Bài viết này trình bày chi tiết về Công Của Lực Cản, một khái niệm quan trọng trong Vật lý lớp 10. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu định nghĩa, công thức tính, kiến thức mở rộng liên quan và các bài tập minh họa có lời giải chi tiết để nắm vững kiến thức này.
1. Lực Cản Là Gì?
Lực cản là lực xuất hiện khi một vật chuyển động trong môi trường có ma sát (ví dụ: không khí, chất lỏng) hoặc khi vật bị biến dạng. Lực này luôn có xu hướng chống lại chuyển động hoặc sự biến dạng của vật. Bản chất của lực cản có thể là lực ma sát, lực nhớt, hoặc các lực tương tác phức tạp khác.
Trong nhiều bài toán vật lý, việc xét đến lực cản là vô cùng quan trọng để mô tả chính xác chuyển động của vật. Bỏ qua lực cản trong những trường hợp này có thể dẫn đến kết quả sai lệch.
2. Công Thức Tính Công Của Lực Cản
Khi lực cản tác dụng lên một vật, nó thực hiện một công, gọi là công của lực cản. Công này có giá trị âm vì lực cản luôn ngược hướng với chuyển động của vật.
-
Định lý biến thiên cơ năng: Công của lực cản bằng độ biến thiên cơ năng của vật.
ALực cản = W2 – W1 = ΔW
Trong đó:
- W1: Cơ năng của vật tại vị trí đầu (J)
- W2: Cơ năng của vật tại vị trí sau (J)
- ΔW: Độ biến thiên cơ năng (J)
Công thức này cho thấy rằng, khi có lực cản, cơ năng của vật không được bảo toàn mà bị tiêu hao dần. Công của lực cản chính là lượng cơ năng bị tiêu hao đó.
-
Công thức tính công khi lực cản không đổi:
A = F cản s cosα = -F cản * s
Trong đó:
- F cản: Độ lớn lực cản tác dụng (N)
- s: Quãng đường vật dịch chuyển (m)
- A: Công của lực cản (J)
- α: Góc hợp bởi hướng của lực cản và hướng chuyển dời của vật (thường α = 180° nên cosα = -1)
Dấu âm trong công thức thể hiện rằng công của lực cản là công âm, tức là lực cản làm giảm cơ năng của vật.
3. Mở Rộng Về Cơ Năng
Để hiểu rõ hơn về công của lực cản, chúng ta cần nắm vững về cơ năng. Cơ năng của một vật là tổng động năng và thế năng của nó.
-
Công thức tính cơ năng:
W = Wđ + Wt = ½ mv² + mgh
Trong đó:
- W: Cơ năng của vật (J)
- Wđ: Động năng của vật (J), Wđ = ½ mv²
- Wt: Thế năng của vật (J), Wt = mgh
- m: Khối lượng của vật (kg)
- h: Độ cao của vật so với gốc thế năng (m)
- v: Vận tốc của vật (m/s)
-
Động năng: Là năng lượng mà vật có được do chuyển động. Động năng tỉ lệ thuận với khối lượng và bình phương vận tốc của vật.
-
Thế năng: Là năng lượng mà vật có được do vị trí của nó trong một trường lực (ví dụ: trường trọng lực, trường đàn hồi). Thế năng trọng trường tỉ lệ thuận với khối lượng, gia tốc trọng trường và độ cao của vật so với gốc thế năng.
4. Bài Tập Minh Họa
Để hiểu rõ hơn về cách áp dụng công thức tính công của lực cản, chúng ta hãy cùng xét một số ví dụ sau:
Bài 1: 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:
Do lực cản sinh công làm biến đổi động năng của vật nên áp dụng định lí biến thiên động năng:
ΔWđ = A cản
½ m (v2² – v1²) = -F cản * s
=> F cản = – (m (v2² – v1²)) / (2 s) = – (0.014 (120² – 400²)) / (2 0.05) = 21280 N
Vậy lực cản trung bình của tấm gỗ tác dụng lên viên đạn là 21280 N.
Bài 2: 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 + ½ m.v0² = (650/10) 10 + ½ (650/10) * 2² = 6500 + 130 = 6630 J.
Tại vị trí dừng lại, có tọa độ là h’ = -3 m.
Cơ năng lúc người đó dừng lại là:
Wsau = mgh’ = (650/10) * (-3) = -1950 J
Độ biến thiên cơ năng: A cản = ΔW = Wsau – Wtrước = -1950 – 6630 = – 8580 J.
Vậy công của lực cản tác dụng lên người đó là -8580 J.
5. Ứng Dụng Thực Tế Của Công Của Lực Cản
Hiểu biết về công của lực cản không chỉ quan trọng trong các bài toán vật lý mà còn có nhiều ứng dụng thực tế trong kỹ thuật và đời sống:
- Thiết kế ô tô, máy bay: Các kỹ sư cần tính toán lực cản của không khí để thiết kế khí động học cho các phương tiện, giảm thiểu lực cản và tiết kiệm nhiên liệu.
- Xây dựng công trình: Lực cản của gió, nước cần được tính đến khi thiết kế các công trình như cầu, nhà cao tầng để đảm bảo độ vững chắc.
- Thể thao: Vận động viên bơi lội, đua xe đạp, trượt tuyết… cần tìm cách giảm lực cản để đạt thành tích cao.
Kết luận
Công của lực cản là một khái niệm quan trọng trong vật lý, đặc biệt khi xét đến các hệ không bảo toàn cơ năng. Việc nắm vững định nghĩa, công thức tính và các ứng dụng của công của lực cản sẽ giúp chúng ta giải quyết các bài toán vật lý một cách chính xác và hiểu rõ hơn về các hiện tượng trong tự nhiên và kỹ thuật. Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những kiến thức hữu ích và giúp bạn học tốt môn Vật lý!
