Trả lời nhanh
Lực cản của chất lưu (nước, không khí…) tác dụng lên vật chuyển động phụ thuộc vào ba nhóm yếu tố: hình dạng và kích thước của vật, tốc độ của vật so với chất lưu và bản chất của chất lưu (khối lượng riêng, độ nhớt). Nếu đề có phương án “tất cả các yếu tố trên” thì chọn phương án đó.
Lực cản của chất lưu là gì?
Chất lưu là tên gọi chung của chất lỏng và chất khí. Khi một vật chuyển động trong chất lưu, các phân tử chất lưu va chạm và trượt qua bề mặt vật, tạo ra lực ngược chiều chuyển động gọi là lực cản. Đó là lý do bơi dưới nước mệt hơn đi bộ trên cạn và chiếc lá rụng rơi chậm hơn hòn đá.
Ba yếu tố ảnh hưởng đến lực cản
1. Hình dạng và kích thước của vật
Vật có tiết diện cản rộng, hình dạng thô, góc cạnh chịu lực cản lớn hơn. Vật có dạng thuôn dài (hình giọt nước) giúp dòng chất lưu chảy mượt quanh vật nên lực cản nhỏ.
- Cá, chim, tàu cao tốc và xe đua có thân hình thuôn để giảm lực cản.
- Người nhảy dù mở dù thì diện tích cản tăng mạnh, nên rơi chậm lại.
2. Tốc độ của vật so với chất lưu
Vật chuyển động càng nhanh thì lực cản càng lớn. Ở tốc độ nhỏ, lực cản tăng gần như tỉ lệ với tốc độ. Ở tốc độ lớn, lực cản tăng nhanh hơn, xấp xỉ tỉ lệ với bình phương tốc độ, nên chạy xe máy ngược gió ở tốc độ cao cảm thấy rất nặng.
3. Tính chất của chất lưu
Chất lưu có khối lượng riêng lớn hoặc độ nhớt lớn thì lực cản lớn hơn. Cùng một vật, chuyển động trong nước bị cản mạnh hơn trong không khí, và trong mật ong còn bị cản mạnh hơn trong nước.
| Yếu tố | Tăng thì lực cản… | Ví dụ |
|---|---|---|
| Diện tích tiết diện cản | Tăng | Mở dù, xòe tay khi bơi |
| Độ “thuôn” của hình dạng | Giảm | Mũi tàu nhọn, xe đua thấp |
| Tốc độ so với chất lưu | Tăng | Đạp xe nhanh khi ngược gió |
| Khối lượng riêng, độ nhớt | Tăng | Đi trong nước chậm hơn trong không khí |
Công thức tham khảo (kiến thức mở rộng)
Ở tốc độ lớn, người ta thường viết gần đúng Fc = ½ · C · ρ · S · v2, trong đó C là hệ số cản phụ thuộc hình dạng, ρ là khối lượng riêng chất lưu, S là diện tích tiết diện cản, v là tốc độ. Công thức này giải thích vì sao cả ba yếu tố nói trên đều có mặt.
Tốc độ giới hạn khi rơi
Một vật rơi trong không khí chịu trọng lực không đổi nhưng lực cản tăng dần theo tốc độ. Đến lúc lực cản bằng trọng lực thì hợp lực bằng 0, vật rơi đều với một tốc độ giới hạn. Người nhảy dù khi mở dù làm tăng S nên tốc độ giới hạn giảm mạnh, đáp đất an toàn hơn.
Mẹo làm bài trắc nghiệm
- Thấy các phương án nêu từng yếu tố riêng lẻ (hình dạng, tốc độ, chất lưu), hãy xem có phương án tổng hợp không.
- Cẩn thận phương án “khối lượng của vật”: khối lượng không quyết định trực tiếp độ lớn lực cản, chỉ ảnh hưởng đến gia tốc của vật.
- Nhớ liên hệ thực tế: hình dạng, tốc độ, môi trường là những điều ta thấy rõ trong thể thao và giao thông.
Lỗi sai thường gặp
- Cho rằng vật nặng thì lực cản lớn. Thực tế lực cản phụ thuộc hình dạng, tốc độ, chất lưu chứ không phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng.
- Quên rằng lực cản luôn ngược chiều chuyển động.
- Nghĩ rằng chất khí không tạo ra lực cản đáng kể. Với ô tô, máy bay, lực cản không khí rất lớn ở tốc độ cao.
Bài tập có đáp án
- Vì sao xe đua có thân hình thấp và thuôn?
Đáp án: để giảm lực cản không khí nhờ giảm tiết diện cản và dòng khí chảy mượt hơn, giúp xe đạt tốc độ cao với ít năng lượng hơn. - Hai hòn bi cùng hình dạng, cùng kích thước rơi trong nước và trong dầu ăn, bi nào chịu lực cản lớn hơn ở cùng tốc độ?
Đáp án: bi rơi trong dầu ăn, vì dầu nhớt hơn nước nên lực cản lớn hơn. - Khi tốc độ xe tăng gấp đôi, lực cản không khí (theo công thức mở rộng) thay đổi thế nào?
Đáp án: tăng gấp bốn lần vì lực cản tỉ lệ với bình phương tốc độ.
Câu hỏi thường gặp
Lực cản của chất lưu phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Phụ thuộc vào hình dạng và kích thước vật, tốc độ của vật so với chất lưu và tính chất của chất lưu như khối lượng riêng, độ nhớt.
Vì sao dù mở ra thì người rơi chậm lại?
Dù làm tăng diện tích tiết diện cản nên lực cản không khí lớn hơn, lực này cân bằng với trọng lực ở tốc độ nhỏ hơn.
Chất lưu gồm những chất nào?
Chất lưu là tên gọi chung của chất lỏng và chất khí, những chất có thể chảy được và không giữ hình dạng cố định.