Bài 11: Một số lực trong thực tiễn

1. TRỌNG LỰC

Trọng lực

Quả táo sẽ rơi xuống đất sau khi rời khỏi cành cây. Từ kết quả thí nghiệm xác định gia tốc rơi tự do của một vật trong Bài 9, ta thấy khi lực cản có độ lớn không đáng kể, vật luôn rơi với gia tốc \(\overrightarrow{g}\) có độ lớn không đổi gọi là gia tốc rơi tự do.

Lực làm cho vật rơi chính là lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên vật, còn được gọi là trọng lực \(\overrightarrow{P}\) (được biểu diễn như trong Hình 11.1). Theo biểu thức (10.1) của định luật II Newton, ta có:

\(\overrightarrow{P}=m.\overrightarrow{g}\)   (11.1)

Từ các đặc điểm của gia tốc \(\overrightarrow{g}\), 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 = m.g.

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.

2. LỰC MA SÁT

Các loại lực ma sát

Ở môn Khoa học tự nhiên lớp 6, các em đã được học về lực ma sát trượt và ma sát nghỉ. Lực ma sát là lực xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật, có tác dụng chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt.

Các loại lực ma sát:

• Ma sát nghỉ xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi vật chịu tác dụng của một lực ngoài. Lực ma sát nghỉ triệt tiêu lực ngoài này làm vật vẫn đứng yên (Hình 11.4).

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.

• Ma sát trượt xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi vật trượt trên một bề mặt. Ví dụ: Bánh xe trượt trên mặt đường khi hãm phanh đột ngột tạo ra vết 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 vào 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:

\(F=\mu.N\)   (11.2)

Hệ số tỉ lệ µ là hệ số ma sát trượt, phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của hai bề mặt tiếp xúc. Đây là đại lượng không có đơn vị. Hệ số ma sát trượt của một số cặp vật liệu được cho trong Bảng 11.1.

Ma sát trượt có thể được biểu diễn như trong Hình 11.7

• 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.

Ứng dụng của lực ma sát

Lực ma sát có tác dụng cản trở chuyển động của vật nhưng đôi khi tác dụng này lại mang lại nhiều ứng dụng trong cuộc sống.

Hình 11.8 cho biết một số ứng dụng của các loại ma sát. Que diêm ma sát với bìa nhám của hộp diêm sinh nhiệt làm chất hoá học ở đầu que diêm cháy (Hình 11.8a) là ứng dụng của ma sát trượt. Hình 11.8b minh hoạ cho lợi ích của lực ma sát nghi trong việc giữ cho các thùng hàng nằm yên trên băng chuyển khi băng chuyển di chuyển.

3. LỰC CĂNG DÂY

Lực căng dây

Trong trường hợp cầu dây văng trong Hình 11.11, cầu cân bằng do tổng các vectơ lực (bao gồm lực kéo của các sợi dây, lực nâng của các trụ cầu và trọng lực) cân bằng nhau. Người ta gọi lực kéo của các sợi dây đó là lực căng dây.

Để đơn giản hoá, ta xét trường hợp vật nặng được treo vào dây nhẹ, mảnh và không dãn như Hình 11.12. Lực căng dây cân bằng với trọng lực của vật nặng. Thực chất lực căng của sợi dây chính là lực đàn hồi do sự biến dạng đàn hồi của dây tạo ra (khái niệm lực đàn hồi sẽ được các em tìm hiểu đầy đủ trong Bài 23).

Khi một sợi dây bị kéo căng, nó sẽ tác dụng lên hai vật gắn với hai đầu 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 của lực căng dây được xác định dựa vào điều kiện cụ thể của cơ hệ.

4. LỰC ĐẨY ARCHIMEDES (ÁC-SI-MÉT)

Lực đẩy Archimedes

Ngày xưa, để vận chuyển gỗ đi xa, người ta tận dụng sự nổi của gỗ trên nước để thả gỗ trôi dọc theo dòng chảy của sông như Hình 11.14 thay vì phải kéo hoặc khuân vác gỗ trên đường bộ.

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 và đã được các em tìm hiểu ở môn Khoa học tự nhiên lớp 8. 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.

\(F_A=\rho.g.V\)   (11.3)

Lưu ý: Khi vật nằm yên, điểm đặt C của lực đẩy ở trên đường thẳng đứng qua trọng tâm G của vật như Hình 11.16.

Xây dựng biểu thức xác định độ chênh lệch áp suất giữa hai điểm có độ sâu khác nhau cho chất lỏng

Áp suất và khối lượng riêng của một chất là những đại lượng mà các em đã tìm hiểu ở chương trình môn Khoa học tự nhiện lớp 8. Trong đó:

- 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:

\(p=\dfrac{F}{S}\)   (11.4)

Đơn vị của áp suất trong hệ SI là Pa (1 Pa = 1 N/m²). Trong lòng chất lỏng luôn tồn tại áp suất do trọng lượng của chất lỏng tạo ra.

- Khối lượng riêng \(\rho\) 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:

\(\rho=\dfrac{m}{V}\)   (11.5)

Đơn vị của khối lượng riêng trong hệ SI là kg/m³.

Xét hai điểm A và B cách nhau một đoạn Δh 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 Δh như Hình 11.17.

Độ chênh lệch áp suất Δp giữa hai đáy là do trọng lượng m.g của phần chất lỏng hình trụ có khối lượng m gây ra trên một đơn vị diện tích. Theo định nghĩa áp suất, ta có

\(\Delta p=\dfrac{m.g}{S}\)   (11.6)

Khối lượng của phần chất lỏng này được suy ra từ khối lượng riêng và thể tích của nó:

\(m=\rho.V=\rho.S.\Delta h\)   (11.7)

Thay vào biểu thức (11.6), ta có:

\(\Delta p=\rho.g.\Delta h\)   (11.8)

Biểu thức (11.8) áp dụng được cho mọi loại chất lỏng.