Lớp 10 · Vật Lí
Bài 19
Lực Cản & Lực Nâng
Chất lưu, lực cản, lực nâng, lực đẩy Archimedes $F_A = \rho g V$
1
Chất lưu & Lực cản của chất lưu
▼
📐 Chất lưu là gì?
Trong Vật lí, thuật ngữ chất lưu dùng để chỉ chung chất lỏng và chất khí — những chất có khả năng chảy và biến dạng liên tục.
▸ Lực cản của chất lưu
Mọi vật chuyển động trong chất lưu (nước, không khí…) đều chịu tác dụng của lực cản. Lực cản có tác dụng tương tự lực ma sát — làm chuyển động của vật bị chậm lại.
Hình 1: Lực cản của chất lưu cản trở chuyển động của vật
▸ Đặc điểm của lực cản
①Phương: theo phương chuyển động của vật.
②Chiều: ngược chiều chuyển động (cản trở chuyển động).
▸ Độ lớn lực cản phụ thuộc vào
| Yếu tố | Ảnh hưởng |
|---|---|
| Hình dạng vật | Khí động học (con thoi) → lực cản nhỏ |
| Tốc độ vật | Tốc độ càng lớn → lực cản càng lớn |
| Bản chất chất lưu | Lực cản trong nước >> trong không khí |
| Diện tích mặt cản | Diện tích vuông góc hướng đi càng lớn → lực cản càng lớn |
| Khối lượng vật | KHÔNG phụ thuộc |
Vận tốc giới hạn
Khi vật rơi trong chất lưu, dưới tác dụng đồng thời của trọng lực và lực cản (tăng dần theo tốc độ), đến một lúc nào đó lực cản cân bằng trọng lực → vật đạt vận tốc giới hạn và chuyển động đều với vận tốc này (không còn nhanh hơn được nữa).
💡 Hình dạng khí động học
Các phương tiện giao thông tốc độ cao (ô tô đua, tàu ngầm, tàu cao tốc) được thiết kế dạng con thoi để giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu. Tàu ngầm có hình dáng giống cá heo cũng vì lý do tương tự.
2
Lực nâng của chất lưu
▼
📐 Định nghĩa
Khi vật chuyển động hoặc nằm trong chất lưu, ngoài lực cản, vật còn chịu lực nâng của chất lưu.
▸ Đặc điểm của lực nâng
①Phương: thẳng đứng.
②Chiều: hướng lên trên.
③Vuông góc với phương chuyển động của vật (khác với lực cản — song song và ngược chiều chuyển động).
Hình 2: Bốn lực tác dụng lên máy bay đang bay ngang — $F_d$ (đẩy), $F_c$ (cản), $F_n$ (nâng), $P$ (trọng lực)
▸ Vai trò của lực nâng
→Máy bay bay được trong không khí — cánh máy bay hơi hướng lên tạo lực nâng.
→Khinh khí cầu lơ lửng trên không trung.
→Tàu thuyền nổi và di chuyển trên mặt nước.
→Sinh vật bay lượn trong không khí (chim, cá bay).
💡 Khi máy bay cất cánh
Phần đầu máy bay hướng lên trên để tăng góc tấn → lực nâng tăng dần, giúp máy bay nâng cao độ bay.
3
Lực đẩy Archimedes — Công thức $F_A = \rho g V$
▼
📐 Định nghĩa
Lực đẩy Archimedes là trường hợp riêng của lực nâng — khi vật đứng yên (hoặc nằm cân bằng) trong chất lưu.
$F_A = \rho \cdot g \cdot V$
→$F_A$: lực đẩy Archimedes (N)
→$\rho$: khối lượng riêng của chất lưu (kg/m³)
→$g$: gia tốc rơi tự do (m/s²)
→$V$: thể tích phần chất lưu bị vật chiếm chỗ (m³)
Cách viết khác (dùng trọng lượng riêng $d$)
$F_A = d \cdot V$ với $d = \rho \cdot g$
$d$: trọng lượng riêng của chất lưu (N/m³)
$d$: trọng lượng riêng của chất lưu (N/m³)
▸ Điều kiện nổi – chìm – lơ lửng
| Trạng thái | Điều kiện |
|---|---|
| Vật nổi | Trọng lượng riêng vật < chất lưu ($\rho_{vật} < \rho_{cl}$) |
| Vật chìm | Trọng lượng riêng vật > chất lưu ($\rho_{vật} > \rho_{cl}$) |
| Vật lơ lửng (cân bằng) | $F_A = P$, tức $\rho_{vật} = \rho_{cl}$ |
📝 Ví dụ — Tấm gỗ ngập một nửa
Tấm gỗ hộp chữ nhật $50 \times 30 \times 20$ cm lơ lửng, ngập một nửa trong nước. $\rho = 1000$ kg/m³, $g = 10$ m/s².
Bước 1: Thể tích tấm gỗ: $V_{gỗ} = 50 \cdot 30 \cdot 20 = 30\,000$ cm³ $= 0{,}03$ m³.
Bước 2: Phần ngập (1/2): $V = 0{,}015$ m³.
Bước 3: $F_A = \rho g V = 1000 \cdot 10 \cdot 0{,}015 = 150$ N.
Bước 4: Tấm gỗ lơ lửng → $P = F_A = \mathbf{150}$ N (trọng lượng tấm gỗ).
Bước 1: Thể tích tấm gỗ: $V_{gỗ} = 50 \cdot 30 \cdot 20 = 30\,000$ cm³ $= 0{,}03$ m³.
Bước 2: Phần ngập (1/2): $V = 0{,}015$ m³.
Bước 3: $F_A = \rho g V = 1000 \cdot 10 \cdot 0{,}015 = 150$ N.
Bước 4: Tấm gỗ lơ lửng → $P = F_A = \mathbf{150}$ N (trọng lượng tấm gỗ).
⚠️ Lưu ý quan trọng
Khi nhúng vật vào nước và treo vào lực kế, số chỉ lực kế giảm so với khi đo ngoài không khí — vì vật chịu thêm lực đẩy Archimedes hướng lên:
$\;F_{kế} = P - F_A$.
$\;F_{kế} = P - F_A$.
4
Phân biệt Lực cản & Lực nâng — Bài toán tổng hợp
▼
▸ Bảng phân biệt
⛔ Lực cản $F_c$
PhươngSong song chuyển động
ChiềuNgược chiều chuyển động
Tác dụngCản trở, làm chậm chuyển động
Phụ thuộcHình dạng, tốc độ, bản chất chất lưu, diện tích cản
⬆️ Lực nâng $F_n$
PhươngThẳng đứng
ChiềuHướng lên
Tác dụngHỗ trợ, nâng vật lên
Phụ thuộcThể tích chiếm chỗ, bản chất chất lưu
▸ Phương pháp giải bài toán có lực cản
①Phân tích & vẽ tất cả các lực tác dụng lên vật.
②Áp dụng định luật 2 Newton: $\sum \vec{F} = m\vec{a}$.
③Chọn trục tọa độ — chiều dương theo chiều chuyển động.
④Chiếu phương trình lên trục, kết hợp công thức động học khi cần:
$v = v_0 + at$ ; $s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2$ ; $v^2 - v_0^2 = 2as$
$v = v_0 + at$ ; $s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2$ ; $v^2 - v_0^2 = 2as$
📝 Ví dụ 1 — Ô tô có lực cản
Ô tô tổng khối lượng $m = 850$ kg, lực đẩy động cơ $F_d = 1000$ N, lực cản $F_c = 150$ N. Tính gia tốc và vận tốc sau $2$ s (xuất phát từ nghỉ).
Bước 1: Hợp lực ngang: $F = F_d - F_c = 1000 - 150 = 850$ N.
Bước 2: $a = \dfrac{F}{m} = \dfrac{850}{850} = 1$ m/s².
Bước 3: Sau $2$ s: $v = v_0 + at = 0 + 1 \cdot 2 = 2$ m/s.
Bước 1: Hợp lực ngang: $F = F_d - F_c = 1000 - 150 = 850$ N.
Bước 2: $a = \dfrac{F}{m} = \dfrac{850}{850} = 1$ m/s².
Bước 3: Sau $2$ s: $v = v_0 + at = 0 + 1 \cdot 2 = 2$ m/s.
📝 Ví dụ 2 — Vật rơi có lực cản
Vật $m = 10$ kg rơi từ độ cao $10$ m, $v_0 = 1$ m/s, $F_c = 20$ N (không đổi), $g = 10$ m/s². Tính gia tốc và vận tốc khi chạm đất.
Bước 1: Chọn chiều dương xuống. $P - F_c = ma$:
$\;mg - F_c = 10 \cdot 10 - 20 = 80$ N → $a = \dfrac{80}{10} = 8$ m/s².
Bước 2: $v^2 = v_0^2 + 2as = 1 + 2 \cdot 8 \cdot 10 = 161$ → $v = \sqrt{161} \approx 12{,}7$ m/s.
Bước 1: Chọn chiều dương xuống. $P - F_c = ma$:
$\;mg - F_c = 10 \cdot 10 - 20 = 80$ N → $a = \dfrac{80}{10} = 8$ m/s².
Bước 2: $v^2 = v_0^2 + 2as = 1 + 2 \cdot 8 \cdot 10 = 161$ → $v = \sqrt{161} \approx 12{,}7$ m/s.
📝 Ví dụ 3 — Máy bay bay ngang ổn định
Máy bay $m = 80$ tấn $= 80\,000$ kg, bay ngang ở độ cao ổn định, tốc độ không đổi. $g = 10$ m/s².
Cân bằng theo phương đứng: $F_n = P = mg = 80\,000 \cdot 10 = 800\,000$ N $= 8 \cdot 10^5$ N.
(Cân bằng theo phương ngang: $F_d = F_c$.)
Cân bằng theo phương đứng: $F_n = P = mg = 80\,000 \cdot 10 = 800\,000$ N $= 8 \cdot 10^5$ N.
(Cân bằng theo phương ngang: $F_d = F_c$.)
5
Tổng kết & Xem lý thuyết đầy đủ
▼
Tổng kết Bài 19
• Chất lưu: chất lỏng + chất khí.
• Lực cản: ngược chiều chuyển động; phụ thuộc hình dạng, tốc độ, diện tích cản, bản chất chất lưu; KHÔNG phụ thuộc khối lượng vật.
• Vận tốc giới hạn: khi $F_c = P$, vật rơi đều.
• Lực nâng: phương thẳng đứng, hướng lên, vuông góc chuyển động.
• Lực đẩy Archimedes: $F_A = \rho g V = d \cdot V$.
• Nổi/chìm/lơ lửng: so $\rho_{vật}$ với $\rho_{chất\,lưu}$.
• Số chỉ lực kế trong nước: $F_{kế} = P - F_A$.
• Lực cản: ngược chiều chuyển động; phụ thuộc hình dạng, tốc độ, diện tích cản, bản chất chất lưu; KHÔNG phụ thuộc khối lượng vật.
• Vận tốc giới hạn: khi $F_c = P$, vật rơi đều.
• Lực nâng: phương thẳng đứng, hướng lên, vuông góc chuyển động.
• Lực đẩy Archimedes: $F_A = \rho g V = d \cdot V$.
• Nổi/chìm/lơ lửng: so $\rho_{vật}$ với $\rho_{chất\,lưu}$.
• Số chỉ lực kế trong nước: $F_{kế} = P - F_A$.
Để xem lý thuyết đầy đủ (kèm hình ảnh SGK chi tiết, các phương pháp giải nhanh, mẹo, sai lầm thường gặp, các dạng bài mở rộng), các em hãy tham khảo bài viết bên dưới:
📚 Xem thêm: Lý thuyết đầy đủ + PP giải các dạng + Mẹo & sai lầm thường gặp tại Edus.vnSau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 23 câu bám sát SGK Vật Lí 10!
1
—
Điểm: 0/23
✈️
Cùng luyện Bài 19 — Lực cản & Lực nâng!
23 câu: 18 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 3 tự luận
🏆
Tuyệt vời!
0/23
💡 Gợi ý
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn