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.
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
- 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
Ta có: 0,5 mm² = 0,5 : 1 000 000 = 0,0000005 m².
- 3
Áp dụng p = F/S: p₁ = 100 : 0,0000005 = 200 000 000 Pa.
- 4
Đổi 50 cm² = 0,005 m². Áp dụng p = F/S: p₂ = 100 : 0,005 = 20 000 Pa.
- 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.
- 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
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
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
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.
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.