Lực đàn hồi là một khái niệm quan trọng trong chương trình Vật lý, đặc biệt là khi nghiên cứu về dao động và cơ học vật rắn. Bài viết này sẽ cung cấp đầy đủ kiến thức về độ Lớn Lực đàn Hồi, bao gồm định nghĩa, công thức tính, các yếu tố ảnh hưởng và ví dụ minh họa chi tiết, giúp bạn nắm vững kiến thức và tự tin giải các bài tập liên quan.
1. Lực Đàn Hồi Là Gì?
Lực đàn hồi xuất hiện khi một vật thể bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực và có xu hướng chống lại sự biến dạng đó, trở về hình dạng ban đầu. Lực này chỉ tồn tại khi vật còn bị biến dạng. Các vật thể có tính đàn hồi thường gặp là lò xo, dây cao su, thanh thép,…
2. Công Thức Tính Độ Lớn Lực Đàn Hồi (Định Luật Hooke)
Trong giới hạn đàn hồi (khi vật chưa bị biến dạng vĩnh viễn), độ lớn của lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ biến dạng của vật. Định luật này được gọi là định luật Hooke. Công thức tổng quát để tính độ lớn lực đàn hồi như sau:
Fdh = k * |Δl|Trong đó:
Fdh: Độ lớn lực đàn hồi (N).k: Độ cứng của vật đàn hồi (N/m), đặc trưng cho khả năng chống lại biến dạng của vật. Độ cứng càng lớn, vật càng khó bị biến dạng.|Δl|: Độ biến dạng của vật (m), là độ chênh lệch giữa chiều dài khi bị biến dạng và chiều dài tự nhiên của vật.|Δl| = |l - l0|(l là chiều dài khi biến dạng, l0 là chiều dài tự nhiên).
Trong công thức trên:
l0: Chiều dài tự nhiên của lò xo (m).l: Chiều dài của lò xo khi chịu tác dụng của lực (m).
3. Các Trường Hợp Đặc Biệt và Mở Rộng
-
Lực đàn hồi khi vật cân bằng: Khi một vật được treo vào lò xo và ở trạng thái cân bằng, lực đàn hồi của lò xo sẽ cân bằng với trọng lực của vật. Khi đó:
Fdh = P = mg(m là khối lượng của vật, g là gia tốc trọng trường).Từ đó, ta có thể suy ra:
k * |Δl| = mg. Công thức này rất hữu ích trong việc xác định độ cứng của lò xo hoặc độ biến dạng khi biết khối lượng vật treo. -
Lực căng dây: Đối với dây cao su hoặc dây thép, lực đàn hồi thường được gọi là lực căng dây. Lực này chỉ xuất hiện khi dây bị kéo dãn.
-
Lực đàn hồi trên mặt tiếp xúc: Khi hai vật ép vào nhau, lực đàn hồi xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc và có phương vuông góc với bề mặt đó. Lực này còn được gọi là phản lực.
4. Ví Dụ Minh Họa
Ví dụ 1: Một lò xo có chiều dài tự nhiên 20 cm. Khi treo một vật có khối lượng 200g vào, lò xo dài 24 cm. Tính độ cứng của lò xo. Cho g = 10 m/s².
Giải:
- Độ biến dạng của lò xo:
Δl = l - l0 = 24 cm - 20 cm = 4 cm = 0.04 m. - Lực đàn hồi:
Fdh = mg = 0.2 kg * 10 m/s² = 2 N. - Độ cứng của lò xo:
k = Fdh / Δl = 2 N / 0.04 m = 50 N/m.
Ví dụ 2: Một lò xo có độ cứng 100 N/m. Tính độ lớn lực đàn hồi khi lò xo bị nén 5 cm.
Giải:
- Độ biến dạng của lò xo:
Δl = 5 cm = 0.05 m. - Lực đàn hồi:
Fdh = k * Δl = 100 N/m * 0.05 m = 5 N.
5. Bài Tập Tự Luyện
- Một lò xo có chiều dài tự nhiên 25 cm, độ cứng 80 N/m. Tính chiều dài của lò xo khi chịu tác dụng của lực kéo 4 N.
- Một vật có khối lượng 500g được treo vào lò xo làm lò xo dãn ra 10 cm. Tính độ cứng của lò xo. Lấy g = 10 m/s².
- Một lò xo có chiều dài tự nhiên 30cm. Khi treo vật nặng 100g, lò xo dài 32cm. Nếu treo vật nặng 200g, lò xo dài bao nhiêu?
- Hai lò xo có độ cứng lần lượt là k1 = 50 N/m và k2 = 100 N/m. Tính độ cứng tương đương của hệ khi ghép nối tiếp và song song.
- Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 20 cm. Khi treo một vật có trọng lượng 2N thì lò xo dài 22 cm. Tính độ lớn lực đàn hồi của lò xo khi nó có chiều dài 23 cm.
6. Lưu Ý Quan Trọng
- Định luật Hooke chỉ đúng trong giới hạn đàn hồi. Vượt quá giới hạn này, vật sẽ bị biến dạng vĩnh viễn và công thức trên không còn áp dụng được.
- Khi giải bài tập, cần chú ý đổi đơn vị về hệ SI (mét, Newton) để đảm bảo tính chính xác.
- Lực đàn hồi luôn hướng ngược chiều với biến dạng. Nếu vật bị kéo dãn, lực đàn hồi hướng vào trong. Nếu vật bị nén, lực đàn hồi hướng ra ngoài.
Nắm vững lý thuyết và luyện tập thường xuyên sẽ giúp bạn tự tin chinh phục các bài tập liên quan đến độ lớn lực đàn hồi trong chương trình Vật lý. Chúc bạn học tốt!
