Bỏ qua đến nội dung

Chương VIII · Lý thuyết

Bài 45. Lực cản của nước

Một chiếc máy bay có thể bay với tốc độ gần 900 km/h900\ \text{km/h}, còn một chiếc tàu ngầm chạy dưới nước chỉ đạt khoảng vài chục kilômét mỗi giờ. Vì sao tàu ngầm chậm hơn nhiều như vậy? Và vì sao đi bộ dưới bể bơi lại mệt hơn hẳn đi trên bờ?

Em sẽ học được

  • Nêu được: vật chuyển động trong nước chịu tác dụng của lực cản của nước.
  • Nêu được lực cản của nước ngược chiều chuyển động và lớn hơn lực cản của không khí.
  • Nêu được lực cản của nước càng lớn khi diện tích mặt cản càng lớn; vật có hình dạng thuôn chịu lực cản nhỏ hơn.
  • Giải thích được hình dạng của cá, tàu thuyền và tư thế của vận động viên bơi lội bằng lực cản của nước.

Lực cản của nước

Thí nghiệm: một hộp nhựa trong suốt, phía trên có ray cho xe lăn chạy. Dưới xe lăn gắn một tấm cản nhúng vào trong hộp. Sợi dây buộc vào xe, vắt qua ròng rọc cố định và nối với lực kế. Kéo lực kế để xe lăn chuyển động đều, đọc số chỉ lực kế khi hộp chưa có nước, rồi đổ nước vào hộp và làm lại.

Hộp nhựa trong suốt
Tấm cản gắn dưới xe lăn
0,3 m/s
0,00 N
Kéo lực kế đều tay: sợi dây vắt qua ròng rọc kéo xe lăn chạy trên ray, tấm cản chuyển động trong hộp.

Nhấn "Kéo xe" để kéo xe lăn chuyển động đều trên ray.

Số chỉ lực kế khi kéo xe lăn chuyển động đều
Điều kiệnSố chỉ lực kế
Chưa ghi số đo nào.

Khi hộp có nước, số chỉ lực kế lớn hơn hẳn so với khi chưa có nước. Nước đã cản trở chuyển động của tấm cản, nên phải kéo mạnh hơn mới giữ được xe chuyển động đều.

Vật chuyển động trong không khí cũng chịu lực cản của không khí, nhưng lực này nhỏ hơn nhiều. Thả hai hòn bi giống nhau từ cùng độ cao, một hòn trong không khí, một hòn trong cốc nước: hòn bi trong không khí rơi nhanh hơn, vì lực cản của nước lên hòn bi lớn hơn lực cản của không khí.

Lực cản của nước phụ thuộc vào yếu tố nào?

Làm lại thí nghiệm trên với hai tấm cản có kích thước khác nhau. Thay tấm cản nhỏ bằng tấm cản có diện tích lớn hơn: số chỉ lực kế tăng lên. Cầm hai tấm cản đẩy trong chậu nước: đẩy tấm lớn thấy nặng tay hơn.

  • Hình dạng của vật: vật có hình dạng thuôn, đầu nhọn (như thân cá) rẽ nước dễ dàng nên chịu lực cản nhỏ hơn vật có mặt phẳng chắn ngang dòng nước.
  • Tốc độ của vật: cùng một vật, chuyển động trong nước càng nhanh thì lực cản càng lớn. Em có thể thấy điều này khi kéo xe lăn nhanh hơn trong thí nghiệm ảo.
Số chỉ lực kế trong thí nghiệm ảo, kéo xe đều với tốc độ 0,5 m/s0{,}5\ \text{m/s}
Tấm cảnChưa có nướcCó nước
Tấm cản nhỏ0,20 N0{,}20\ \text{N}0,95 N0{,}95\ \text{N}
Tấm cản lớn0,20 N0{,}20\ \text{N}1,70 N1{,}70\ \text{N}
Tấm cản lớn có mũi thuôn0,20 N0{,}20\ \text{N}0,70 N0{,}70\ \text{N}

Lực cản của nước trong đời sống

  • Cá có thân hình thuôn, đầu nhọn, vảy trơn nhẵn: lực cản của nước nhỏ nên cá bơi nhanh.
  • Tàu thuyền có mũi nhọn, thân thuôn dài để giảm lực cản của nước; tàu ngầm có thân thuôn như thân cá.
  • Vận động viên bơi giữ người thẳng, nằm ngang trên mặt nước, đội mũ bơi và mặc đồ bơi bó sát, trơn: diện tích mặt cản giảm, lực cản giảm, bơi nhanh hơn.
  • Đi bộ dưới nước khó hơn đi trên cạn vì lực cản của nước lớn hơn lực cản của không khí.

Khám phá

Cuộc đua trong bể nước

Bốn vật cùng chất, cùng khối lượng nhưng khác hình dạng được thả cùng lúc từ mặt nước. Chọn dự đoán vật nào chạm đáy trước rồi nhấn "Thả" và xem thời gian của từng vật. Sau đó đổi bể sang "Không khí" và thả lại. So sánh lực cản lên mỗi vật ở bảng bên dưới.

Bể chứa
Dự đoán: vật nào chạm đáy trước?
Hình thuôn0,00 m/sHình cầu0,00 m/sHình lập phương0,00 m/sTấm phẳng0,00 m/s
Bốn vật làm cùng một chất, cùng khối lượng, chỉ khác hình dạng. Dưới mỗi vật: tốc độ lúc đang chìm, thời gian khi đã chạm đáy. Hình chạy chậm lại 5 lần.

Hãy dự đoán vật nào chạm đáy trước, rồi nhấn "Thả".

Lực cản của nước lên mỗi vật khi chuyển động với cùng tốc độ 0,5 m/s

  • Hình thuôn 0,004 N
  • Hình cầu 0,033 N
  • Hình lập phương 0,06 N
  • Tấm phẳng nằm ngang 0,3 N

Ví dụ

Ví dụ 1

Đề bài: Trong thí nghiệm kéo xe lăn có gắn tấm cản, khi hộp chưa có nước lực kế chỉ 0,2 N0{,}2\ \text{N}; khi đổ nước vào hộp và kéo xe đều như trước, lực kế chỉ 0,9 N0{,}9\ \text{N}. a) Vì sao số chỉ lực kế tăng? b) Lực cản của nước lên tấm cản khoảng bao nhiêu?
Đã hiện 0/3 bước

Ví dụ 2

Đề bài: Vì sao tàu thuyền thường được đóng với mũi nhọn, thân thuôn dài, còn mái chèo lại có bản rộng?
Đã hiện 0/2 bước

Ví dụ 3

Đề bài: Lấy hai miếng đất nặn giống hệt nhau: một miếng vo thành viên tròn, một miếng ép thành tấm mỏng, rộng. Thả cả hai (tấm mỏng nằm ngang) cùng lúc từ mặt nước vào một bình nước cao. Miếng nào chạm đáy trước? Giải thích.
Đã hiện 0/3 bước

Luyện tập

Đã làm 0/9 bài

Bài 1

Lực cản của nước tác dụng lên vật khi nào?

Bài 2

Một con cá đang bơi về phía bên phải. Lực cản của nước tác dụng lên cá có chiều

Bài 3

Lực cản của nước là lực tiếp xúc hay lực không tiếp xúc? (Gõ câu trả lời.)

Bài 4

Kéo xe lăn có gắn tấm cản chuyển động đều. Khi hộp chưa có nước lực kế chỉ 0,3 N0{,}3\ \text{N}, khi hộp có nước lực kế chỉ 1,1 N1{,}1\ \text{N}. Lực cản của nước lên tấm cản khoảng bao nhiêu niutơn?

Đơn vị:N

Bài 5

Làm thí nghiệm với hai tấm cản có diện tích 50 cm250\ \text{cm}^2 và 100 cm2100\ \text{cm}^2, kéo xe đều với cùng tốc độ trong hộp có nước. Kết quả nào đúng?

Bài 6

Thả hai hòn bi giống nhau từ cùng độ cao: hòn thứ nhất rơi trong không khí, hòn thứ hai rơi trong một ống đựng đầy nước. Điều nào đúng?

Bài 7

Ba vật cùng chất, cùng khối lượng được thả cùng lúc trong một bể nước sâu: một vật hình thuôn như thân cá (đầu nhọn hướng xuống), một hòn bi hình cầu và một tấm phẳng mỏng nằm ngang. Sắp xếp theo thứ tự chạm đáy, từ vật chạm đáy trước đến vật chạm đáy sau cùng.

  1. Vị trí 1: Tấm phẳng nằm ngang
  2. Vị trí 2: Hình thuôn như thân cá
  3. Vị trí 3: Hình cầu

Bài 8

Những đặc điểm nào giúp giảm lực cản của nước?

Bài 9

Vì sao đi bộ dưới bể bơi (nước ngập đến ngực) khó hơn đi bộ trên bờ?

Ghi nhớ

  • Các vật chuyển động trong nước chịu tác dụng của lực cản của nước, ngược chiều chuyển động.
  • Lực cản của nước lớn hơn nhiều so với lực cản của không khí.
  • Diện tích mặt cản càng lớn thì lực cản của nước càng lớn; vật hình thuôn chịu lực cản nhỏ.
  • Cá, tàu thuyền có hình dạng thuôn để giảm lực cản; mái chèo bản rộng tận dụng lực cản để đẩy thuyền đi.