Tài liệu: Lực cản chính diện

Tài liệu

Tóm tắt nội dung

Trên hành tinh chúng ta mọi chuyển động đều diễn ra hoặc trong không khí, hoặc trong nước. Môi trường ấy luôn gây ra lực cản ngược với hướng của chuyển dộng, gọi là lực
Lực cản chính diện

Nội dung

LỰC CẢN CHÍNH DIỆN

 

Trên hành tinh chúng ta mọi chuyển động đều diễn ra hoặc trong không khí, hoặc trong nước. Môi trường ấy luôn gây ra lực cản ngược với hướng của chuyển dộng, gọi là lực cản chính diện. Chính vì có nó mà để duy trì chuyển động đều của bất kì phương tiện vận chuyển nào cũng phải có động cơ. Nếu tắt máy phương tiện sẽ mất dần tốc độ và cuối cùng sẽ dừng lại.

Sức cản chính diện phụ thuộc vào hình dáng và kích thước của vật, tính chất của môi trường và điều rất quan trọng, là vào vận tốc chuyển động tương đối của vật. Khi vật có kích thước bé và tốc độ nhỏ thì lực cản tỷ lệ với vận tốc chuyển động:

Sự phụ thuộc đó của lực cản vào tốc độ được tuân thủ chừng nào môi trường khí và lỏng chảy thành dòng đều đặn bao quanh vật. Hệ số C1 phụ thuộc vào hình dạng của vật còn ''độ dài hiệu dụng'' l thì phụ thuộc vào kích thước của nó. Với một quả cầu nhỏ bằng bán kính của nó, còn C1 = 6. Thế nên (có tên là công thức Stokes). Hằng số biểu thị khả năng của môi trường gây cản trở chuyển động của vật và được gọi là độ nhớt hay ma sát nội. Nó đặc trưng cho sự ma sát giữa các lớp kề nhau, trượt lên nhau trong chất lỏng hay khí (được trình bày kĩ càng hơn ở mục ''Cơ học chất lỏng - chất khí”).

Nếu vận tốc của vật vượt qua một giá trị tới hạn nào đó (vth) thì sức cản trực diện sẽ tỷ lệ không phải với bậc nhất, mà với bậc hai của vận tốc:

Trong đó C2 cũng phụ thuộc vào hình dạng của vật như C1, nhưng giá trị thì lớn hơn nhiều. Lực cản còn tỷ lệ với mật độ  của môi trường và với diện tích tiết diện ngang S (còn gọi diện tích chính diện hay diện tích tiền đầu) của vật. Sức cản lúc này phát sinh không phải chỉ do ma sát lẫn nhau của các lớp chất khí hay lỏng nữa mà còn do sự chênh lệch áp suất ở phía trước và phía sau của chuyển động đủ nhanh. Áp suất phía trước vật (nơi môi trường đứng yên) lớn hơn phía sau vật (nơi môi trường chuyển động xoáy rối rất nhanh) một đại lượng pv2/2.

Ở vận tốc lớn sức cản chính diện có cùng bản chất như sức đẩy Archimedes - cùng là do hiệu số áp suất chỉ có điều trường hợp lực Archimedes thì do trọng lực (tạo ra sự chênh lệch áp suất phía trên và phía dưới vật, còn sức cản chính diện thì do chênh lệch vận tốc trong môi trường vật chất.

Vậy là sức cản chính diện phụ thuộc vào vận tốc theo hai mức độ:

 

Trong đó vth là giá trị tới hạn của vận tốc, ở đó tính định luật này chuyển sang tính định luật khác. Nó được xác định bởi hình dạng và kích thước của vật cũng như bởi độ nhớt và mật độ của môi trường. Độ lớn của vth phụ thuộc tỷ số /p, vốn có tên là độ nhớt động học. Đối với cùng một vật; giá trị vận tốc tới hạn vth trong không khí lớn hơn trong nước 14 lần. Nghĩa là sự tỷ lệ thuận của Fc với v được giữ nguyên tới vận tốc cao hơn rất nhiều khi vật chuyển động trong không khí so với trong nước.

Đồ thị sự phụ thuộc của Fc(v) đi qua gốc toạ độ, tức là FC(0) = 0 vì khi vật không chuyển động, thì sức cản bằng không. Đó là dấu hiệu cơ bản của ma sát chất lỏng, nó khiến cho vật nổi bị dịch chuyển ngay khi một tác dụng nhỏ nhất. Gió nhẹ cũng duy trì được di chuyển cả núi băng to và giữa tiết trời êm ả, những tảng băng trôi chậm chạp trong đại dương cũng là mối nguy hiểm cho các con tàu (chắc bạn nhớ thảm họa tàu Tianic chứ?).

 

BẢN CHẤT MA SÁT TRONG CHẤT LỎNG VÀ CHẤT KHÍ

 

Mỗi phân tử chất lỏng được bao quanh bởi các phân tử láng giềng, ở cự li cỡ đường kính phân tử. Các phân tử luôn dao động xung quanh một vị trí cân bằng, và chốc chốc lại văng sang vị trí cân bằng khác. Sau mỗi giây nó đổi ''chỗ ở'' khoảng 100 triệu lần, và ở mỗi chỗ nó kịp thực hiện khoảng từ 1000 đến 100000 dao động. Tương tác giữa các phân tử càng mạnh thì độ linh động của chúng càng thấp, và độ nhớt của chất lỏng cũng càng lớn.

Nếu phân tử dao động phải chịu một ngoại lực tác động không đổi, từ lớp bên cạnh đang  chẳng hạn, thì theo hướng của lực đó phân tử thực hiện nhiều cú nhảy văng vị trí cân bằng hơn là theo hướng ngược lại. Vậy là có một sự di chuyển có trật tự được áp đặt lên những chuyển động vốn hỗn loạn. Vận tốc di chuyển ấy là v = (N1 - N2)với  độ dài mỗi ''bước nhảy'', N1 và N2 là số trung bình các bước nhảy tương ứng theo hướng của lực và hướng ngược lại trong một giây. Lực tác động sản sinh ra công để rẽ các phân tử phía trước để cho phân tử đang xét lách lên. Công đó rốt cuộc làm tăng vận tốc chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử chất lỏng, làm tăng nhiệt độ môi trường. Tốc độ huyển động trật tự v không thay đổi theo thời gian, nghĩa là sự chảy của chất đều, không phụ thuộc tác động của ngoại lực. Nghĩa là lực cản, do độ nhớt chất lỏng quyết định làm cân bằng lực tác dụng từ bên ngoài.

Khi tăng nhiệt độ, độ linh động phân tử tăng lên làm giảm lực cản, tạo thuận lợi cho sự di chuyển hạt theo hướng của lực, giống như ta dễ di chuyển trong đám đông người chuyển động lung tung hơn là giữa đám người đứng yên.

Chất khí cũng có độ nhớt, nhưng do những nguyên nhân khác với trong chất lỏng. Khoảng cách trung bình giữa các phân tử khí thường rất lớn và chúng chuyển động tự do, trong phần lớn thời gian, chỉ thỉnh thoảng mới va chạm nhau. Khoảng cách giữa các lần va chạm liên tiếp của các phân tử (gọi là quãng đường tự do trung bình) lớn hơn kích thước của chúng hàng nghìn lần.

Khi các lớp khí kề cận chuyển động trượt tương đối so với nhau, giữa chúng cũng xảy ra sự trao đổi phân tử, kết quả là lớn chậm thì nhanh lên, lớp nhanh thì chậm lại. Độ nhớt chất khí biểu thị bằng hệ thức:

Trong đó v là tốc độ chuyển động nhiệt trung bình của phân tử khí. Mật độ chất khí càng lớn, thì quãng đường tự do trung bình càng nhỏ (~ l/p). Vì thế độ nhớt của chất khí

không phụ thuộc vào mật độ của nó cũng như áp suất, vốn tỷ lệ với nó. Đồng thời động năng trung bình của phân tử khí () tỷ lệ với nhiệt độ T của môi trường. Vì thế vận tốc nhiệt v (cùng với độ nhớt ) tỷ lệ với ~  Có nghĩa là khi làm nóng chất khí, thì độ nhớt của nó tăng lên, (khác với ở chất lỏng: độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng).




Nguồn: bachkhoatrithuc.vn/encyclopedia/1162-02-633398073500156250/Suc-can-chuyen-dong-va-luc-ma-sat/Luc-can...


Chưa có phản hồi
Bạn vui lòng Đăng nhập để bình luận