Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.

Bài học

Nguyên tắc tăng, giảm áp suất và ví dụ thực tế

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phát biểu được nguyên tắc tăng, giảm áp suất dựa trên công thức p = F/S, và giải thích được bằng số liệu cụ thể vì sao các dụng cụ như mũi đinh, lưỡi dao được làm nhọn hoặc mài mỏng, còn móng nhà, giày tuyết lại được làm rộng.

Kiến thức nền cần nhớ

Em đã có công thức p = F/S ở chương trước. Bài này không thêm công thức mới, mà rút ra một nguyên tắc thực hành trực tiếp từ công thức đó: muốn thay đổi áp suất một cách có chủ đích, con người thay đổi áp lực F hoặc diện tích bị ép S — và trong đa số dụng cụ hằng ngày, người ta chọn thay đổi S vì dễ thực hiện hơn thay đổi F.

Khởi động

Mũi đinh được làm thật nhọn, còn móng nhà lại được xây thật rộng. Hai thiết kế này đi ngược hướng nhau về diện tích, nhưng cùng phục vụ một mục đích logic: điều khiển áp suất theo ý muốn. Vậy nguyên tắc chung đằng sau cả hai thiết kế đó là gì?

Kiến thức trọng tâm

Từ công thức p = F/S, ta rút ra nguyên tắc: khi áp lực F không đổi, muốn TĂNG áp suất thì phải GIẢM diện tích bị ép S; muốn GIẢM áp suất thì phải TĂNG diện tích bị ép S. Nguyên tắc **tăng áp suất bằng cách giảm diện tích** được dùng ở những dụng cụ cần xuyên, cắt, đâm: mũi đinh, mũi kim, lưỡi dao, lưỡi kéo, mũi khoan — tất cả đều được làm thật nhọn hoặc thật mỏng để cùng một lực tay vừa phải cũng tạo ra áp suất cực lớn tại điểm tiếp xúc, đủ để xuyên qua vật liệu. Ngược lại, nguyên tắc **giảm áp suất bằng cách tăng diện tích** được dùng ở những kết cấu cần chịu tải mà không lún, không đè hỏng bề mặt bên dưới: móng nhà xây rộng ra trước khi dựng cột, giày trượt tuyết có bản rộng hơn hẳn giày thường, bánh xích của máy xúc trải dài trên mặt đất thay vì bánh tròn nhỏ như ô tô. Cùng một trọng lượng công trình hay phương tiện, diện tích tiếp xúc càng lớn thì áp suất truyền xuống nền đất càng nhỏ, giảm nguy cơ lún sụt. Hai nguyên tắc trên không mâu thuẫn nhau — chúng chỉ là hai chiều của cùng một công thức, chọn chiều nào tuỳ vào mục đích sử dụng. Người thiết kế mũi đinh muốn áp suất lớn tại một điểm để xuyên vật liệu; người thiết kế móng nhà lại muốn áp suất nhỏ trên cả một vùng để nền đất không bị phá vỡ. Khi đọc một đề bài thực tế, việc đầu tiên cần làm là xác định xem tình huống đang cần tăng hay giảm áp suất, trước khi tính đến việc thay đổi diện tích theo hướng nào.
Sơ đồ bốn bước lập luận để so sánh áp suất giữa hai phương án có cùng áp lực nhưng khác diện tích bị ép1Xác định FÁp lực F giữ khôngđổi trong cả haiphương án so sánh.2So sánh SDiện tích bị ép S củaphương án 1 nhỏ hơnphương án 2.3Áp dụng p = F/SF không đổi, S nhỏhơn → p của phương án1 lớn hơn.4Kết luậnMuốn tăng p: giảm S.Muốn giảm p: tăng S —với F giữ nguyên.
Quy trình lập luận chung cho mọi bài toán tăng, giảm áp suất khi áp lực F giữ cố định.
Ví dụ
So sánh áp suất mũi đinh và lòng bàn tay
  1. 1

    Một lực 100 N tác dụng lên đầu một chiếc đinh có diện tích mũi nhọn là 0,5 mm². Tính áp suất tại mũi đinh, rồi so sánh với áp suất nếu cùng lực đó ép đều lên lòng bàn tay có diện tích khoảng 50 cm².

  2. 2

    Ta có: 0,5 mm² = 0,5 : 1 000 000 = 0,0000005 m².

  3. 3

    Áp dụng p = F/S: p₁ = 100 : 0,0000005 = 200 000 000 Pa.

  4. 4

    Đổi 50 cm² = 0,005 m². Áp dụng p = F/S: p₂ = 100 : 0,005 = 20 000 Pa.

  5. 5

    So sánh: p₁ : p₂ = 200 000 000 : 20 000 = 10 000 lần. Vậy cùng một lực 100 N, áp suất tại mũi đinh nhọn lớn hơn áp suất khi ép lên lòng bàn tay tới 10 000 lần — đủ giải thích vì sao mũi đinh xuyên qua gỗ dễ dàng còn bàn tay ép vào gỗ với cùng lực thì không để lại dấu vết gì.

Ví dụ
Xác định diện tích móng tối thiểu theo giới hạn chịu áp suất của đất (dạng thi)
  1. 1

    Một cột nhà truyền xuống móng một áp lực 90 000 N. Nền đất tại khu vực xây dựng chỉ chịu được áp suất tối đa 50 000 Pa. Diện tích đáy móng tối thiểu phải bằng bao nhiêu để nền đất không bị lún sụt?

  2. 2

    Ta có: áp lực F = 90 000 N, áp suất tối đa nền đất chịu được p_max = 50 000 Pa. Để nền đất an toàn, áp suất thực tế của móng phải không vượt quá p_max.

  3. 3

    Từ p = F/S, suy ra S = F/p. Áp dụng với p = p_max: S_min = 90 000 : 50 000 = 1,8 m².

  4. 4

    Vậy diện tích đáy móng phải từ 1,8 m² trở lên. Nếu đáy móng nhỏ hơn 1,8 m², áp suất truyền xuống đất sẽ vượt quá 50 000 Pa và nền đất có nguy cơ lún sụt — đây chính là lí do kĩ sư xây dựng luôn mở rộng đáy móng trên nền đất yếu.

Sai lầm thường gặp

Đừng nhầm 'tăng áp suất' với 'tăng lực'. Trong phần lớn ví dụ đời sống — mũi đinh, lưỡi dao — lực tay hầu như không đổi; điều thay đổi để tạo áp suất lớn là diện tích bị ép giảm đi, chứ không phải người dùng đã dùng lực mạnh hơn.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Với áp lực F không đổi: giảm diện tích bị ép S để tăng áp suất (mũi đinh, lưỡi dao); tăng diện tích bị ép S để giảm áp suất (móng nhà, bánh xích, giày tuyết). Toàn bộ nguyên tắc này chỉ là cách đọc ngược công thức p = F/S theo mục đích thiết kế.

Bài tiếp theo, em sẽ áp dụng chính nguyên tắc này để giải các bài toán thiết kế: cho trước áp suất mong muốn, tính ngược lại diện tích hoặc lực cần thiết của một dụng cụ.