Công Thức Tính F Cản: Chi Tiết và Ứng Dụng

Bài viết này trình bày chi tiết về Công Thức Tính F Cản, một khái niệm quan trọng trong Vật Lí lớp 10. Chúng ta sẽ đi sâu vào định nghĩa, các công thức liên quan, kiến thức mở rộng và các ví dụ minh họa giúp bạn nắm vững kiến thức này.

1. Định Nghĩa Lực Cản

Lực cản là lực xuất hiện khi một vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng hoặc chất khí, hoặc khi có sự tiếp xúc giữa hai bề mặt. Lực cản luôn có hướng ngược lại với hướng chuyển động, làm chậm hoặc cản trở chuyển động của vật.

Khi một vật chuyển động chỉ dưới tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi (không có lực cản, lực ma sát…) thì động năng và thế năng có sự biến đổi qua lại, nhưng tổng của chúng, tức là cơ năng luôn được bảo toàn.

Định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của trọng lực và lực đàn hồi. Nếu vật còn chịu tác dụng của lực cản thì cơ năng của vật sẽ biến đổi. Công của lực cản sẽ bằng độ biến thiên của cơ năng.

2. Công Thức Tính Công Của Lực Cản

Công thức tổng quát để tính công của lực cản là:

A_{lực cản} = W₂ – W₁ = ΔW

Trong đó:

• W₁: Cơ năng của vật tại vị trí ban đầu (J).
• W₂: Cơ năng của vật tại vị trí sau (J).
• ΔW: Độ biến thiên cơ năng (J).

3. Kiến Thức Mở Rộng Về Cơ Năng và Công

• Công thức tính cơ năng:

W = W_đ + W_t = ½ mv² + mgh

Trong đó:
*   W: Cơ năng của vật (J)
*   W<sub>đ</sub>: Động năng của vật (J)
*   W<sub>t</sub>: Thế năng của vật (J)
*   m: Khối lượng của vật (kg)
*   h: Độ cao của vật so với gốc thế năng (m)
*   v: Vận tốc của vật (m/s)

• Công thức tính công khi lực cản không đổi:

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 α thì công thực hiện bởi lực cản đó được tính theo công thức:

A = F_cản.s.cosα = -F_cản.s

Trong đó:
*   F<sub>cản</sub>: Độ lớn lực cản tác dụng (N)
*   s: Quãng đường vật dịch chuyển (m)
*   A: Công (J).
*   α : góc hợp bởi hướng của lực với hướng chuyển dời của vật (thường là 180 độ nên cosα = -1)

Từ các công thức trên, ta có thể tính:

• Độ lớn lực cản: F_{lực cản} = |A|/s
• Quãng đường vật dịch chuyển: s = |A|/F_cản

4. Ví Dụ Minh Họa

Ví dụ 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:

Ta có do lực cản sinh công làm biến đổi động năng của vật nên áp dụng định lí biến thiên động năng:

ΔW_đ = A_cản

½.m.v₂² – ½.m.v₁² = -F_cản.s

=> F_cản = (½.m.v₁² – ½.m.v₂²)/s = (0.5 0.014 400² – 0.5 0.014 120²)/0.05 = 20860 N

Ví dụ 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:

W_trước = mgh + ½ m.v₀² = (650/10)10 + 0.5(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:

W_sau = – mgh’ = -(650/10)103 = -1950 J

Độ biến thiên cơ năng: A_cản = ΔW = W_sau – W_trước = -1950 – 6630 = – 8580 J.