Tôi nhớ hồi còn đi học, mỗi lần thấy lò xo trong phòng thí nghiệm là tôi lại nghĩ ngay đến món đồ chơi con lò xo bằng nhựa. Ấy vậy mà mãi sau này tôi mới hiểu, cái lò xo đơn giản ấy lại chứa đựng cả một nguyên lý vật lý quan trọng đến mức chi phối thiết kế của giảm xóc xe máy, cầu treo, thậm chí là trò chơi cảm giác mạnh bungee jumping.
Bài viết này sẽ cùng bạn giải mã bài học về biến dạng của vật rắn trong sách giáo khoa Vật lý lớp 10 bộ Kết nối tri thức với cuộc sống. Nhưng đừng lo, tôi sẽ không đọc lại sách cho bạn nghe đâu. Tôi muốn kể lại theo cách mà một người từng “vật lộn” với nó hiểu.
Biến dạng đàn hồi là gì? Kéo và nén khác nhau thế nào?
Trở lại với câu hỏi mở đầu: bungee jumping hoạt động dựa trên hiện tượng vật lý nào? Câu trả lời rất đơn giản: biến dạng đàn hồi của dây chun. Khi bạn nhảy, trọng lượng kéo dây giãn ra. Khi dây co lại, nó kéo bạn lên. Cứ thế qua lại cho đến khi bạn dừng hẳn.
Nhưng trong vật lý, biến dạng không chỉ có một loại. Sách giáo khoa phân ra hai loại chính:
- Biến dạng kéo: Xảy ra khi vật bị kéo dãn ra. Ví dụ: sợi dây cao su khi bạn kéo hai đầu.
- Biến dạng nén: Xảy ra khi vật bị ép ngắn lại. Ví dụ: cục tẩy khi bạn bóp chặt.
Để hình dung rõ hơn, hãy nhìn vào các hình vẽ trong sách trang 128 (hình A và B là biến dạng nén, hình C và D là biến dạng kéo). Lực làm vật biến dạng có thể là lực kéo hoặc lực nén. Mức độ biến dạng phụ thuộc vào độ lớn của ngoại lực và bản chất của vật liệu.
Có một điểm quan trọng: nếu bạn kéo hoặc nén quá mạnh, vượt quá một giới hạn nào đó thì khi buông tay, vật sẽ không trở về hình dạng ban đầu được nữa. Giới hạn đó gọi là giới hạn đàn hồi. Vượt qua nó, vật sẽ bị biến dạng vĩnh viễn như sợi dây thun cũ giãn ra mãi không co lại.
Lực đàn hồi và Định luật Hooke Đường thẳng đi qua gốc tọa độ
Đây là phần thú vị nhất. Khi một lò xo bị biến dạng trong giới hạn đàn hồi, nó sinh ra một lực để chống lại sự biến dạng đó gọi là lực đàn hồi. Lực này có xu hướng đưa vật về hình dạng ban đầu.
Sách giáo khoa yêu cầu làm thí nghiệm với giá đỡ, lò xo và các quả cân để tìm mối quan hệ giữa độ lớn của lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo.
Các bước tiến hành:
- Treo lò xo vào giá, đo chiều dài ban đầu (ví dụ 100 mm).
- Treo một quả cân vào đầu còn lại của lò xo, đo chiều dài mới (ví dụ 110 mm).
- Làm tương tự với 2 quả cân (120 mm), 3 quả cân (130 mm)…
- Tính độ biến dạng ∆l bằng hiệu chiều dài sau và chiều dài ban đầu.
- Vẽ đồ thị với trục tung là độ lớn lực đàn hồi Fđh (tỉ lệ với khối lượng quả cân), trục hoành là độ biến dạng ∆l.
Kết quả thu được sẽ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Điều này chứng tỏ: lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ biến dạng (trong giới hạn đàn hồi). Đó chính là Định luật Hooke.
Công thức của định luật này rất gọn:
Fđh = k × |∆l|
Trong đó:
* Fđh là độ lớn của lực đàn hồi (N)
* ∆l là độ biến dạng của vật (m)
* k là hệ số cứng hay độ cứng của vật (N/m)
Độ cứng k thể hiện mức độ “khó” hay “dễ” để làm biến dang một vật. Lò xo càng cứng thì k càng lớn muốn làm nó giãn ra một đoạn nhất định phải cần một lực lớn hơn.
Phân tích đồ thị và so sánh ba loại lò xo
Trong bài tập trang 130 có một đồ thị về sự phụ thuộc của Fđh vào ∆l của ba loại lò so khác nhau A, B và C.
Dựa vào đồ thị:
* Nếu vẽ cùng một giá trị ∆l trên cả ba đường thì đường nào có Fđh lớn nhất thì lo so đó có độ cứng lớn nhất.
* Hoặc có thể nhìn vào độ dốc của đường thẳng: đường nào có độ nghiêng nhiều nhất thì k lớn nhất.
* Trong ba lo so A, B và C:
* Lo so C có đồ thị là đường thẳng với góc nghiêng lớn nhất → lo so C cứng nhất.
* Lo so A có góc nghiêng nhỏ nhất → lo so A mềm nhất.
* Lo so A không tuân theo định luật Hooke vì đồ thị cong, không còn tỉ lệ tuyến tính nghĩa là nó hoạt động ở vùng phi tuyến hoặc vượt quá giới hạn đàn hồi.
Thú vị ở điểm này: chỉ cần nhìn đồ thị ta có thể đoán được tính chất cơ học của từng loại lo so mà không cần tính toán phức tạp.
Giải mã giảm sóc ô tô ứng dụng tuyệt vời từ kiến thức căn bản
Có thể bạn tự hỏi: “Học Định luật Hooke để làm gì?” Câu trả lời nằm ngay trên những con đường hàng ngày ta đi.
Bộ phận giảm sóc (giảm xóc) trong ôtô hay xe máy hoạt động như sau:
- Khi xe đi qua chỗ xóc -> pít-tông đi xuống -> ép khối khí/dầu trong buồng.
- Chất khí/dầu bị nén sinh ra áp suất -> pít-tông chuyển động ngược lại.
- Quá trình này diễn ra liên tục -> dao động được triệt tiêu -> xe êm ái.
Vai trò của Định luật Hooke ở đây rất rõ ràng:
* Không khí hoặc chất khí trong buồng giảm sóc tuân theo nguyên tắc “lực tỉ thuận với độ nén” trong khoảng tuyến tính.
* Khi pít-tông ép xuống nhiều -> thể tích buồng khí giảm -> áp suất tăng -> sinh ra phản lực ngược chiều -> dao động được triệt tiêu nhanh.
* Nếu thiết kế sai (vượt quá giới hạn tuyển tính) thì hệ thống sẽ không hoạt động hiệu quả xe sẽ “chòng chành” hoặc “sóng” như… chiếc xe không giảm sóc!
Những ví dụ gần gũi trong cuộc sống
Ngoài ứng dụng trên ôtô- xe máy- các em có thể tự liệt kê hàng loạt ví dụ mà không ai nghĩ đến:
– Dùng muỗng kim loại uốn cong: Nếu uốn nhẹ – muỗng sẽ về thẳng; uốn mạnh – muỗng sẽ cong vĩnh viễn → ranh giới giữa miền tuyển tính & phi tuyển!
– Khung ghế sofa: Khung ghế bằng kim loại/gỗ – khi ta ngồi xuống – ghế bị “biến dang”; nhờ đó ta có cảm giác êm ái; nhưgn ghế cứing hay mềm?
– Sợi chỉ nylon: Khi may vá – chỉ bị kéo; chỉ tốt = tuân theo Hooke + co về sau khi buông; chỉ hỏ = co mãỉ!
Thấy chưa? Chỉ cần quan sát cuộc sốống – ta có thể liên hệ đến kiên thức rất tự nhiên!
Lưu ý quan trọmg khi tính toán
Khi giải bài tập các em hay nhầm công thức F = k × Δℓ. Nhưg có điểm then chố:
– Δℓ = |ℓ_sau ℓ_ban đầu| KHÔNG bao gờ âm!
– ℓ_ban đầu = ℓ_khi KHÔNG treovât KHÔNG phải ℓ_khi treovât
– Nếu đề bài cho ℓ_sau&ℓ_ban đầu tính Δℓ; rùichobikhoiluog=cal! Đừgquênđổira kg!
Vídụ:
Loxocódài100mm ;treovât500g=>dài120mm =>Δℓ=20mm=0’02(m)
F=k×0’02=m×g=0’5×10=5(N)
=>k=5/0’02=250(N/m)
Dễ như ănkẹophải ko?
[IMAGE05:] Bảng số liệu minhhoạ cácgiá trị ℓbanđầu Δℓ Fđh
Lờikêt
Nhưvậy chúng tađã cùngnhau“giải mã”bàihọcBiéndangvậtrắnvàĐịnhluậtHooketheocáchnhẹnhàng&thựctếnhất:
- Biéndangkhoahocphânra2loai kéovànen dựavàochiéutacdụcluc
- Tronggiớihạndànhồilucdànhổitỉthuậnvớidobiéndang Đâylà“linhhon”cuabai
- Dothitduongthangchotahéloaicoxocứng/mềmvàtuântheoluathaykhong
- ứngdungquantrongtronggiamsoxotôxemáy giúpxeêmái
Hiểurootbancuacacemsekhongconcamthay“khokhan”voimondanày ma conthaythichthuvikhinhanduocmoisuliengiatavathiennhien!
Chúc em học tốt & hentralai cacbaivideo tieptheonhé!
