Lực cản là gì? Đặc điểm, yếu tố ảnh hưởng và ví dụ thực tế

Tại sao giọt nước mưa từ độ cao hàng nghìn mét lại không gây nguy hiểm khi chạm đất? Hay vì sao máy bay, tàu ngầm có phần đầu thuôn nhọn. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu thông qua nội dung Lực cản thuộc bài 19 (Sách Vật lý 10 - Kết nối tri thức). Hiểu rõ chủ đề sẽ giúp người đọc giải thích được các hiện tượng xung quanh, giải chính xác các bài tập phân tích lực, vận tốc giới hạn trong chương trình Vật lý THPT.

Lực cản là gì?

Lực cản là lực có tác dụng cản trở chuyển động tương đối của vật so với môi trường. Trong chất lỏng hoặc chất khí, lực này được gọi là lực cản của chất lưu, có phương cùng phương và chiều ngược với vận tốc tương đối của vật so với chất lưu.

Ví dụ, khi ô tô chạy trong không khí đứng yên, không khí tác dụng lực cản lên xe; khi người bơi chuyển động trong nước, nước tạo ra lực cản đối với chuyển động tương đối của người.[1]

Chất lưu là thuật ngữ dùng để chỉ chung cho chất lỏng và chất khí.

Lực cản của chất lưu và lực ma sát giữa các bề mặt rắn đều có thể cản trở chuyển động. Tuy nhiên, lực cản được xét theo chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu, còn lực ma sát trượt cản trở sự trượt tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc.

Lực cản của chất lưu xuất hiện khi nào?

Lực cản của chất lưu xuất hiện khi có chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu xung quanh. Vật có thể chuyển động trong nước hoặc không khí đứng yên; ngược lại, một vật đứng yên so với mặt đất vẫn chịu lực cản khi nước chảy hoặc gió thổi qua nó.

Ví dụ: Một người đi bộ dưới nước sẽ cảm nhận được lực cản của nước tác dụng ngược lại hướng di chuyển; hay một vật đang rơi trong không khí cũng chịu tác dụng của lực cản không khí ngay từ khi bắt đầu rơi.

Đặc điểm lực cản của chất lưu

Lực cản của chất lưu là lực tiếp xúc, có tác dụng cản trở chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu. Khi biểu diễn lực, cần chú ý phương, chiều, điểm đặt và độ lớn.

• Điểm đặt: lực cản là hợp lực của các tác dụng phân bố trên bề mặt vật; điểm đặt tương đương không nhất thiết trùng với trọng tâm. Trong bài tập mô hình chất điểm, lực thường được biểu diễn tại điểm đại diện cho vật.

• Phương: cùng phương với vận tốc tương đối của vật so với chất lưu.

• Chiều: ngược chiều vận tốc tương đối của vật so với chất lưu.

• Độ lớn: không có công thức tính cố định để áp dụng chung cho mọi trường hợp.

Lực cản có thể làm vật chuyển động chậm lại so với chất lưu nếu không có lực khác bù lại. Khi vật chuyển động đều, lực cản vẫn tồn tại nhưng được cân bằng bởi các lực khác.

Khác với mô hình tính độ lớn của lực ma sát trượt bằng hệ số ma sát và lực ép, việc tính lực cản cần xét tốc độ tương đối, hình dạng, kích thước vật và tính chất chất lưu. Có các công thức cho những mô hình cụ thể, nhưng không có một hệ số lực cản cố định dùng cho mọi vật và mọi điều kiện.

Lực cản của chất lưu phụ thuộc vào yếu tố nào?

Lực cản của chất lưu phụ thuộc vào tốc độ tương đối, hình dạng và tư thế của vật, diện tích cản, cùng tính chất của chất lưu. Khi so sánh trong cùng điều kiện, hai yếu tố thường được nhấn mạnh ở mức phổ thông là hình dạng vật và tốc độ chuyển động.

• Hình dạng của vật: vật có hình dạng thuôn, khí động học sẽ chịu lực cản nhỏ hơn so với vật có hình dạng cồng kềnh, bề mặt cản trở lớn.

• Tốc độ chuyển động của vật: vật chuyển động càng nhanh trong chất lưu thì lực cản tác dụng lên vật càng lớn.

• Diện tích cản và tư thế: diện tích đối diện dòng chảy lớn hơn thường làm lực cản tăng khi các yếu tố khác không đổi; đây không phải toàn bộ diện tích bề mặt tiếp xúc.

• Tính chất chất lưu: khối lượng riêng, độ nhớt và điều kiện dòng chảy ảnh hưởng đến độ lớn lực cản.

Hình dạng thuôn phù hợp với hướng chuyển động giúp dòng chất lưu đi qua vật thuận lợi hơn, giảm sự tách dòng và vùng xoáy phía sau. Nhờ đó, lực cản do chênh lệch áp suất có thể giảm, giúp vật di chuyển dễ dàng và tiết kiệm năng lượng.

Ví dụ: Tàu ngầm có thân thuôn dài, phần đầu cong mượt và phần đuôi nhỏ dần để giảm lực cản của nước. Thiết kế này giúp hạn chế vùng xoáy và lực cản do chênh lệch áp suất, thay vì loại bỏ hoàn toàn các xoáy nước.

Ví dụ về lực cản của chất lưu trong đời sống

Có thể quan sát lực cản của chất lưu qua chuyển động trong không khí, trong nước và hiện tượng vật đạt vận tốc giới hạn khi rơi.

Lực cản không khí tác dụng lên người nhảy dù và người đi xe

Vật đang rơi: Vận động viên nhảy dù khi mở dù ra sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc với không khí. Lực cản không khí đẩy ngược lên trên tăng mạnh, giúp vận động viên giảm tốc độ rơi và đáp đất an toàn.

Vật đang chuyển động: Người đi xe máy hoặc xe đạp chạy càng nhanh thì càng cảm nhận rõ gió hắt mạnh vào mặt và ngực, đó chính là lực cản không khí đang cản trở chuyển động tiến về phía trước.

Lực cản của nước tác dụng lên người bơi và tàu thuyền

Người bơi: Vận động viên bơi lội thường mặc đồ bơi bó sát, luôn cố gắng thẳng người, giữ cơ thể nằm ngang song song với mặt nước để giảm diện tích cản, giúp lướt đi dễ hơn. Khi xòe bàn tay quạt nước, cảm giác nặng ở tay chính là lực cản của nước phản lại.

Vật thể di chuyển dưới nước: Tàu thuyền hay mái chèo khi di chuyển đều chịu lực cản rất lớn từ nước. Vật chịu tác dụng của 2 lực cản (một là lực cản ma sát bề mặt, nước “bám” vào vỏ tàu; hai là lực cản áp suất do sóng và xoáy nước, có tác dụng ghì vật lại).

Hiện tượng vật đạt vận tốc giới hạn khi rơi trong chất lưu

Xét vật rơi thẳng đứng trong chất lưu đứng yên. Phân tích dưới đây bỏ qua lực đẩy Archimedes và các lực khác; giả thiết này thường phù hợp khi xét vật có khối lượng riêng lớn rơi trong không khí.

Cơ chế vật lý:

• Khi mới bắt đầu rơi, trọng lực P lớn hơn lực cản \(F_{c}\), vật chuyển động nhanh dần (có gia tốc).

• Vì vận tốc v tăng dần nên lực cản \(F_{c}\) cũng tăng theo (lực cản phụ thuộc vào tốc độ).

• Đến một thời điểm, lực cản tăng lên đủ lớn để cân bằng với trọng lực (\(F_{c}\)= P). Lúc này, tổng hợp lực tác dụng lên vật bằng 0.

• Theo định luật I Newton, vật không còn tăng tốc nữa mà sẽ chuyển động thẳng đều với một tốc độ không đổi - gọi là vận tốc giới hạn.

Nếu lực đẩy Archimedes không thể bỏ qua, như khi vật rơi trong nước, điều kiện rơi đều là P = Fc + FA. Không được mặc định lực cản bằng trọng lực trong trường hợp này.

Ví dụ thực tế:

Giọt mưa rơi chịu lực cản không khí. Khi các lực cân bằng, giọt mưa không tiếp tục tăng tốc mà rơi với vận tốc giới hạn; tốc độ này phụ thuộc kích thước và hình dạng giọt mưa.

Khi nhảy dù, người nhảy dù không rơi với tốc độ tăng mãi mà sẽ đạt đến một tốc độ ổn định trước khi bung dù.

Xem thêm: Sự rơi tự do là gì? Tổng hợp đặc điểm, công thức và bài tập mẫu.

Bài tập vận dụng

Các bài tập dưới đây giúp vận dụng đặc điểm của lực cản để giải thích hiện tượng thực tế và phân biệt lực cản với lực nâng của chất lưu.

Dạng 1: Câu hỏi lý thuyết giải thích hiện tượng thực tế

Bài 1. Vì sao vận động viên đua xe đạp thường cúi thấp người khi đạp xe ở tốc độ cao?

Hướng dẫn giải

Khi cúi thấp người, vận động viên làm giảm diện tích cơ thể tiếp xúc với luồng không khí phía trước, tạo hình dạng thuôn hơn theo hướng chuyển động. Vì lực cản không khí phụ thuộc vào hình dạng vật, tư thế này giúp giảm lực cản tác dụng lên người và xe, từ đó đạp xe nhanh hơn với cùng một lực đạp.

Bài 2. Tại sao khi thả rơi một tờ giấy phẳng và một tờ giấy vo tròn có cùng khối lượng từ cùng một độ cao, tờ giấy vo tròn lại chạm đất trước?

Hướng dẫn giải

Tờ giấy phẳng có diện tích tiếp xúc với không khí lớn hơn nên chịu lực cản không khí lớn hơn, làm nó rơi chậm hơn tờ giấy vo tròn có diện tích tiếp xúc nhỏ hơn, chịu lực cản ít hơn.

Dạng 2: Phân biệt lực cản với lực nâng của chất lưu

Bài 3. Lực cản và lực nâng của chất lưu khác nhau như thế nào trong chuyển động của máy bay?

Hướng dẫn giải

Một số lưu ý khi làm bài kiểm tra

Để tránh mất điểm ở dạng bài kiểm tra liên quan chủ đề này, người học cần có một vài chú ý:

Phân biệt lực cản với ma sát giữa các bề mặt rắn: lực cản xuất hiện do chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu; ma sát giữa các bề mặt rắn liên quan đến sự tiếp xúc và chuyển động hoặc xu hướng chuyển động tương đối. Lực cản cũng có thành phần do ma sát nhớt, nên hai khái niệm không hoàn toàn tách biệt về bản chất.

Nhận định “sai”, cho rằng lực cản không đổi trong suốt quá trình chuyển động: Thực tế, lực cản thay đổi theo tốc độ. Tốc độ càng lớn, lực cản càng lớn.

Xác định phương của lực cản và lực nâng: xét theo chuyển động tương đối với chất lưu; lực cản cùng phương và ngược chiều vận tốc tương đối, lực nâng vuông góc với phương đó.

Nhớ hai nhóm yếu tố thường được xét trong bài tập phổ thông:

1. Vận tốc: v càng tăng \(\rightarrow\)\(F_{c}\) càng tăng.

2. Diện tích & Hình dạng: Diện tích đối diện dòng chảy càng lớn/mặt cản càng phẳng \(\rightarrow\)\(F_{c}\) càng lớn.

Mẹo giải bài tập Trạng thái cân bằng ( \(F_{c}=P\)): Khi đề bài nhắc tới các từ khóa "rơi đều", "đạt vận tốc giới hạn", "vận tốc không đổi", ngay lập tức cho tổng hợp lực bằng 0, tức là \(F_{c}=P=mg\).

Điều kiện áp dụng: đẳng thức trên chỉ đúng khi vật rơi đều và chỉ xét trọng lực cùng lực cản. Nếu có lực đẩy Archimedes, lực kéo hoặc lực đẩy khác, phải viết điều kiện tổng hợp tất cả các lực bằng 0.

Kết luận

Lực cản của chất lưu xuất hiện khi vật chuyển động trong chất lỏng hoặc chất khí, cùng phương và ngược chiều chuyển động, phụ thuộc vào hình dạng vật và tốc độ chuyển động. Lực cản giúp giải thích được nhiều hiện tượng trong đời sống như vận tốc giới hạn khi rơi, hay lý do các phương tiện được thiết kế khí động học. Việc nắm chắc các đặc điểm này, quan sát liên hệ với thực tế sẽ giúp người học hiểu rõ và sâu sắc hơn chủ đề này trong chương trình Vật lý lớp 10.