Mở đầu: Trong thực tế, mọi vật rơi luôn chịu lực cản của không khí. Với vật nặng kích thước nhỏ (ví dụ viên bi thép), lực cản này có độ lớn không đáng kể và có thể bỏ qua. Nhưng với các vật kích thước lớn (ví dụ dù lượn), lực cản của không khí có độ lớn đáng kể. Khi này, chuyển động của vật rơi có những tính chất gì?
Lời giải:
- Với những vật có kích thước lớn, lực cản của không khí có độ lớn đáng kể, khi này chuyển động của vật rơi không phải là sự rơi tự do nữa. Chuyển động rơi sẽ chậm dần.
1. Chuyển động rơi của vật
Câu hỏi 1: Dựa vào đồ thị Hình 12.2, phân tích tính chất chuyển động của vật trong những khoảng thời gian: từ 0 – t1, t1 – t2 và từ thời điểm t2 trở đi.
Lời giải:
+ Khoảng thời gian từ 0- t1 : chuyển động nhanh dần đều
+ Khoảng thời gian từ t1-t2 : chuyển động nhanh dần không đều
+ Khoảng thời gian từ t2 trở đi : chuyển động đều với tốc độ giới hạn không đổi.
Câu hỏi 2: Quan sát hình 12.1, vẽ vectơ lực cản của dầu tác dụng lên viên bi và mô tả chuyển động của viên bi khi được thả không vận tốc đầu vào dầu.
Lời giải:
Vẽ hình: vectơ lực cản ban đầu có phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống.
- Khi bắt đầu được thả vào dầu, trọng lượng của viên bi lớn hơn nhiều so với lực đẩy Acsimet, nên viên bi chuyển động nhanh dần đều trong khoảng thời gian rất ngắn.
- Khi càng xuống sâu, lực đẩy Acsimet càng tăng dần, chuyển động của vật nhanh dần nhưng không đều trong một khoảng thời gian tiếp theo.
- Khi xuống sâu hơn nữa, khi này trọng lượng và lực đẩy Acsimet gần như cân bằng nhau, khi đó lực cản gần như bằng 0, vật sẽ chuyển động thẳng đều xuống dưới theo quán tính và sẽ chạm đáy sau một khoảng thời gian.
Luyện tập: Quan sát Hình 12.3, mô tả chuyển động của vận động viên nhảy dù từ khi bắt đầu nhảy khỏi máy bay đến khi chạm đất. Phân tích lực tác dụng lên dù trong từng giai đoạn chuyển động.
Lời giải:
Chuyển động của vận động viên:
+ Ban đầu mới nhảy khỏi máy bay, khi chưa bung dù, trọng lực lớn hơn lực cản của không khí nên vận động viên sẽ rơi nhanh dần
+ Sau khi chuyển động ổn định thì vận động viên bắt đầu bung dù, lực cản của không khí bằng trọng lực nên chuyển động của vận động viên đều và đáp xuống đất.
Vận dụng: Tìm hiểu một số biện pháp thực tiễn giúp giảm lực cản của nước lên cơ thể khi chúng ta bơi.
Lời giải:
Biện pháp giúp giảm lực cản của nước lên cơ thể:
- Khi bơi điều chỉnh cơ thể nằm ngang với mặt nước.
- Sử dụng mũ bơi, quần áo bơi chuyên dụng.
- Khi sải tay bơi thì nên nghiêng người một chút.
2. Sự phụ thuộc của lực cản không khí vào hình dạng vật
Câu hỏi 3: Thực hiện thí nghiệm thả rơi hai tờ giấy giống nhau như Hình 12.4, trong đó một tờ được vo tròn và một tờ được để phẳng. So sánh chuyển động của hai tờ giấy này và dự đoán nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau đó.
Lời giải:
- Tờ giấy được vo tròn rơi nhanh hơn tờ giấy để phẳng. Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau đó là vì lực cản không khí của tờ giấy vo tròn ít hơn lực cản không khí của tờ giấy để phẳng.
Luyện tập: Quan sát Hình 12.6, kết hợp với kết quả nghiên cứu của dự án để chỉ ra khi vật có hình dạng nào thì lực cản không khí lên vật là lớn nhất và nhỏ nhất.
Lời giải:
- Dựa vào hình vẽ và số liệu hệ số lực cản ta có thể thấy lực cản không khí lên vật thứ hai (vật có hình tam giác) là lớn nhất (hệ số 1,14). Lực cản không khí lên vật thứ ba (vật có hình thuôn dài, nhọn ở đầu) là nhỏ nhất (hệ số 0,045).
Vận dụng: Ngoài các ví dụ được đề cập, hãy tìm hiểu và trình bày ứng dụng của sự tăng hay giảm sức cản không khí theo hình dạng vật trong đời sống. (Gọi ý: có thể tham khảo các hiện tượng trong Hình 12.7).
Lời giải:
Ứng dụng của sự tăng giảm sức cản không khí theo hình dạng vật:
+ Làm tăng tốc của vật.
+ Làm giảm tốc độ của máy bay khi hạ cánh.
Bài tập
Bài tập 1: Xét một vật rơi trong không khí có đồ thị tốc độ rơi theo thời gian được biểu diễn trong Hình 12.2.
a) Vẽ hình và biểu diễn các lực tác dụng lên vật tại thời điểm t1, t2.
b) Xác định độ lớn hợp lực tác dụng lên vật tại thời điểm t2.
Lời giải:
a) Hình vẽ biểu diễn các lực tác dụng lên vật.
b) Tại thời điểm t2, độ lớn hợp lực tác dụng lên vật gần như bằng 0 vì lực cản và trọng lực của vật có độ lớn gần như bằng nhau, vật chuyển động đều.
Bài tập 2: Hãy vẽ lực cản của không khí hoặc nước tác dụng lên các vật trong các trường hợp được mô tả trong Hình 12P.1.
Lời giải:
Bài tập 3: Một con cá hề (Hình 12P.2) đang bơi trong nước chịu tác dụng của lực cản F = 0,65v (v là tốc độ tức thời tính theo đơn vị m/s). Hãy tính lực tối thiểu để con cá đạt được tốc độ 6 m/s, giả sử con cá bơi theo phương ngang.
Lời giải:
- Lực cản tác dụng lên con cá khi nó bơi với tốc độ 6 m/s: F = 0,65.6 = 3,9 N
+ Lực tối thiểu để con cá đạt được tốc độ trên phải ít nhất bằng lực cản tác dụng lên con cá, tức là lực tối thiểu có độ lớn bằng 3,9 N.