BÀI 11: MỘT SỐ LỰC TRONG THỰC TIỄN
Ảnh
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 11 MỘT SỐ LỰC TRONG THỰC TIỄN
Mở đầu
Nội dung bài học
- Một số lực trong thực tiễn: trọng lực, lực ma sát, lực căng dây, lực đẩy Archimedes. - Khối lượng riêng, áp suất chất lỏng.
Khởi động
Ta biết rằng lực có thể làm biến dạng hoặc thay đổi trạng thái chuyển động của vật. Trong thực tế, một vật thường chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau. Ví dụ khi chuyển động, ô tô vừa chịu tác động của lực kéo động cơ, vừa chịu tác động của lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường, trọng lực do Trái Đất tác dụng và áp lực do mặt đường tạo ra. Những lực này có đặc điểm gì?
Trọng lực
Thảo luận 1
Hình vẽ
Khi thả một vật từ độ cao h, vật luôn rơi xuống. Lực nào đã gây ra chuyển động rơi của vật?
Khi thả vật từ độ cao h, trọng lực tác dụng lên vật làm vật luôn rơi xuống bề mặt Trái Đất.
Khái niệm
Từ các đặc điểm của gia tốc latex(barg), ta suy ra các đặc điểm của trọng lực: * Trọng lực là lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vật. * Trọng lực có: - Điểm đặt: tại một vị trí đặc biệt gọi là trọng tâm. - Hướng: hướng vào tâm Trái Đất. - Độ lớn: P = mg. Khi một vật đứng yên trên mặt đất, trọng lượng của vật bằng độ lớn của trọng lực tác dụng lên vật. Vị trí của trọng tâm phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng của vật, có thể nằm bên trong vật (Hình 11.2a) hoặc bên ngoài vật (Hình 11.2b). Trọng tâm có vai trò quan trọng trong sự cân bằng của các vật.
Ảnh
Lực ma sát
Lực ma sát nghỉ
Hình vẽ
Lực ma sát nghỉ có điểm đặt trên vật và ngay tại vị trí tiếp xúc của hai bề mặt, phương tiếp tuyến và ngược chiều với xu hướng chuyển động tương đối của hai bề mặt tiếp xúc. Độ lớn của lực ma sát nghỉ bằng độ lớn của lực tác dụng gây ra xu hướng chuyển động.
Lực ma sát trượt
Lực ma sát trượt có điểm đặt trên vật và ngay tại vị trí tiếp xúc của hai bề mặt, phương tiếp tuyến và ngược chiều với chuyển động của vật. Độ lớn của lực ma sát trượt: - Không phụ thuộc và diện tích tiếp xúc và tốc độ chuyển động của vật. - Phụ thuộc vào vật liệu và tính chất của hai bề mặt tiếp xúc. - Tỉ lệ với độ lớn của áp lực giữa hai bề mặt tiếp xúc: F = μ.N
Lực ma sát lăn
Ma sát lăn xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi vật lăn trên một bề mặt. Ví dụ: Ma sát lăn giữa bánh xe và mặt sàn trong hình 11.5b.
Thảo luận 2
Hình vẽ
Quan sát Hình 11.5, em hãy dự đoán chuyển động của thùng hàng khi chịu tác dụng của các lực có cùng một độ lớn trong hai trường hợp.
Thùng hàng có bánh xe sẽ dễ dàng được đẩy đi so với thùng hàng không có bánh xe nếu lực tác dụng trong hai trường hợp có độ lớn bằng nhau.
Ảnh
Thảo luận 3
Hình vẽ
Sau khi ta dừng tác dụng lực vào thùng hàng, ta quan sát thấy thùng hàng tiếp tục chuyển động và dừng lại sau khi đi được một đoạn. Em hãy giải thích tại sao thùng hàng dừng lại.
Do ma sát giữa mặt đường với thùng hàng (hoặc bánh xe) nên thùng hàng sẽ dừng lại sau khi đi được một đoạn.
Thảo luận 4
Hình vẽ
Nêu điểm giống và khác nhau của ba loại lực ma sát: ma sát trượt, ma sát lăn và ma sát nghỉ.
Thảo luận 5
Hình vẽ
Giải thích ý nghĩa của chuyển động tương đối của hai bề mặt tiếp xúc khi nói về chiều của lực ma sát.
Lực ma sát có chiều ngược với vận tốc tương đối của hai bề mặt tiếp xúc để cản trở chuyển động tương đối giữa chúng. Ví dụ: Khi ta đẩy thùng hàng dịch chuyển về phía trước, nghĩa là mặt đường đang dịch chuyển về phía sau so với thùng hàng.
Thảo luận 6
Hình vẽ
Dựa vào kinh nghiệm cuộc sống của em, hãy phân tích lợi ích và tác hại của lực ma sát.
- Lợi ích: Ma sát nghỉ giữ vật không bị trượt trong quá trình vận chuyển hoặc giúp chúng ta có thể cầm vật nặng. Ma sát trượt có lợi ích khi hãm phanh xe, nhiệt lượng do ma sát trượt tạo ra có thể được sử dụng để sưởi ấm, tác dụng làm mòn (biến dạng vật) của ma sát trượt có thể sử dụng để mài vật liệu. - Tác hại: Lực ma sát có chiều ngược với vận tốc tương đối của hai bề mặt tiếp xúc để cản trở chuyển động tương đối giữa chúng, ma sát sinh nhiệt làm nóng động cơ và giảm tuổi thọ thiết bị, mòn vật liệu.
Lực căng dây
Lực căng dây
Hình vẽ
Khi một sợi dây bị kéo căng, nó sẽ tác dụng lên hai vật gắn với hai dầu dây những lực căng có đặc điểm: - Điểm đặt là điểm mà đầu dây tiếp xúc với vật. - Phương trùng với chính sợi dây. - Chiều hướng từ hai đầu dây vào phần giữa của sợi dây. Với những dây có khối lượng không đáng kể thì lực căng ở hai đầu dây luôn có cùng một độ lớn. Lưu ý: Lực căng dây xuất hiện tại mọi điểm trên dây. Độ lớn được xác định dựa vào điều kiện cụ thể của cơ hệ.
Thảo luận 7
Buộc dây căng vào hai điểm cố định, cắt dây tại điểm bất kì, dây lập tức bị kéo về hai phía.
Hình vẽ
Cho ví dụ minh họa tính chất của lực căng dây xuất hiện tại mọi điểm trên dây.
Lực đẩy Ác-Si-Mét
Lực đẩy Archimedes
Hình vẽ
Một vật chìm trong nước hay chất lỏng nói chung đều chịu tác dụng của lực nâng. Lực nâng này được phát hiện bởi nhà vật lí người Hy Lạp Archimedes. Lực nâng này được gọi là lực đẩy Archimedes và có các đặc điểm sau: Lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật có điểm đặt tại vị trí trùng với trọng tâm của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ, có phương thẳng đứng, có chiều từ dưới lên trên, có độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng bị chiếm chỗ. latex(F_A = ρ.g.V)
Xây dựng biểu thức
Xây dựng biểu thức xác định độ chênh lệch áp suất giữa hai điểm có độ sâu khác nhau trong chất lỏng - Áp suất p: là đại lượng được xác định bằng độ lớn áp lực F trên một đơn vị diện tích S của mặt bị ép theo công thức: latex(p = F/S) Đơn vị của ấp suất trong hệ SI là Pa (1 Pa = 1 N/latex(m^2)). Trong lòng chất lỏng luôn tồn tại áp suất do trọng lượng của chất lỏng tạo ra. - Khối lượng riêng ρ của một chất: là đại lượng được xác định bằng khối lượng m của vật tạo thành từ chất đó trên một đơn vị thể tích V của vật theo công thức: latex(ρ = m/V) Đơn vị của khối lượng riêng trong hệ SI là kg/latex(m^3).
Xây dựng biểu thức (tiếp)
Xét hai điểm A và B cách nhau một đoạn ∆h theo phương thẳng đứng trong chậu chứa một chất lỏng xác định. Giả định hai điểm A và B nằm trên hai mặt đáy của một bình chứa hình hộp chữ nhật tiết diện S, độ cao ∆h như Hình 11.17.
Ảnh
Độ chênh lệch áp suất ∆p giữa hai đáy là do trọng lượng m.g của phần chất lỏng hình hộp chữ nhật có khối lượng m gây ra trên một đơn vị diện tích. Theo định nghĩa áp suất, ta có: latex(∆p = (mg)/S) (11.6) Khối lượng của phần chất lỏng này được suy ra từ khối lượng riêng và thể tích của nó: m = ρ.V = ρ.S.∆h (11.7) Thay vào biểu thức (11.6), ta có: ∆p = ρ.g.∆h (11.8) Biểu thức (11.8) áp dụng cho mọi loại chất lỏng.
Thảo luận 8
Hình vẽ
Dựa vào công thức để giải thích sự xuất hiện của lực đẩy tác dụng lên một vật trong chất lỏng (hoặc chất khí).
Xét vật hình hộp chìm trong chất lỏng. Gọi latex(F_1, F_2) lần lượt là áp lực của nước tác dụng lên hai đáy hộp. Hợp lực của nước tác dụng lên vật: latex(vec(F) = vec(F)_1 + vec(F)_2 hay F = F_2 - F_1 = S.p_2 - S.p_1 = S.∆p ≠0).
Luyện tập
Hình vẽ
Kỉ lục thế giới về lặn tự do (không có bình dưỡng khí) được thực hiện bởi một nữ thợ lặn người Slovenia khi cô lặn xuống biển độ sâu 114m. Hãy tính độ chênh lệch áp suất tại vị trí này so với mặt thoáng của nước biển. Lấy giá trị trung bình khối lượng riêng của nước biển là 1025 kg/latex(m^3) và g = 9,8 m/latex(s^2).
Độ chênh lệch áp suất tại vị trí có độ sâu 114 m so với mặt thoáng của nước biển là: ∆p = ρ.g.∆h = 1025.9,8.114 = 1145130 Pa.
Vận dụng
Ví dụ: Xét hai hình trụ hở miệng như Hình 11.18, mỗi bình có một lỗ thủng ở độ cao bằng nhau. Khi độ cao cột nước trong hai bình là khác nhau thì nước chảy ra tại lỗ thủng sẽ có tầm xa khác nhau. Các em hãy giải thích hiện tượng trên.
Ảnh
Bài giải Nước trong bình có thể chảy từ lỗ thủng ra ngoài do sự chênh lệch áp suất nước tại vị trí lỗ thủng với áp suất không khí bên ngoài: ∆p= ρ.g.∆h, trong đó ∆h là độ cao cột nước. Như vậy, cột nước trong bình càng thấp thì ∆h càng nhỏ dẫn đến sự chênh lệch áp suất càng giảm, do đó nước chảy ra càng yếu, tầm xa càng ngắn.