Vấn đề 2: Một số lực thường gặp

Một vật đang nằm yên trên một mặt phẳng ngang thì có chịu tác dụng của lực ma sát nghỉ hay không? Giải thích.

Một người đi xe đạp trên đường nằm ngang với vận tốc không đổi. Giải thích tại sao người đó có thể đi với vận tốc không đổi.

Một số loài chim khi di cư xa thường bay thành từng đàn có hình góc nhọn như hình vẽ. Tại sao lại có sự sắp xếp như vậy? 

Một người kéo dây để giữ thùng hàng hình vẽ. Trên hình đã biểu diễn hai lực.

a) Chỉ ra lực còn lại tạo thành cặp lực - phản lực theo định luật III Newton với mỗi lực này. Nêu rõ vật mà lực đó tác dụng lên, hướng của lực và loại lực. 

b) Biểu diễn các lực tác dụng lên thùng hàng.

c) Biểu diễn các lực tác dụng lên người.

Để giảm tai nạn giữa tàu hoả và các phương tiện giao thông đường bộ khác, tại các vị trí giao nhau của đường sắt và đường bộ, người ta thường có lắp đặt các thanh chắn (barrier). Khi đèn báo hiệu có tàu đến, barrier sẽ được kéo xuống và tất cả các phương tiện tham gia giao thông không được đi qua đường ray. Dựa vào kiến thức đã học, em hãy giải thích tại sao barrier lại cần được kéo xuống sớm vài phút trước khi tàu đến.

Người ta thả một quả cầu kim loại vào một ống hình trụ chứa đầy dầu. Lúc đầu, quả cầu chuyển động nhanh dần. Sau một khoảng thời gian thì nó chuyển động với tốc độ không đổi. Hãy giải thích:

a) Tại sao lúc đầu quả cầu tăng tốc?

b) Tại sao sau một thời gian thì quả cầu chuyển động đều.

c) Tại sao nói nếu ống đủ cao thì vận tốc khi quả cầu chuyển động đều là vận tốc cuối của nó?

Một vật làm bằng sắt và một vật làm bằng hợp kim có cùng khối lượng được nhúng vào cùng một chất lỏng. Hỏi lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật nào lớn hơn và lập tỉ số giữa hai lực đẩy Archimedes này? Biết khối lượng riêng của sắt và hợp kim lần lượt là 7874 N/${\mathrm{m}}^3$ và 6750 N/${\mathrm{m}}^3$.

Trên đường khô ráo, một người đang lái xe với tốc độ v thì nhìn thấy đèn xanh ở xa còn 3 giây nên quyết định hãm phanh để xe chuyển động chậm dần đều. Biết sau khi hết đèn xanh, đèn vàng sẽ hiện trong 2 giây rồi đến đèn đỏ. Khi đèn vừa chuyển sang màu đỏ thì xe dừng lại. Khi đường trơn trượt, để đảm bảo an toàn, người lái xe hãm phanh sao cho độ lớn của tổng hợp lực khi này bằng 0,625 lần so với khi đường khô ráo. Hỏi người lái xe phải bắt đầu hãm phanh kể từ khi nhìn thấy đèn xanh còn lại bao nhiêu giây, ứng với tốc độ lúc hãm phanh cũng là v, để vừa dừng lại khi bắt đầu có tín hiệu đèn đỏ?

Một vật chuyển động trong không khí, trong nước hoặc trong chất lỏng nói chung đều sẽ chịu tác dụng của lực cản. Xét một viên bi thép có khối lượng 1 g đang ở trạng thái nghỉ được thả rơi trong dầu. Người ta khảo sát chuyển động của viên bị trong dầu và vẽ đồ thị tốc độ theo thời gian của viên bị như hình vẽ. Cho biết lực đẩy Archimedes có độ lớn là ${\mathrm{F}}_{\mathrm{A}}=\mathrm{1,2}.{10}^{-3}$ N và lấy g = 9,8 m/$s^2$. Tính độ lớn lực cản của dầu tác dụng lên viên bi sau thời điểm ${\mathrm{t}}_2$. 

Xét một tảng băng có phần thể tích chìm dưới nước khoảng 90%. Hãy ước tính khối lượng riêng của tảng băng, biết khối lượng riêng của nước biển là 1020 kg/${\mathrm{m}}^3$.

Hãy giải thích tại sao khi xét chuyển động rơi của vật, trong nhiều trường hợp ta chỉ xét tác dụng của trọng lực và lực cản không khí, có thể bỏ qua lực nâng của không khí. So sánh lực nâng của không khí và trọng lượng của một viên bi làm từ lithium nguyên chất để rút ra kết luận. Biết lực nâng của không khí có biểu thức tương tự như lực nâng của nước, khối lượng riêng của không khí ở 20⁰C là 1,2 kg/${\mathrm{m}}^3$, khối lượng riêng của lithium là 530 kg/${\mathrm{m}}^3$. Tại sao lại chọn lithium làm vật liệu so sánh?

Một vật có trọng lượng riêng 22000 N/${\mathrm{m}}^3$. Treo vật vào một lực kế rồi nhúng ngập trong nước thì lực kế chỉ 30 N. Hỏi nếu treo vật ở ngoài không khí thì lực kế chỉ bao nhiêu? Lấy trọng lượng riêng của nước là 10000 N/${\mathrm{m}}^3$.

Khi một quả cầu chuyển động trong chất lỏng, vật chịu tác dụng của lực cản được gọi là lực nội ma sát. Biểu thức độ lớn của lực nội ma sát được xác định bởi định luật Stockes:

f = 6π.r.η.v

Trong đó:      

f là nội lực ma sát (N);
r là bán kính của quả cầu (m);
η là hệ số ma sát nhớt hay độ nhớt của chất lỏng (Pa.s);
v là tốc độ tức thời của quả cầu (m/s).

Khi chuyển động quả cầu đạt trạng thái ổn định, quả cầu chuyển động với tốc độ bão hòa được xác định bởi biểu thức:

${\mathbf{v}}_{\mathbf{bh}}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\frac{\mathbf{2}{\mathbf{r}}^{\mathbf{2}}\mathbf{.}\mathbf{g}\mathbf{.}\mathbf{(}\mathbf{\sigma }\mathbf{-}\mathbf{\rho }\mathbf{)}}{\mathbf{9}\mathbf{\eta }}$

Trong đó:      

$v_{bh}$ là tốc độ bão hòa (m/s);
g là gia tốc trọng trường (m/${\mathrm{s}}^2$);
σ là khối lượng riêng của quả cầu (kg/${\mathrm{m}}^3$);
ρ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/${\mathrm{m}}^3$).

Xét một quả cầu đang rơi thẳng đều trong một chất lỏng với các thông số sau:

Đường kính quả cầu bằng 3 mm.
Khối lượng riêng của quả cầu bằng 2500 kg/${\mathrm{m}}^3$.
Khối lượng riêng của chất lỏng bằng 875 kg/${\mathrm{m}}^3$.
Tốc độ bão hòa bằng 160 mm/s.

Biết gia tốc trọng trường là 9,8 m/${\mathrm{s}}^2$. Hãy xác định độ nhớt của chất lỏng và độ lớn của lực nội ma sát tác dụng lên vật chuyển động ở tốc độ bão hòa.