Chủ đề II. Lực trong đời sống

Khi một vật đẩy hoặc kéo vật khác, ta nói vật đó tác dụng lực lên vật kia. Mô tả một lực cần chỉ ra vật tác dụng và vật chịu tác dụng, chẳng hạn bàn tay đẩy xe đồ chơi. Không chỉ người mới tác dụng lực: nam châm, Trái Đất, dây kéo hoặc mặt bàn cũng có thể tác dụng lực lên các vật thích hợp.

Lực có thể làm vật đang đứng yên bắt đầu chuyển động, làm vật nhanh lên, chậm lại, dừng lại hoặc đổi hướng. Những thay đổi này được gọi chung là thay đổi chuyển động. Bắt được quả bóng đang bay là một ví dụ: tay tác dụng lực làm bóng chậm lại rồi dừng. Chỉ nhìn một ảnh chụp thường chưa đủ biết vật đang nhanh lên hay chậm lại.

Lực còn có thể làm vật biến dạng, nghĩa là thay đổi hình dạng hoặc kích thước. Ép miếng bọt biển, kéo lò xo và nặn đất sét đều có thể gây biến dạng. Một lực có thể gây đồng thời thay đổi chuyển động và biến dạng; bóng va vào tường có thể méo đi trong chốc lát rồi đổi hướng chuyển động.

Độ mạnh, yếu của lực được biểu thị bằng độ lớn. Đơn vị lực là newton, kí hiệu N, và dụng cụ đo lực là lực kế. Cần phân biệt đơn vị N với đơn vị kg dùng cho khối lượng. Khi đọc một kết quả đo, phải nêu cả số và đơn vị, ví dụ lực kéo có độ lớn 4 N.

Ta biểu diễn lực bằng một mũi tên: gốc đặt tại điểm lực tác dụng lên vật; đường thẳng chứa mũi tên cho biết phương; đầu mũi tên cho biết chiều; độ dài theo tỉ xích cho biết độ lớn. Ví dụ, tỉ xích 1 cm ứng với 2 N thì lực 6 N được vẽ bằng mũi tên dài 3 cm. Phải ghi tỉ xích để người đọc hiểu hình.

Khi phân tích tình huống, chọn rõ vật đang xét rồi mô tả tác dụng quan sát được. Vật đứng yên vẫn có thể chịu lực, như quyển sách trên bàn chịu lực hút của Trái Đất và lực đỡ của bàn. Không nên suy rằng “không chuyển động” đồng nghĩa “không có lực”. Ở mức bài này, điều quan trọng là nhận biết và biểu diễn đúng từng lực.

Một lò xo có chiều dài tự nhiên khi chưa bị kéo hoặc nén. Khi treo vật phù hợp vào lò xo, lò xo dài ra; độ dãn là phần chiều dài tăng thêm so với chiều dài tự nhiên. Nếu chiều dài ban đầu 6 cm và chiều dài sau khi treo vật 8 cm thì độ dãn là 2 cm, không phải 8 cm.

Biến dạng đàn hồi là biến dạng mà sau khi bỏ lực, vật có thể trở lại hình dạng ban đầu. Lò xo chỉ thể hiện đặc điểm đó trong giới hạn phù hợp. Nếu kéo quá mạnh, lò xo có thể biến dạng không hồi phục hoặc hỏng. Vì vậy không được coi mọi lần kéo dãn đều là biến dạng đàn hồi và không treo vật vượt giới hạn dụng cụ.

Trong khoảng đo được hướng dẫn, với cùng một lò xo, lực kéo lớn hơn thường làm lò xo dãn nhiều hơn. Nhiều lò xo dùng trong thí nghiệm cho độ dãn tăng tỉ lệ với lực trong một khoảng nhất định. Khi dùng dữ liệu để suy ra lực, phải kiểm tra quan hệ đã được cho hoặc đo; không mặc định mọi lò xo ở mọi mức kéo đều có cùng quan hệ.

Lực kế lò xo dùng biến dạng của lò xo để đo lực. Trước khi đo, đọc giới hạn đo và độ chia nhỏ nhất, kiểm tra kim ở vạch 0 khi chưa chịu lực và điều chỉnh nếu cần. Giới hạn đo là lực lớn nhất dụng cụ cho phép đo; độ chia nhỏ nhất là giá trị ứng với khoảng giữa hai vạch liên tiếp trên thang chia.

Khi đo, đặt lực kế theo phương của lực cần đo, móc vật hoặc dây đúng vị trí rồi tăng lực từ từ. Chờ kim ổn định, đặt mắt phù hợp để hạn chế nhìn lệch và đọc số kèm đơn vị N. Không giật mạnh, không kéo vượt giới hạn. Nếu đo lực hút của Trái Đất lên vật bằng cách treo, giữ lực kế theo phương thẳng đứng.

Kết quả tốt cần kèm điều kiện đo và có thể được kiểm tra bằng nhiều lần đo. Nếu số chỉ dao động, không chọn một giá trị tùy ý; cần giữ dụng cụ ổn định và đọc theo hướng dẫn. Khi so sánh hai lò xo khác nhau, không thể chỉ nhìn độ dãn để kết luận lực, vì độ cứng của chúng có thể khác nhau.

Khối lượng cho biết lượng chất chứa trong vật theo cách học ở lớp 6. Đơn vị thường dùng là kilogram, kí hiệu kg; gram, kí hiệu g, cũng được sử dụng. Cân là dụng cụ đo khối lượng. Khi nói một gói đường có khối lượng 500 g, ta chưa ghi độ lớn của một lực; cần phân biệt rõ đại lượng và đơn vị đang dùng.

Các vật có khối lượng hút nhau bằng lực hấp dẫn. Lực hút của Trái Đất là nguyên nhân khiến vật được thả gần mặt đất rơi xuống khi không có lực đỡ đủ để giữ vật. Trái Đất hút cả vật đang chuyển động lẫn vật đang đứng yên. Việc chiếc cặp nằm trên bàn không có nghĩa Trái Đất đã ngừng hút nó.

Lực hút của Trái Đất tác dụng lên một vật gần mặt đất có phương thẳng đứng, chiều hướng về phía Trái Đất, thường gọi là chiều từ trên xuống. Trọng lượng là độ lớn của lực hút này. Trọng lượng được đo bằng newton, kí hiệu N, và có thể đo bằng lực kế phù hợp khi treo vật theo phương thẳng đứng, để vật ổn định.

Trong các bài tập gần mặt đất, thường lấy gần đúng trọng lượng của vật khối lượng 1 kg là 10 N. Khi đó dùng $P\approx 10m$, với m tính bằng kg và P tính bằng N. Muốn tìm khối lượng từ trọng lượng, lấy $m\approx P/10$. Đây là quy ước gần đúng trong bối cảnh đã nêu, không phải công thức có cùng hệ số tại mọi thiên thể.

Trước khi tính, phải đổi đơn vị khối lượng về kg: 1 kg = 1000 g. Ví dụ, 300 g = 0,3 kg nên trọng lượng gần mặt đất khoảng 3 N. Khối lượng của cùng một vật không thay đổi chỉ vì chuyển vị trí, nếu lượng chất không đổi; trọng lượng có thể thay đổi khi điều kiện lực hút khác nhau, như khi đến thiên thể khác.

Khi trình bày, nên viết rõ dữ kiện, bước đổi đơn vị, phép tính và kết luận có đơn vị. Không viết “khối lượng 5 N” hoặc “trọng lượng 2 kg” trong bài khoa học. Nếu bài cho điều kiện lực hút khác, phải dùng dữ kiện của bài. Đừng nhầm số đo khối lượng lớn hơn luôn đồng nghĩa số đo trọng lượng có cùng giá trị số.

Lực tiếp xúc xuất hiện khi vật tác dụng lực tiếp xúc với vật chịu lực, như tay đẩy cửa, dây kéo xe hoặc mặt bàn đỡ sách. Cần xem đúng cặp vật đang xét. Nếu tay kéo dây và dây kéo xe, lực trực tiếp tác dụng lên xe tại chỗ buộc là lực của dây; không nhất thiết tay phải chạm trực tiếp vào xe.

Một số lực có thể tác dụng khi các vật không tiếp xúc. Lực hút của Trái Đất lên quả bóng và lực của nam châm lên đinh sắt ở gần là các ví dụ. Nam châm không hút mọi vật; khả năng tương tác phụ thuộc vật liệu và tình huống. Có thể quan sát bằng mẫu an toàn do giáo viên chuẩn bị, không đưa nam châm nhỏ vào miệng hoặc gần thiết bị nhạy cảm.

Lực ma sát liên quan đến sự tiếp xúc giữa các bề mặt, chống lại sự trượt hoặc xu hướng trượt tương đối tại chỗ tiếp xúc. Ma sát trượt xuất hiện khi một bề mặt trượt trên bề mặt kia. Ma sát nghỉ có thể giữ hai bề mặt chưa trượt tương đối, như quyển sách không trượt khỏi tay khi được giữ đúng cách.

Ma sát không phải lúc nào cũng cản chuyển động của cả vật. Khi đi bộ, chân đạp về phía sau lên mặt đất và ma sát của mặt đất giúp người tiến lên. Ma sát giữa bánh xe và đường giúp xe bám đường; ma sát ở phanh giúp làm chậm xe. Cùng là ma sát nhưng chiều và tác dụng cần xét theo tình huống cụ thể.

Ma sát có ích khi cần bám, giữ hoặc hãm chuyển động; cũng có thể gây mòn và làm nóng các bộ phận máy. Muốn tăng khả năng bám có thể dùng bề mặt phù hợp như đế giày có rãnh. Muốn giảm ma sát ở bộ phận chuyển động có thể dùng ổ bi hoặc chất bôi trơn theo thiết kế. Không bôi trơn những chỗ cần bám như mặt lốp xe hay bề mặt phanh.

Khi đề xuất giải pháp, cần nêu mục tiêu trước rồi chọn tăng hoặc giảm ma sát. Ví dụ, kéo thùng hàng trên nền và đi lại trên nền là hai việc có mục tiêu khác nhau. Một kết luận từ thí nghiệm cần giữ các điều kiện so sánh giống nhau, như vật, tải và bề mặt. Không thử ma sát bằng cách trượt trên sàn ướt hoặc phanh xe trên đường.

Khi vật chuyển động tương đối với nước, nước tác dụng lực cản lên vật. Trong những tình huống đơn giản đang xét, lực cản ngược chiều chuyển động của vật so với nước. Ví dụ, kéo một tấm nhựa qua nước cần dùng lực; khi ngừng kéo, chuyển động tương đối thường chậm dần. Chính chuyển động so với nước là điều cần xét, không chỉ so với bờ.

Lực cản của nước có thể quan sát qua mô hình nhẹ trong chậu nước dưới hướng dẫn của giáo viên. So sánh cùng một vật được kéo trong không khí và trong nước giúp nhận thấy tác động của môi trường. Tuy vậy, không dùng việc xuống ao, hồ hoặc bể sâu để thử bài học. Thí nghiệm cần tránh nước bắn vào thiết bị điện và lau khô mặt sàn.

Độ lớn lực cản phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có tốc độ tương đối, hình dạng và phần diện tích hướng vào dòng nước. Trong cùng điều kiện, kéo một vật nhanh hơn thường cần lực lớn hơn để thắng lực cản. Một tấm bản rộng đặt mặt lớn hướng về phía chuyển động thường gặp lực cản lớn hơn khi được xoay để cạnh mỏng đi trước.

Thiết kế thân thuôn giúp nhiều vật chuyển động thuận lợi hơn trong nước. Cá có dạng thân phù hợp với cách bơi; tàu, thuyền được thiết kế để giảm cản theo mục đích sử dụng. Tuy nhiên, không được kết luận chỉ một đặc điểm hình dạng quyết định mọi kết quả: kích thước, tốc độ, độ chìm và cách chuyển động cũng ảnh hưởng lực cản.

Muốn kiểm tra riêng ảnh hưởng của một yếu tố, cần giữ các yếu tố khác tương tự. Chẳng hạn, so sánh hai tư thế của cùng tấm nhựa ở cùng độ sâu và tốc độ kéo. Nếu một lần vừa đổi tư thế, vừa đổi tốc độ thì khó xác định yếu tố nào gây khác biệt. Bảng đo nên nêu số lần lặp, đơn vị và điều kiện chính.

Không phải mọi lực của nước đều là lực cản. Nước còn có thể tác dụng lực đỡ hướng lên đối với vật ngâm trong nước; bài này chỉ tập trung lực liên quan đến chuyển động tương đối. Khi giải thích ứng dụng, cần xác định mục tiêu: muốn chuyển động nhanh thường giảm cản, còn dùng mái chèo đẩy nước cần tương tác đủ lớn để tạo tác dụng mong muốn.