Khởi động. Vật chuyển động trong chất lưu chịu lực cản; hình dạng và dòng chảy có thể tạo lực nâng.
Hình khởi động trích từ SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức, trang 77.
1. Kiến thức trọng tâm
1.1. Lực cản của chất lưu
Hình SGK KNTT
● Lực cản thường ngược chiều chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu.
● Độ lớn tăng khi tốc độ tăng, diện tích cản tăng hoặc hình dạng kém khí động.
● Chất lưu gồm chất lỏng và chất khí; vật chuyển động tương đối trong chất lưu chịu lực cản.
● Lực cản có xu hướng chống lại chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu.
Hướng dẫn
Đáp án: B
HƯỚNG DẪN:
Bước 1. Sau khi rời tay, quả cầu không còn chịu lực của tay.
Bước 2. Trọng lực luôn hướng thẳng đứng xuống dưới.
Bước 3. Quả cầu đang chuyển động lên nên lực cản không khí ngược chiều chuyển động, tức cũng hướng xuống.
Kết luận. Chọn B.
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng
● Lực cản phụ thuộc tốc độ, hình dạng, kích thước vật và tính chất chất lưu.
● Thiết kế thuôn dòng giúp giảm lực cản.
● Lực cản tăng khi tốc độ hoặc diện tích cản tăng và phụ thuộc hình dạng vật cùng tính chất chất lưu.
● Vật có dạng thuôn dòng làm chất lưu chuyển động êm hơn nên giảm lực cản.
1.3. Tốc độ giới hạn
● Vật rơi trong chất lưu có thể đạt tốc độ không đổi khi lực cản cân bằng với các lực còn lại.
● Khi đó hợp lực bằng không.
● Khi vật rơi, lực cản tăng dần theo tốc độ; gia tốc vì thế giảm dần.
● Khi hợp lực bằng không, vật tiếp tục rơi đều với tốc độ giới hạn.
Hướng dẫn
Trả lời: 784 N
HƯỚNG DẪN:
Bước 1. Rơi thẳng đều nghĩa là gia tốc bằng không, nên hợp lực tác dụng lên hệ người và dù bằng không.
Bước 2. Hai lực chính là trọng lực P hướng xuống và lực cản Fc hướng lên.
Bước 3. Fc = P = mg = 80·9,8 = 784 N.
Kết luận. Lực cản của không khí có độ lớn 784 N.
1.4. Lực nâng
Hình SGK KNTT
● Dòng chất lưu quanh cánh có thể tạo chênh lệch áp suất và lực nâng.
● Lực nâng phụ thuộc hình dạng cánh, góc tấn, tốc độ và mật độ chất lưu.
● Dòng chất lưu quanh vật có thể tạo lực vuông góc với hướng chuyển động tương đối, gọi là lực nâng.
● Lực nâng phụ thuộc hình dạng, góc đặt, tốc độ tương đối và tính chất của chất lưu.
Hướng dẫn
Trả lời: 60 N; ngược chiều chuyển động
HƯỚNG DẪN:
Bước 1. Thuyền chuyển động thẳng đều nên gia tốc bằng không.
Bước 2. Theo phương ngang, tổng lực bằng không: Fk − Fc = 0.
Bước 3. Suy ra Fc = Fk = 60 N.
Kết luận. Lực cản của nước có độ lớn 60 N và hướng ngược chiều chuyển động của thuyền.
1.5. Ứng dụng
● Máy bay, cánh quạt, xe đua, dù và tàu thủy đều được thiết kế dựa trên lực cản và lực nâng.
● Tối ưu khí động học giúp tiết kiệm năng lượng và tăng an toàn.
● Ô tô, tàu thủy và máy bay được thiết kế phù hợp để điều khiển lực cản và lực nâng.
● Cánh máy bay tạo lực nâng; dù làm tăng lực cản để giảm tốc độ rơi.
2. Hiểu sâu bản chất
💡 Lực cản không luôn tỉ lệ bậc nhất với tốc độ; quan hệ phụ thuộc chế độ dòng chảy.
💡 Tốc độ giới hạn không có nghĩa vật không chịu lực.
3. Ghi nhớ nhanh
● Lực cản thường ngược chiều chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu.
● Lực cản phụ thuộc tốc độ, hình dạng, kích thước vật và tính chất chất lưu.
● Vật rơi trong chất lưu có thể đạt tốc độ không đổi khi lực cản cân bằng với các lực còn lại.
● Dòng chất lưu quanh cánh có thể tạo chênh lệch áp suất và lực nâng.
● Máy bay, cánh quạt, xe đua, dù và tàu thủy đều được thiết kế dựa trên lực cản và lực nâng.
4. Lưu ý cho học sinh
● Xác định vận tốc của vật tương đối với chất lưu.
● Không chỉ dùng một yếu tố để kết luận lực cản lớn hay nhỏ.