Lý thuyết Vật lí 10 Bài 19: Lực cản và lực nâng

Mọi vật chuyển động trong môi trường không khí hoặc nước đều chịu tác dụng của một lực cản trở chuyển động, gọi chung là lực cản của chất lưu.

1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn lực cản

• Hình dạng của vật: Vật có dạng khí động học (hình giọt nước thuôn nhọn về phía sau) có lực cản nhỏ hơn rất nhiều so với vật có tiết diện phẳng vuông góc.
• Vận tốc chuyển động: Khi vận tốc chuyển động tăng thì lực cản chất lưu tăng rất nhanh (ở tốc độ vừa, lực cản tỉ lệ với $v$; ở tốc độ cao, lực cản tỉ lệ với $v^2$).
• Bản chất của chất lưu: Chất lưu có khối lượng riêng và độ nhớt càng lớn thì lực cản càng lớn (lực cản trong nước lớn hơn trong không khí khoảng 800 lần).

2. Hiện tượng Vận tốc tới hạn (Terminal Velocity)

Khi một vật rơi trong không khí từ độ cao rất lớn (ví dụ người nhảy dù):

• Ban đầu vận tốc $v$ nhỏ $\Rightarrow$ Lực cản $F_c$ nhỏ $\Rightarrow$ Trọng lực $P > F_c$, vật rơi nhanh dần với gia tốc $a = \frac{P - F_c}{m} > 0$.
• Vận tốc $v$ càng tăng làm lực cản $F_c$ tăng theo cho đến khi: $$F_c = P$$
• Khi đó hợp lực $\sum F = P - F_c = 0$, gia tốc $a = 0$. Kể từ thời điểm này, vật không tăng tốc nữa mà chuyển động thẳng đều với vận tốc không đổi, gọi là vận tốc tới hạn ($v_{th}$).

1. Lực đẩy Ác-si-mét (Lực nâng tĩnh học)

Một vật chìm trong chất lưu chịu một lực nâng thẳng đứng hướng từ dưới lên trên, có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lưu bị vật chiếm chỗ:

Trong đó:
- $\rho$: Khối lượng riêng của chất lưu ($kg/m^3$).
- $V$: Thể tích phần chất lưu bị vật chiếm chỗ ($m^3$).
- $F_A$: Lực đẩy Ác-si-mét ($N$).

2. Lực nâng khí động học (Cánh máy bay)

Máy bay chở khách nặng hàng trăm tấn bằng kim loại đặc vẫn có thể bay lượn trên bầu trời là nhờ lực nâng khí động học sinh ra từ hình dạng đặc biệt của cánh máy bay:

• Cánh máy bay được thiết kế cong lồi ở mặt trên và phẳng ở mặt dưới.
• Khi máy bay bay nhanh về phía trước, luồng khí chạy qua mặt trên phải đi quãng đường dài hơn nên có vận tốc lớn hơn luồng khí đi dưới mặt phẳng.
• Theo Định luật Bernoulli: Vùng chất lưu có vận tốc càng lớn thì áp suất tĩnh càng nhỏ. Do đó, áp suất khí ở mặt trên cánh máy bay nhỏ hơn áp suất ở mặt dưới.
• Sự chênh lệch áp suất này tạo ra một lực đẩy tổng hợp hướng thẳng đứng lên trên, gọi là lực nâng khí động học, nâng bổng máy bay lên bầu trời.