Công thức và bài tập lực cản Vật lý lớp 10 hay nhất

Hầu hết chúng ta đã từng trải qua trường hợp chịu lực cản khi di chuyển, như khi đạp xe ngược gió hay tắc đường trong lưu lượng giao thông dày đặc. Nhưng bạn đã...

Hầu hết chúng ta đã từng trải qua trường hợp chịu lực cản khi di chuyển, như khi đạp xe ngược gió hay tắc đường trong lưu lượng giao thông dày đặc. Nhưng bạn đã biết rằng lực cản là một loại lực chống lại chuyển động hoặc các tác động làm biến dạng không? Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về khái niệm và công thức tính lực cản.

Khái niệm về lực cản

Lực cản là một loại lực chống lại chuyển động hoặc chống lại các tác động làm biến dạng. Khi một vật thể chuyển động dưới tác động của trọng lực hoặc lực đàn hồi (không có lực cản, lực ma sát...), động năng và thế năng sẽ có sự biến đổi qua lại, nhưng tổng cộng của chúng - cơ năng, luôn được bảo toàn. Tuy nhiên, nếu vật thể chịu tác động của lực cản hay lực ma sát, cơ năng của vật đó sẽ thay đổi. Công của lực cản sẽ bằng độ biến thiên của cơ năng.

Lực cản không khí

Lực cản phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Lực cản của chất lưu như không khí và nước sẽ phụ thuộc vào hình dạng và tốc độ của vật thể. Nói cách khác, nếu hình dạng và tốc độ thay đổi, lực cản cũng sẽ thay đổi theo.

Yếu tố ảnh hưởng tới lực cản

Yếu tố ảnh hưởng tới lực cản của nước

Công thức tính lực cản

Công thức tính lực cản được xác định bằng công thức sau:

ALực cản = W2 - W1 = alpha * W

Trong đó:

  • W1 là cơ năng của vật tại vị trí ban đầu (J)
  • W2 là cơ năng của vật tại vị trí lúc sau (J)
  • alpha là độ biến thiên cơ năng (J)

Hãy đăng ký ngay khóa học DUO để được thầy cô lên lộ trình ôn thi tốt nghiệp ngay từ bây giờ nhé!

Lực cản không khí

Kiến thức mở rộng về lực cản

  • Công thức tính cơ năng: W = Wđ + Wt = 1/2 * mv2 + mgh Trong đó:

  • W là cơ năng của vật thể (J)

  • Wđ là động năng của vật (J)

  • Wt là thế năng của vật (J)

  • m là khối lượng của vật (kg)

  • h là độ cao của vật thể so với gốc thế năng (m)

  • v là vận tốc của vật (m/s)

  • Công thức tính công: Khi lực cản không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc thì công thực hiện bởi lực cản đó được tính theo công thức: A = Fcản s cos α = -Fcản * s Trong đó:

  • F là độ lớn lực cản tác dụng (N)

  • s là quãng đường vật dịch chuyển (m)

  • A là công (J)

  • α là góc hợp bởi hướng của lực với hướng chuyển dời của vật

  • Từ các công thức trên, ta có thể tính:

  1. Độ lớn lực cản: FLực cản
  2. Quãng đường vật dịch chuyển: s

Ví dụ minh hoạ cách áp dụng công thức tính lực cản

Một viên đạn khối lượng 14g chuyển động với vận tốc 400 m/s theo phương ngang xuyên qua tấm gỗ dày 5 cm. Vận tốc viên đạn sau khi xuyên qua gỗ là 120 m/s. Tính lực cản trung bình của tấm gỗ tác dụng lên viên đạn?

Lời giải:

Theo công thức biến thiên cơ năng, ta có: Giải ví dụ minh hoạ cách áp dụng công thức tính lực cản vào bài tập

Bài tập áp dụng công thức tính lực cản

Bài 1: Một vận động viên nặng 650 N nhảy với vận tốc ban đầu v0 = 2 m/s từ cầu nhảy ở độ cao 10 m xuống nước theo hướng thẳng đứng xuống dưới. Lấy g = 10 m/s2, sau khi chạm nước người đó chuyển động thêm một độ dời 3 m trong nước theo phương thẳng đứng thì dừng. Tính công của lực cản tác dụng lên người đó.

Lời giải:

Chọn gốc thế năng tại mặt phân cách giữa nước và không khí. Cơ năng của người lúc bắt đầu nhảy là: Wtrước = mgh + 1/2 m v02 = 6630 J

Tại vị trí dừng lại, có tọa độ là h' = -3 m. Cơ năng lúc người đó dừng lại là: Wsau = -mgh' = -1950 J

Độ biến thiên cơ năng: Acản = ΔW = Wsau - Wtrước = -8580 J

Bài 2: Một vật khối lượng 2,5 kg rơi thẳng đứng từ độ cao 100 m không vận tốc đầu, sau 20s thì chạm đất. Tính lực cản của không khí (coi như không đổi) tác dụng lên vật lấy g = 10 m/s2

Lời giải:

s = 0,5 a t2 => a = 0,5 m/s2 P - Fcản = ma => Fcản = 23,75 N

Bài 3: Từ mặt đất ném một vật khối lượng 5 kg lên cao theo phương thẳng đứng. Thời gian đạt độ cao cực đại là t1 và thời gian trở lại mặt đất là t2. Biết t1 = t2/2. Tính lực cản của không khí (xem như không đổi) cho g = 10 m/s2

Lời giải:

Hình ảnh minh hoạ đề bài bài tập 3 lực cản

Khi vật chuyển động đi lên P - Fcản = ma1 => a1 = -g - Fcản/m

Gọi vo là vận tốc lúc ném lên và s là độ cao cực đại vật đạt được: => vo = sqrt(2s(g + Fcản/m))

=> t1 = -vo/a1 = 2s/vo

Khi vật chuyển động đi xuống P - Fcản = ma2 => a2 = g - Fcản/m

t2 = sqrt(2s/a2)

t1 = t2/2 => Fcản = 30 N

Bài 4: Một quả cầu khối lượng m = 1 kg, bán kính r = 8 cm. Tìm vận tốc rơi cực đại của quả cầu. Biết rằng lực cản của không khí có biểu thức F = kSv2 với hệ số k = 0,024

Lời giải:

Hình ảnh giải bài tập 4 về lực cản

Bài 5: Hai quả cầu đồng chất giống nhau về mặt hình học nhưng làm bằng vật liệu khác nhau. Khối lượng riêng của các quả cầu là D1 và D2. Hai quả cầu đều rơi trong không khí. Giả sử lực cản của không khí tỉ lệ với bình phương các vận tốc, hãy xác định tỉ số giữa các vận tốc cực đại của các quả cầu.

Lời giải:

Hình ảnh hướng dẫn giải bài tập 5 lực cản

Chúng ta đã tìm hiểu về công thức và bài tập lực cản trong Vật lý lớp 10. Nếu bạn muốn học thêm về các kiến thức Vật lý 10 cũng như Vật lý THPT, hãy truy cập vuihoc.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô chúng tôi ngay bây giờ!

1