3. Bài 12. Chuyển động của vật trong chất lưu

Trong các trường hợp sau, trường hợp nào vật chịu tác dụng lực cản của nước?

A. Một chiếc ca nô đang neo đậu tại bến.

B. Bạn An đang tập bơi.

C. Một khúc gỗ đang trôi theo dòng nước chảy nhẹ.

D. Một vật đang nằm lơ lửng cân bằng trong nước.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về trọng lực.

Lời giải chi tiết:

Khi vật chuyển động trong nước thì vật mới chịu tác dụng của lực cản, do đó:

A. Sai, vì ca nô đang neo đậu thì đang đứng yên.

B. Đúng, An đang bơi trong nước thì đang chuyển động, do đó chịu tác dụng của lực cản.

C. Sai, sự trôi của khúc gỗ là do sự chuyển động của dòng nước, chứ không phải khúc gỗ tự chuyển động.

D.  Sai, vật nằm lơ lửng cân bằng trong nước thì đang đứng yên.

=> Chọn B

Các tàu ngầm thường được thiết kế giống với hình dạng của cá heo để

A. giảm thiểu lực cản.                                                 B. đẹp mắt.                             

C. tiết kiệm chi phí chế tạo.                                        D. tăng thể tích khoang chứa.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về sự phụ thuộc của lực cản vào hình dạng của vật.

Lời giải chi tiết:

Các tàu ngầm, oto khi thiết kế với hình dạng cá heo (thuôn dài, đầu nhọn) còn gọi là hình dạng khí động học thì thường có tác dụng giảm bớt lực cản tác dụng vào nên sẽ có khả năng chuyển động nhanh hơn.

=> Chọn A

Hình dạng nào của vật cho lực cản nhỏ nhất?

A. Khối cầu.                                                    B. Hình dạng khí động học.

C. Khối lập phương.                                       D. Khối trụ dài.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về sự phụ thuộc của lực cản vào hình dạng của vật.

Lời giải chi tiết:

Trong tất cả các dạng hình, vật có hình dạng khí động học thì lực cản tác dụng lên vật nhỏ nhất.

=> Chọn B

Chọn phát biểu đúng.

A. Độ lớn của lực cản càng lớn khi diện tích mặt cản càng nhỏ.

B. Độ lớn của lực cản không phụ thuộc vào tốc độ của vật.             

C. Vật đi càng nhanh thì lực cản của không khí càng nhỏ.

D. Tờ giấy để phẳng rơi chậm hơn hòn đá khi cùng được thả từ trạng thái nghỉ trong không khí.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về sự phụ thuộc của lực cản vào hình dạng của vật, vật tốc chuyển động của vật.

Lời giải chi tiết:

A. Sai, độ lớn lực cản càng lớn khi diện tích mặt cản càng lớn.

B. Sai, độ lớn lực cản phụ thuộc vào tốc độ của vật.

C. Sai, vật đi càng nhanh thì lực cản của không khí càng lớn.

D. Đúng, vì diện tích tờ giấy để phẳng lớn hơn so với hòn đá nên tờ giấy sẽ rơi chậm hơn.

=> Chọn D

Hình 12.1 biểu diễn các lực tác dụng lên quả tennis đang rơi thẳng đứng. Hãy cho biết lực \(\overrightarrow D \) là lực gì. Cho m = 56 g, hãy tính gia tốc của quả tennis.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về lực cản khi vật chuyển động trong không khí.

Lời giải chi tiết:

Lực \(\overrightarrow D \) là lực cản của không khí.

Theo định luật II Newton, ta có: \(\overrightarrow P  + \overrightarrow D  = m\overrightarrow a \) (1)

Chiếu (1) lên chiều dương ta có: P – D = m.a

Gia tốc của vật có độ lớn: \(a = \frac{{m.g - D}}{m} \approx 14m/{s^2}\), có hướng theo chiều dương chuyển động.

Xét một viên bi có khối lượng m đang rơi trong không khí. Hãy biểu diễn các lực tác dụng lên viên bi khi viên bi đang rơi đều.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về lực cản khi vật chuyển động trong không khí.

Lời giải chi tiết:

Nếu viên bi đang rơi đều (a = 0) thì lực cản không khí lúc này sẽ cân bằng với trọng lực P.

Một số loài chim khi di cư xa thường bay thành từng đàn có hình góc nhọn (Hình 12.2). Tại sao lại có sự sắp xếp như vậy?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về sự phụ thuộc của lực cản vào hình dạng của vật.

Lời giải chi tiết:

Con chim khỏe nhất sẽ bay trước. Không khí trườn quanh thân của chim đầu đàn sẽ giúp giảm lực cản của không khí tác dụng lên các con chim bay phía sau. Khi đàn chim bay theo góc nhọn, trong giới hạn của góc này, các con chim trong đàn bay được dễ dàng về phía trước.

Một hòn đá được thả rơi vào chất lỏng. Sau một khoảng thời gian, người ta quan sát thấy hòn đá chuyển động thẳng đều. Khi đó, các lực tác dụng lên vật được biểu diễn như Hình 12.3. Hình 12.3 đã biểu diễn đủ các lực tác dụng lên vật chưa? Nếu chưa, hãy bổ sung và tính độ lớn của lực còn thiếu.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về lực cản khi vật chuyển động trong chất lỏng.

Lời giải chi tiết:

Hình 12.3 còn thiếu lực cản của nước.

Khi hòn đá chuyển động thẳng đều: P = Fc + FA

=> Fc = P – FA = 2,5 – 0,5 = 2 N.

Hãy giải thích tại sao khi xét chuyển động rơi của vật, trong nhiều trường hợp ta chỉ xét tác dụng của trọng lực và lực cản không khí, có thể bỏ qua lực nâng của không khí. So sánh lực nâng của không khí và trọng lượng của một viên bi làm từ lithium nguyên chất để rút ra kết luận. Biết lực nâng của không khí có biểu thức tương tự lực nâng của nước, khối lượng riêng của không khí ở 20⁰C là 1,20 kg/m³, khối lượng riêng của lithium là 530 kg/m³. Tại sao lại chọn lithium là vật liệu so sánh?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về lực cản khi vật chuyển động trong không khí.

Lời giải chi tiết:

Tóm tắt:

\({\rho _{kk}} = 1,20kg/{m^3}\)

\({\rho _{Li}} = 530kg/{m^3}\)

\(\frac{{{F_{kk}}}}{P} = ?\)

Lời giải:

\(\frac{{{F_{kk}}}}{P} = \frac{{{\rho _{kk}}.g.V}}{{{\rho _{Li}}.g.V}} = \frac{{{\rho _{kk}}}}{{{\rho _{Li}}}} = \frac{{1,20}}{{530}} \approx 2,{3.10^{ - 3}}.\)

Ở điều kiện bình thường, lực nâng của không khí rất nhỏ so với trọng lượng của vật nên ta có thể bỏ qua.

Chọn lithium là vật liệu so sánh vì cho tới hiện tại, lithium là kim loại nhẹ nhất.

Khi một quả cầu chuyển động trong chất lỏng, vật chịu tác dụng của lực cản được gọi là lực nội ma sát. Biểu thức độ lớn của lực nội ma sát được xác định bởi định luật Stokes: \(f = 6\pi .r.v.\eta \), trong đó:

f là lực nội ma sát (N)

r là bán kính quả cầu (m)

v là tốc độ tức thời của quả cầu (m/s)

\(\eta \) là hệ số ma sát nhớt hay độ nhớt của chất lỏng (Pa.s).

Khi chuyển động của quả cầu đạt trạng thái ổn định, quả cầu chuyển động với tốc độ bão hòa được xác định bởi biểu thức: \({v_{bh}} = \frac{{2{r^2}.g.\left( {\sigma  - \rho } \right)}}{{9\eta }}\)

Trong đó: v_bh là tốc độ bão hòa (m/s)

g là gia tốc trọng trường (m/s²)

\(\sigma \) là khối lượng riêng của quả cầu (kg/m³)

\(\rho \) là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³)

Xét một quả cầu đang rơi thẳng đều trong một chất lỏng với các thông số sau:

Đường kính của quả cầu = 3,0 mm.

Khối lượng riêng của quả cầu = 2500 kg/m³

Khối lượng riêng của chất lỏng = 875 kg/m³

Tốc độ bão hòa = 160 mm/s

Biết gia tốc trọng trường là 9,8 m/s². Hãy xác định độ nhớt của chất lỏng và độ lớn của lực nội ma sát tác dụng lên vật đang chuyển động ở tốc độ bão hòa.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về lực cản khi vật chuyển động trong chất lỏng.

Lời giải chi tiết:

Ta có:

\(f = 6\pi .r.v.\eta \)

\({v_{bh}} = \frac{{2{r^2}.g.\left( {\sigma  - \rho } \right)}}{{9\eta }}\)

\(d = 3,0mm\)

\(\sigma  = 2500kg/{m^3}\)

\(\rho  = 875kg/{m^3}\)

\({v_{bh}} = 160mm/s\)

\(g = 9,8m/{s^2}\)

Độ nhớt của chất lỏng: \(\eta  = \frac{{2{r^2}.g.\left( {\sigma  - \rho } \right)}}{{9{v_{bh}}}} \approx 5,{0.10^{ - 2}}Pa.s\)

Độ lớn của lực nội ma sát tác dụng lên vật ở tốc độ bão hòa: \(f = 6\pi .r.v.\eta  = 2,{3.10^{ - 4}}N\).