Trả lời nhanh
Khi một vật chuyển động trong chất lưu (nước, không khí), chất lưu tác dụng lên vật hai thành phần lực: lực cản, cùng phương nhưng ngược chiều chuyển động, làm vật chậm lại; và lực nâng, vuông góc với hướng chuyển động, có thể nâng vật lên như ở cánh máy bay. Cả hai phụ thuộc vào tốc độ, hình dạng vật và tính chất của chất lưu.
1. Chất lưu và lực của chất lưu tác dụng lên vật
Chất lưu là tên gọi chung của chất lỏng và chất khí, tức là những chất có thể chảy được. Khi bạn bơi trong hồ, đạp xe ngược gió hay thả một chiếc lá rơi, bạn đang thấy vật chuyển động trong chất lưu.
Lực mà chất lưu tác dụng lên vật đang chuyển động tương đối so với nó thường được tách làm hai thành phần để dễ nghiên cứu:
- Lực cản: thành phần cùng phương, ngược chiều với chuyển động của vật.
- Lực nâng: thành phần vuông góc với hướng chuyển động của vật.
Mẹo nhớ: cản thì “ngược”, nâng thì “vuông”. Lực cản “kéo lùi” vật, còn lực nâng “đẩy lệch” vật sang bên (thường là lên trên).
2. Lực cản của chất lưu
2.1. Khái niệm
Lực cản của chất lưu là lực do chất lưu tác dụng lên vật, có chiều ngược với chiều chuyển động của vật so với chất lưu. Nguyên nhân là vật phải “đẩy” các phần tử chất lưu ra khỏi đường đi của mình, đồng thời có ma sát giữa bề mặt vật và lớp chất lưu sát bên.
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản
| Yếu tố | Ảnh hưởng đến lực cản | Ví dụ |
|---|---|---|
| Tốc độ của vật | Tốc độ càng lớn, lực cản càng lớn | Đi xe máy nhanh cảm thấy gió “ép” vào người mạnh hơn |
| Diện tích mặt cản (tiết diện vuông góc với chuyển động) | Diện tích càng lớn, lực cản càng lớn | Dù mở rộng cản mạnh hơn dù gập lại |
| Hình dạng vật | Hình thuôn, trơn (dạng khí động học) cản ít hơn | Thân cá, đầu tàu cao tốc, vỏ xe đua |
| Tính chất chất lưu | Chất lưu đặc, nhớt hơn thì cản mạnh hơn | Đi bộ trong nước khó hơn đi trên cạn |
Với chuyển động chậm, lực cản gần như tỉ lệ với tốc độ. Với chuyển động nhanh (xe, máy bay, vật rơi từ cao), lực cản tăng nhanh hơn, xấp xỉ tỉ lệ với bình phương tốc độ. Phần này SGK chỉ yêu cầu nhận xét định tính; công thức dưới đây là kiến thức mở rộng để bạn hiểu sâu hơn:
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 mặt cản, v là tốc độ. Nhìn công thức, bạn thấy ngay vì sao nước (ρ lớn hơn không khí khoảng 800 lần) cản mạnh hơn nhiều.
2.3. Vật rơi trong không khí và tốc độ giới hạn
Thả một vật từ cao xuống, ban đầu tốc độ nhỏ nên lực cản nhỏ, vật rơi nhanh dần. Tốc độ tăng thì lực cản tăng. Đến lúc lực cản (cộng lực đẩy Archimedes, thường rất nhỏ với không khí) cân bằng với trọng lực, hợp lực bằng 0 và vật chuyển động đều với tốc độ giới hạn.
Đó là lý do người nhảy dù không rơi nhanh mãi: mở dù làm diện tích mặt cản tăng vọt, tốc độ giới hạn giảm mạnh nên tiếp đất an toàn. Còn hạt mưa rơi từ độ cao hàng km nhưng không “đục thủng” đầu bạn vì tốc độ của nó đã bị giới hạn.
2.4. Ứng dụng: tăng hay giảm lực cản?
- Muốn giảm lực cản: thiết kế thân xe, máy bay, tàu thuyền, mũ bảo hiểm thi đấu theo dạng thuôn; vận động viên bơi mặc đồ bơi trơn, đội mũ bơi.
- Muốn tăng lực cản: dù, dù hãm của máy bay hạ cánh, cánh hãm trên xe đua, tấm hãm trên máy bay.
3. Lực nâng của chất lưu
3.1. Khái niệm
Lực nâng là thành phần lực của chất lưu tác dụng lên vật, vuông góc với hướng chuyển động của vật. Lực nâng xuất hiện rõ nhất ở những vật có hình dạng đặc biệt như cánh máy bay, cánh chim hay cánh quạt, khi chúng chuyển động nhanh trong chất lưu.
3.2. Vì sao cánh máy bay tạo ra lực nâng?
Cánh máy bay có mặt trên cong, mặt dưới phẳng hơn và hơi nghiêng so với dòng khí (góc nghiêng này gọi là góc tới). Hai cách giải thích bổ sung cho nhau:
- Về áp suất: dòng khí chảy phía trên cánh nhanh hơn phía dưới, nên áp suất trên cánh nhỏ hơn áp suất dưới cánh. Hiệu áp suất này tạo ra hợp lực hướng lên.
- Về định luật III Newton: cánh nghiêng đẩy dòng khí xuống phía dưới, theo định luật III Newton khí đẩy lại cánh một lực hướng lên.
Khi máy bay bay ngang với tốc độ không đổi, bốn lực cân bằng từng đôi: lực nâng cân bằng trọng lực, lực đẩy của động cơ cân bằng lực cản.
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực nâng
- Tốc độ chuyển động tương đối so với chất lưu: càng nhanh, lực nâng càng lớn. Vì thế máy bay phải chạy đà đủ nhanh mới cất cánh được.
- Diện tích cánh: cánh càng rộng, lực nâng càng lớn.
- Hình dạng cánh và góc tới: tăng góc tới vừa phải làm lực nâng tăng; nghiêng quá mức, dòng khí không còn bám mặt cánh thì lực nâng giảm đột ngột (hiện tượng mất lực nâng).
- Khối lượng riêng của chất lưu: ở độ cao lớn không khí loãng hơn nên lực nâng nhỏ hơn.
3.4. Ứng dụng của lực nâng
- Máy bay, tàu lượn, chim bay lượn trên không.
- Cánh quạt máy bay trực thăng: cánh quay tạo dòng khí và lực nâng giúp trực thăng lơ lửng, cất cánh thẳng đứng.
- Cánh ngầm dưới tàu cánh ngầm: khi chạy nhanh, lực nâng nhấc thân tàu lên khỏi mặt nước, giảm lực cản của nước.
- Cánh buồm: gió tạo cả lực cản lẫn lực nâng, thuyền có thể đi chéo thậm chí ngược hướng gió ở mức độ nhất định.
- Cánh đảo gió ở đuôi xe đua đặt ngược lại so với cánh máy bay để tạo lực hướng xuống, giúp xe bám đường khi chạy nhanh.
4. So sánh lực cản và lực nâng
| Tiêu chí | Lực cản | Lực nâng |
|---|---|---|
| Hướng so với chuyển động | Ngược chiều, cùng phương | Vuông góc |
| Tác dụng | Làm vật chậm lại | Nâng hoặc làm vật lệch hướng |
| Xuất hiện | Với mọi vật chuyển động trong chất lưu | Rõ nhất ở vật có hình dạng cánh, nghiêng một góc so với dòng |
| Phụ thuộc | Tốc độ, diện tích cản, hình dạng, chất lưu | Tốc độ, diện tích cánh, góc tới, chất lưu |
5. Lỗi sai thường gặp
- Nhầm lực nâng với lực đẩy Archimedes. Lực đẩy Archimedes xuất hiện cả khi vật đứng yên trong chất lưu và hướng thẳng đứng lên; lực nâng chỉ xuất hiện khi có chuyển động tương đối và vuông góc với hướng chuyển động.
- Cho rằng lực nâng luôn hướng thẳng đứng. Nó vuông góc với hướng chuyển động nên khi máy bay đang bay lên hoặc nghiêng, lực nâng không còn thẳng đứng.
- Nghĩ chỉ không khí mới có lực cản. Nước, dầu, mật ong đều cản chuyển động, và chất lưu càng đặc, càng nhớt thì cản càng mạnh.
- Cho rằng vật nặng rơi nhanh mãi. Có lực cản thì tốc độ rơi sẽ tiến tới một giá trị giới hạn.
6. Bài luyện tập có đáp án
Bài 1. Một quả bóng khối lượng 0,4 kg rơi trong không khí. Tại một thời điểm, lực cản của không khí có độ lớn 1,6 N. Lấy g = 9,8 m/s2. Tính gia tốc của quả bóng lúc đó. (Số liệu là ví dụ tự đặt.)
Đáp án. Chọn chiều dương hướng xuống: ma = mg − FC. Do đó a = (0,4 · 9,8 − 1,6) / 0,4 = (3,92 − 1,6) / 0,4 = 5,8 m/s2. Gia tốc nhỏ hơn g vì lực cản hướng lên.
Bài 2. Một vật khối lượng 0,5 kg rơi từ độ cao lớn, lực cản có độ lớn FC = k·v2 với k = 0,005 N·s2/m2. Bỏ qua lực đẩy Archimedes, lấy g = 9,8 m/s2. Tìm tốc độ giới hạn. (Ví dụ tự đặt.)
Đáp án. Tốc độ giới hạn khi FC = mg, tức k·v2 = mg. Suy ra v = √(mg/k) = √(0,5 · 9,8 / 0,005) = √980 ≈ 31,3 m/s.
Bài 3. Vì sao máy bay phải chạy đà trên đường băng một đoạn dài mới cất cánh được?
Đáp án. Lực nâng tăng theo tốc độ của máy bay so với không khí. Chỉ khi tốc độ đủ lớn, lực nâng mới thắng được trọng lực của máy bay và nâng nó lên khỏi mặt đất.
Bài 4 (trắc nghiệm nhanh). Lực nâng tác dụng lên cánh máy bay có đặc điểm nào sau đây?
- A. Cùng phương, ngược chiều chuyển động của máy bay.
- B. Vuông góc với hướng chuyển động của máy bay.
- C. Luôn cùng chiều chuyển động của máy bay.
- D. Chỉ xuất hiện khi máy bay đứng yên.
Đáp án: B. Lực nâng là thành phần vuông góc với hướng chuyển động. A là mô tả lực cản; C sai vì lực cùng chiều chuyển động là lực đẩy của động cơ; D sai vì lực nâng chỉ có khi có chuyển động tương đối giữa cánh và không khí.
7. Tóm tắt cần nhớ
- Chất lưu tác dụng lên vật chuyển động hai thành phần lực: lực cản (ngược chiều chuyển động) và lực nâng (vuông góc chuyển động).
- Lực cản tăng theo tốc độ, diện tích mặt cản, độ đặc của chất lưu và giảm khi vật có dạng thuôn.
- Vật rơi trong chất lưu đạt tốc độ giới hạn khi lực cản cân bằng với trọng lực (bỏ qua lực đẩy Archimedes).
- Lực nâng ở cánh máy bay do hiệu áp suất giữa mặt trên và mặt dưới cánh, đồng thời cánh đẩy khí xuống; tăng theo tốc độ và diện tích cánh.
Câu hỏi thường gặp
Lực cản và lực nâng của chất lưu khác nhau thế nào?
Lực cản cùng phương, ngược chiều với chuyển động của vật và làm vật chậm lại. Lực nâng vuông góc với hướng chuyển động và có thể nâng vật lên, ví dụ ở cánh máy bay.
Những yếu tố nào ảnh hưởng đến lực cản của không khí?
Lực cản phụ thuộc vào tốc độ của vật, diện tích mặt cản, hình dạng vật (dạng thuôn cản ít hơn) và tính chất của chất lưu như khối lượng riêng, độ nhớt.
Vì sao người nhảy dù rơi chậm khi mở dù?
Mở dù làm diện tích mặt cản tăng mạnh nên lực cản lớn hơn nhiều. Lực cản cân bằng trọng lực ở tốc độ nhỏ hơn, tức là tốc độ giới hạn giảm và người tiếp đất an toàn.
Lực nâng có giống lực đẩy Archimedes không?
Không. Lực đẩy Archimedes có cả khi vật đứng yên trong chất lưu và hướng thẳng đứng lên. Lực nâng chỉ xuất hiện khi có chuyển động tương đối với chất lưu và vuông góc với hướng chuyển động.