnh phía sau |
| Khối lập phương | khoảng 1,0 | Góc cạnh làm dòng tách đột ngột |
| Khối cầu | khoảng 0,5 | Cản vừa phải, vẫn còn vùng xoáy sau cầu |
| Dạng khí động học (giọt nước) | dưới 0,1 | Cản nhỏ nhất |
Các số trên chỉ để so sánh thứ tự lớn nhỏ; giá trị cụ thể còn thay đổi theo tốc độ và độ nhám.
Loại trừ phương án A (khối cầu)
Khối cầu có bề mặt cong nên cản ít hơn vật góc cạnh. Nhiều bạn thấy “tròn trơn” là chọn ngay. Nhưng phía sau quả cầu dòng chất lưu vẫn tách ra và tạo xoáy, nên C vẫn lớn gấp nhiều lần dạng giọt nước. Vì vậy khối cầu không phải hình dạng cho lực cản nhỏ nhất.
Ví dụ trong thực tế
- Thân cá heo, cá mập, chim cắt khi lao xuống: thon dài, đầu tròn, đuôi nhọn.
- Xe đua, tàu cao tốc, máy bay: mũi tròn, thân thuôn, thấp để giảm S và C.
- Mũ bảo hiểm của vận động viên đua xe đạp có phần đuôi kéo dài ra phía sau.
Mẹo nhớ và lỗi sai thường gặp
- Mẹo: “Đầu tròn – đuôi thon thì dòng chảy êm, ít xoáy, ít cản”.
- Sai lầm 1: nghĩ chỉ cần vật tròn là cản nhỏ nhất. Phần đuôi mới quyết định có xoáy hay không.
- Sai lầm 2: nhầm lực cản với lực ma sát trượt. Lực cản của chất lưu tăng theo tốc độ, còn ma sát trượt gần như không phụ thuộc tốc độ.
Bài luyện tập
Bài 1. Một vật có S = 0,5 m2, C = 0,4 chuyển động với v = 10 m/s trong không khí (ρ = 1,2 kg/m3). Tính lực cản.
Giải: Fc = ½ · 0,4 · 1,2 · 0,5 · 102 = 12 N.
Bài 2. Giữ nguyên hình dạng và tiết diện, nếu tốc độ tăng gấp đôi thì lực cản tăng bao nhiêu lần?
Giải: Fc tỉ lệ với v2 nên tăng 22 = 4 lần.
Bài 3. Vì sao xe đua thường được thiết kế thấp, mũi tròn và đuôi vuốt dần?
Đáp án: Để giảm tiết diện chắn gió S và hệ số cản C, nhờ đó giảm lực cản không khí ở tốc độ cao.
Kết luận
Hình dạng cho lực cản nhỏ nhất là dạng khí động học (phương án B), vì nó hạn chế tách dòng và xoáy phía sau vật. Khối cầu cản ít hơn vật góc cạnh nhưng vẫn kém xa dạng thuôn.
Câu hỏi thường gặp
Hình dạng nào của vật cho lực cản nhỏ nhất?
Hình dạng khí động học: đầu tròn, thân thuôn dài, đuôi thon dần như giọt nước. Dạng này hạn chế xoáy phía sau nên hệ số cản rất nhỏ.
Khối cầu có phải hình dạng cản ít nhất không?
Không. Khối cầu cản ít hơn tấm phẳng hay khối lập phương nhưng phía sau vẫn có vùng xoáy, nên lực cản lớn hơn nhiều so với dạng khí động học.
Lực cản của không khí phụ thuộc vào yếu tố nào?
Phụ thuộc vào hình dạng (hệ số cản C), khối lượng riêng chất lưu, diện tích tiết diện chắn gió và bình phương tốc độ: Fc = ½·C·ρ·S·v².
Vì sao cá và chim bay nhanh có thân hình thuôn?
Thân thuôn giúp dòng nước hoặc không khí chảy êm quanh cơ thể, giảm lực cản và tiết kiệm năng lượng khi di chuyển nhanh.