Trả lời nhanh
Lực cản của chất lưu (chất lỏng, chất khí) là lực xuất hiện khi vật chuyển động so với chất lưu, có phương trùng phương chuyển động nhưng ngược chiều với chuyển động của vật. Độ lớn lực cản phụ thuộc hình dạng vật, diện tích tiết diện cản, tốc độ của vật và tính chất của chất lưu; tốc độ càng lớn thì lực cản càng lớn.
Lực cản của chất lưu là gì?
Chất lưu là tên gọi chung của chất lỏng và chất khí, tức những chất có thể chảy được. Khi một vật chuyển động trong nước hay trong không khí, nó phải “đẩy” các lớp chất lưu ra chỗ khác. Chất lưu tác dụng ngược lại lên vật một lực cản trở chuyển động, gọi là lực cản của chất lưu.
Ví dụ quen thuộc: bạn đạp xe ngược gió thấy nặng hơn, hoặc vung tay trong bể bơi thấy “nặng” hơn so với vung tay ngoài không khí.
Các đặc điểm của lực cản chất lưu
- Điều kiện xuất hiện: chỉ có khi có chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu. Vật đứng yên trong không khí lặng thì không có lực cản.
- Hướng: cùng phương, ngược chiều với vận tốc của vật so với chất lưu. Vì thế lực cản luôn làm vật chuyển động chậm dần nếu không có lực nào khác bù lại.
- Điểm đặt: tác dụng lên bề mặt tiếp xúc giữa vật và chất lưu (là lực tiếp xúc).
- Độ lớn phụ thuộc:
- tốc độ của vật: tốc độ càng lớn, lực cản càng lớn;
- hình dạng vật: vật có dạng thon, “khí động học” chịu lực cản nhỏ hơn;
- diện tích tiết diện cản (diện tích hình chiếu của vật lên mặt phẳng vuông góc với hướng chuyển động);
- tính chất chất lưu: khối lượng riêng và độ nhớt. Trong nước lực cản lớn hơn nhiều so với trong không khí.
- Không phụ thuộc áp lực lên mặt tiếp xúc như lực ma sát trượt giữa hai vật rắn.
Công thức gần đúng
Với vật chuyển động nhanh trong không khí, lực cản thường được mô tả gần đúng bằng:
Fc = ½ · C · ρ · A · v2
Trong đó C là hệ số cản (phụ thuộc hình dạng), ρ là khối lượng riêng của chất lưu, A là diện tích tiết diện cản, v là tốc độ. Với tốc độ rất nhỏ, lực cản gần tỉ lệ với v. Chương trình phổ thông chủ yếu yêu cầu nắm kết luận định tính: v tăng thì Fc tăng.
Ví dụ tự đặt
Một vật có C = 0,5; A = 0,5 m2 chuyển động với v = 10 m/s trong không khí (ρ ≈ 1,2 kg/m3). Lực cản:
Fc = ½ · 0,5 · 1,2 · 0,5 · 102 = 15 N.
Nếu tốc độ tăng gấp đôi (20 m/s) thì Fc = 60 N, gấp 4 lần – cho thấy tốc độ ảnh hưởng rất mạnh.
Hệ quả: tốc độ giới hạn khi rơi
Vật rơi trong không khí chịu trọng lực không đổi và lực cản tăng dần theo tốc độ. Đến lúc lực cản bằng trọng lực, hợp lực bằng 0 và vật rơi đều với tốc độ giới hạn. Đây là lý do giọt mưa không rơi nhanh như viên đạn, và người nhảy dù mở dù để tăng diện tích cản, giảm tốc độ giới hạn.
Phân biệt nhanh các nhận định thường gặp
| Nhận định | Đúng/Sai | Vì sao |
|---|---|---|
| Lực cản cùng chiều chuyển động của vật | Sai | Lực cản luôn ngược chiều chuyển động. |
| Vật đứng yên trong chất lưu vẫn chịu lực cản | Sai | Cần có chuyển động tương đối. |
| Lực cản phụ thuộc hình dạng vật | Đúng | Dạng thon làm giảm hệ số cản. |
| Lực cản không phụ thuộc tốc độ | Sai | Tốc độ tăng thì lực cản tăng. |
| Lực cản chỉ có trong chất lỏng | Sai | Chất khí cũng gây lực cản. |
Mẹo nhớ và lỗi hay gặp
- Nhớ “Cản = ngược + nhanh thì mạnh + to thì mạnh”: ngược chiều chuyển động, tốc độ lớn và tiết diện lớn thì lực cản lớn.
- Lỗi hay gặp: nhầm lực cản với lực đẩy Archimedes. Lực đẩy hướng lên và phụ thuộc thể tích phần chìm; lực cản hướng ngược chuyển động và phụ thuộc tốc độ.
- Lỗi khác: cho rằng vật nặng thì lực cản lớn. Lực cản phụ thuộc hình dạng, tiết diện và tốc độ chứ không trực tiếp phụ thuộc khối lượng.
Bài luyện tập
- Bài 1. Một quả bóng chuyển động trong không khí, tốc độ tăng gấp 3 lần. Theo công thức Fc tỉ lệ v2, lực cản thay đổi thế nào?
Đáp án: tăng 32 = 9 lần. - Bài 2. Vì sao vận động viên bơi lội mặc đồ bơi ôm sát và đội mũ bơi?
Đáp án: để giảm hệ số cản và tiết diện cản, nên giảm lực cản của nước. - Bài 3. Người nhảy dù có tổng khối lượng 80 kg, rơi đều. Lấy g = 10 m/s2, tính lực cản của không khí.
Đáp án: rơi đều nên Fc = P = 80 · 10 = 800 N.
Câu hỏi thường gặp
Lực cản của chất lưu có hướng như thế nào?
Lực cản có cùng phương và ngược chiều với vận tốc của vật so với chất lưu, nên luôn cản trở chuyển động của vật.
Lực cản của chất lưu phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Phụ thuộc tốc độ của vật, hình dạng vật, diện tích tiết diện cản và tính chất của chất lưu như khối lượng riêng, độ nhớt.
Vì sao vật rơi trong không khí có tốc độ giới hạn?
Lực cản tăng theo tốc độ. Khi lực cản cân bằng với trọng lực, hợp lực bằng 0 và vật rơi đều với tốc độ không đổi.
Lực cản của chất lưu khác lực ma sát trượt ở điểm nào?
Lực cản chất lưu phụ thuộc tốc độ và hình dạng vật, còn ma sát trượt giữa hai vật rắn phụ thuộc chủ yếu vào hệ số ma sát và áp lực.