7. Bài 19. Lực cản và lực nâng

Hãy nêu một số ví dụ cho thấy lực cản của không khí và của nước phụ thuộc vào hình dạng của vật.

Phương pháp giải:

Hiểu được đặc điểm của lực cản để lấy được ví dụ.

Lời giải chi tiết:

- Ví dụ cho thấy lực cản của không khí phụ thuộc vào hình dạng của vật:

Thả rơi 2 tờ giấy ở cùng một độ cao, trong đó một tờ để phẳng và một tờ được vo tròn thì tờ giấy bị vo tròn sẽ rơi nhanh hơn so với tờ giấy phẳng do nó chịu lực cản không khí nhỏ hơn.

- Ví dụ cho thấy lực cản của nước phụ thuộc vào hình dạng của vật:

Cá măng bơi trong nước rất nhanh và nhanh hơn nhiều so với các loài cá khác vì hình dạng thuôn nhọn của đầu cá măng ít bị lực cản của nước.

Khi một người nhảy dù thì lực không khí tác dụng lên dù là lực cản hay lực nâng?

Phương pháp giải:

Nắm được lý thuyết về lực cản và lực nâng.

Lời giải chi tiết:

Lực cản của chất lưu có tác dụng tương tự như lực ma sát, chúng làm chuyển động của các vật bị chậm lại. Lực cản phụ thuộc vào hình dạng và tốc độ của vật.

Lực nâng của chất lưu giúp khinh khí cầu lơ lửng trên không trung, máy bay di chuyển trong không khí, cho phép tàu thuyền di chuyển trên mặt nươc, …

Khi một người nhảy dù bật dù nhảy từ trên trời xuống, nhờ vào lực cản của không khí tác dụng lên dù làm người nhảy dù rơi xuống đất chậm hơn. Nếu như không có lực cản của không khí thì người nhảy dù sẽ rơi xuống nhanh dần và có thể bị chấn thương.

Gọi tên các lực sau:

Phương pháp giải:

Nắm được đặc điểm của các lực đã học.

Lời giải chi tiết:

a) Lực do chất lỏng tác dụng lên một vật nằm trong lòng chất lỏng đứng yên là lực đẩy Archimedes – là trường hợp riêng của lực nâng vật đứng yên trong chất lưu.

b) Lực làm mòn hai bề mặt tiếp xúc nhau là lực ma sát.

c) Lực tác dụng lên một quả táo chín rời cành làm nó rơi xuống đất là trọng lực.

d) Lực giữ bạn đứng yên trên sàn nhà là phản lực.

e) Lực giữ quả cầu treo dưới một sợi dây khi cân bằng là lực căng.

g) Lực được tạo ra do sự chênh lệch áp suất giữa hai bề mặt ở phía trên và phía dưới cánh máy bay khi máy bay đang bay là lực nâng.

Khi ném một quả cầu lông theo phương thẳng đứng lên cao trong không khí, hãy biểu diễn các lực tác dụng lên quả cầu lông khi nó

a) di chuyển lên trên.

b) rơi xuống dưới.

Phương pháp giải:

Khi quả cầu di chuyển lên trên, nó sẽ chịu tác dụng của lực cản và lực nâng.

Khi quả cầu rơi xuống dưới, nó sẽ chịu tác dụng của lực cản và trọng lực.

Lời giải chi tiết:

Khi quả cầu di chuyển lên trên, nó sẽ chịu tác dụng của lực cản và lực nâng.

Khi quả cầu rơi xuống dưới, nó sẽ chịu tác dụng của lực cản và trọng lực.

Ta biểu diễn các lực tác dụng lên quả cầu như hình dưới đây:

Nếu em thả rơi một hòn đá lớn và một hòn đá nhỏ từ đỉnh một toà nhà cao tầng thì hòn đá nào sẽ chạm đất trước? Hãy giải thích câu trả lời của em.

Phương pháp giải:

Vận dụng lý thuyết về lực cản để đưa ra kết luận và giải thích.

Lời giải chi tiết:

Về mặt lý thuyết thì có thể hòn đá nhỏ sẽ chạm đất trước một chút, vì lực cản tác dụng lên hòn đá nhỏ sẽ nhỏ hơn. Nhưng trong thực tế, hòn đá lớn và hòn đá nhỏ có thể chạm đất gần như cùng một lúc. Vì khi đó trọng lượng của vật lớn hơn rất nhiều so với lực cản của không khí (lực cản coi không đáng kể), hai hòn đá sẽ rơi tự do và không phụ thuộc vào khối lượng.

Một chiếc xe ô tô có khối lượng tổng cộng người và xe là 550 kg đang chuyển động trên mặt đường nằm ngang. Biết lực đẩy gây ra bởi động cơ tác dụng lên ô tô là 300 N và tổng lực cản của môi trường lên ô tô là 200 N. Biểu diễn hai lực trên tác dụng lên ô tô và tính gia tốc của ô tô.

Phương pháp giải:

Theo công thức tính lực tổng hợp ta có: \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}} \)

Theo định luật II Newton, ta có: \(\overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  = m\overrightarrow a \).

Chọn chiều (+) là chiều của chuyển động.

Lời giải chi tiết:

Chọn chiều (+) là chiều của chuyển động.

Theo công thức tính lực tổng hợp ta có: \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}} \)

Theo định luật II Newton, ta có: \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  = m\overrightarrow a \).

Chiếu lên chiều (+) của chuyển động ta được:

F = F_đẩy – F_cản = 300 – 200 = 100 N.

F = ma => a = \(\frac{F}{m}\)= \(\frac{{100}}{{550}}\)≈ 0,18 m/s².

Lực đẩy tối đa có thể tác dụng lên một chiếc xe thể thao để nó chuyển động trên mặt đường nằm ngang là 500 N. Biết lực cản của không khí tác dụng lên xe phụ thuộc vào vận tốc (v) theo công thức F = 0,2v². Hãy xác định tốc độ tối đa của xe.

Phương pháp giải:

Theo công thức tính lực tổng hợp ta có: \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}} \)

Theo định luật II Newton, ta có: \(\overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  = m\overrightarrow a \).

Chọn chiều (+) là chiều của chuyển động.

Để xa đạt tốc độ tối đa thì a = 0 hay F_đẩy = F_cản

Lời giải chi tiết:

Chọn chiều (+) là chiều của chuyển động.

Theo công thức tính lực tổng hợp ta có: \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}} \)

Theo định luật II Newton, ta có: \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  = m\overrightarrow a \).

Chiếu lên chiều (+) của chuyển động ta được:

F = F_đẩy – F_cản = 500 – 0,5v² = ma.

Để xa đạt tốc độ tối đa thì a = 0 hay F_đẩy = F_cản ó 500 – 0,5v² = 0

=> |v| = 50 m/s.

Vậy tốc độ tối đa của xe là 50 m/s.

Trên Hình 19.1 biểu diễn các vectơ lực tác dụng lên một máy bay đang bay ngang ở độ cao ổn định với tốc độ không đổi. Nếu khối lượng tổng cộng của máy bay là 77 tấn thì lực nâng có độ lớn bằng bao nhiêu? Lấy g= 10 m/s². 

Phương pháp giải:

Theo định luật III Newton, ta có: \(\overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  + \overrightarrow {{F_n}}  + \overrightarrow P  = \overrightarrow 0 \)

Chọn hệ trục Oxy có chiều dương hướng lên (Oy), từ phải sang trái (Ox). Chiếu phương trình lên trục Oy: \(\overrightarrow {{F_n}}  - \overrightarrow P  = \overrightarrow 0 \)

Lời giải chi tiết:

Đổi m = 77 tấn = 77 000 kg.

Theo định luật III Newton, ta có: \(\overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  + \overrightarrow {{F_n}}  + \overrightarrow P  = \overrightarrow 0 \)

Chọn hệ trục Oxy có chiều dương hướng lên (Oy), từ phải sang trái (Ox). Chiếu phương trình lên trục Oy: F_n – P = 0 => F_n = P = mg = 77 000.10 = 770 000 N.

Một chiếc thuyền máy đang được lái về phía tây dọc theo một con sông. Lực đẩy gây ra bởi động cơ là 560 N hướng về phía tây. Lực ma sát giữa thuyền và mặt nước là 180 N, lực cản của không khí lên thuyền là 60 N hướng về phía đông (Hình 19.2).

a) Biểu diễn các lực tác dụng lên thuyền theo phương ngang.

b) Xác định lực tổng hợp tác dụng lên thuyền máy theo phương ngang.

Phương pháp giải:

Theo công thức tổng hợp lực ta có: \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  + \overrightarrow {{F_{ms}}} \)

Chọn chiều (+) là chiều chuyển động của thuyền (từ Đông sang Tây). Chiếu phương trình lên chiều (+).

Lời giải chi tiết:

a) Biểu diễn các lực tác dụng lên thuyền theo phương ngang như hình vẽ.

b) Theo công thức tổng hợp lực ta có:  \(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_d}}  + \overrightarrow {{F_c}}  + \overrightarrow {{F_{ms}}} \)

Chọn chiều (+) là chiều chuyển động của thuyền (từ Đông sang Tây). Chiếu phương trình lên chiều (+).

Ta được: F = F_d – F_c – F_ms = 560 – 180 – 60 = 320 N.