Bài học

Giác hút và ống hút

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cơ chế giác hút bám dính vào bề mặt và ống hút hút được nước, đều nhờ chênh lệch áp suất khí quyển, và tính được lực giữ tối đa của một giác hút.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai bài trước đã cho em biết áp suất khí quyển tồn tại, tác dụng theo mọi phương, có độ lớn khoảng $103\,360$ Pa ở mực nước biển, và giảm dần theo độ cao. Bài này dùng chính sự tồn tại đó để giải thích hai thiết bị quen thuộc: giác hút và ống hút — cả hai đều hoạt động dựa trên việc tạo ra một vùng có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển xung quanh.

Khởi động

Một chiếc móc treo bằng giác hút cao su bám chặt vào gạch men phòng tắm, giữ được cả một chiếc khăn tắm ướt nặng trịch, mà không cần đinh hay ốc vít nào. Lực nào đã giữ chiếc giác hút đó không rơi?

Kiến thức trọng tâm

Giác hút thường làm bằng cao su mềm, dạng đĩa lõm. Khi ta ép đĩa cao su sát vào một bề mặt phẳng (tường, gạch men, kính), phần lớn không khí bên trong khoảng lõm bị đẩy ra ngoài, khiến áp suất bên trong giác hút giảm xuống rất thấp so với áp suất khí quyển bên ngoài. Áp suất khí quyển tác dụng lên toàn bộ mặt ngoài của đĩa cao su, ép nó áp sát vào tường — chính lực ép này giữ giác hút (và vật treo trên nó) không rơi xuống. Lực giữ tối đa mà một giác hút có thể chịu được, về lý thuyết, gần bằng $F = p_0 \times S$ , với $S$ là diện tích đĩa cao su tiếp xúc bề mặt.

Ống hút hoạt động theo nguyên lý tương tự nhưng ngược chiều. Khi ngậm ống hút và hút, ta lấy bớt không khí ra khỏi khoang miệng và phần ống phía trên mặt nước, làm áp suất trong ống giảm xuống dưới áp suất khí quyển. Trong khi đó, áp suất khí quyển vẫn tác dụng bình thường lên mặt thoáng nước còn lại trong cốc, bên ngoài ống. Vì áp suất bên ngoài giờ lớn hơn áp suất bên trong ống, nó đẩy nước dâng lên trong ống để lấp vào phần thể tích có áp suất thấp, và nước theo đó lên đến miệng ta.

Điểm chung của cả hai thiết bị: bản thân chúng không hề "hút" theo nghĩa tạo ra một lực kéo từ không trung — cái thực sự làm việc là áp suất khí quyển sẵn có xung quanh, chỉ chờ một chỗ áp suất thấp hơn để đẩy vật/chất lỏng vào lấp đầy.

**Giác hút** thường làm bằng cao su mềm, dạng đĩa lõm. Khi ta ép đĩa cao su sát vào một bề mặt phẳng (tường, gạch men, kính), phần lớn không khí bên trong khoảng lõm bị đẩy ra ngoài, khiến áp suất bên trong giác hút giảm xuống rất thấp so với áp suất khí quyển bên ngoài. Áp suất khí quyển tác dụng lên toàn bộ mặt ngoài của đĩa cao su, ép nó áp sát vào tường — chính lực ép này giữ giác hút (và vật treo trên nó) không rơi xuống. Lực giữ tối đa mà một giác hút có thể chịu được, về lý thuyết, gần bằng $F = p_0 \times S$, với $S$ là diện tích đĩa cao su tiếp xúc bề mặt. **Ống hút** hoạt động theo nguyên lý tương tự nhưng ngược chiều. Khi ngậm ống hút và hút, ta lấy bớt không khí ra khỏi khoang miệng và phần ống phía trên mặt nước, làm áp suất trong ống giảm xuống dưới áp suất khí quyển. Trong khi đó, áp suất khí quyển vẫn tác dụng bình thường lên mặt thoáng nước còn lại trong cốc, bên ngoài ống. Vì áp suất bên ngoài giờ lớn hơn áp suất bên trong ống, nó đẩy nước dâng lên trong ống để lấp vào phần thể tích có áp suất thấp, và nước theo đó lên đến miệng ta. Điểm chung của cả hai thiết bị: bản thân chúng không hề "hút" theo nghĩa tạo ra một lực kéo từ không trung — cái thực sự làm việc là áp suất khí quyển sẵn có xung quanh, chỉ chờ một chỗ áp suất thấp hơn để đẩy vật/chất lỏng vào lấp đầy.

Ví dụ

Giải thích vì sao giác hút rơi ra khi bề mặt tường không phẳng

1
Một giác hút bám chắc trên mặt kính phẳng nhưng lại rơi ngay sau vài phút khi dán lên bức tường gạch có bề mặt sần sùi, nhiều lỗ nhỏ li ti. Giải thích vì sao.
2
Giác hút chỉ giữ chặt được khi khoảng không bên trong đĩa cao su thực sự kín, giữ áp suất thấp hơn áp suất khí quyển bên ngoài.
3
Bề mặt tường gạch có nhiều lỗ nhỏ khiến đĩa cao su không áp khít hoàn toàn; không khí bên ngoài rò rỉ dần vào khoảng lõm bên trong, làm áp suất bên trong tăng dần lên gần bằng áp suất khí quyển bên ngoài.
4
Khi áp suất trong và ngoài giác hút gần bằng nhau, không còn đủ chênh lệch áp suất để ép đĩa cao su áp sát tường, nên giác hút mất lực giữ và rơi xuống.

Ví dụ

Tính lực giữ tối đa của một giác hút và so sánh với vật treo

1
Một giác hút có diện tích đĩa cao su tiếp xúc là $S = 8\text{ cm}^2$ . Coi áp suất bên trong giác hút gần bằng 0 sau khi ép hết không khí ra, và áp suất khí quyển $p_0 = 103\,360$ Pa. a) Tính lực giữ tối đa của giác hút. b) Giác hút này có treo được một vật nặng $0{,}5$ kg (trọng lượng $5$ N) hay không?
Một giác hút có diện tích đĩa cao su tiếp xúc là $S = 8\text{ cm}^2$. Coi áp suất bên trong giác hút gần bằng 0 sau khi ép hết không khí ra, và áp suất khí quyển $p_0 = 103\,360$ Pa. a) Tính lực giữ tối đa của giác hút. b) Giác hút này có treo được một vật nặng $0{,}5$ kg (trọng lượng $5$ N) hay không?
2
$S = 8\text{ cm}^2 = 8 \times 10^{-4}\text{ m}^2 = 0{,}0008\text{ m}^2$ .
$S = 8\text{ cm}^2 = 8 \times 10^{-4}\text{ m}^2 = 0{,}0008\text{ m}^2$.
3
$F_{max} = p_0 \times S = 103\,360 \times 0{,}0008 \approx 82{,}7$ N.
$F_{max} = p_0 \times S = 103\,360 \times 0{,}0008 \approx 82{,}7$ N.
4
Vì $F_{max} \approx 82{,}7$ N lớn hơn nhiều so với trọng lượng vật treo $5$ N, giác hút hoàn toàn đủ sức giữ vật này — thực tế còn dư một khoảng an toàn lớn để bù cho việc đĩa cao su không kín tuyệt đối.
Vì $F_{max} \approx 82{,}7$ N lớn hơn nhiều so với trọng lượng vật treo $5$ N, giác hút hoàn toàn đủ sức giữ vật này — thực tế còn dư một khoảng an toàn lớn để bù cho việc đĩa cao su không kín tuyệt đối.
5
Vậy giác hút giữ được lực tối đa khoảng $82{,}7$ N và treo an toàn vật nặng $5$ N.
Vậy giác hút giữ được lực tối đa khoảng $82{,}7$ N và treo an toàn vật nặng $5$ N.

Ví dụ

So sánh cơ chế ống hút với thí nghiệm cốc nước úp ngược

1
Một bạn học sinh thắc mắc: ống hút và thí nghiệm cốc nước úp ngược ở bài trước có phải cùng một nguyên lý không? Hãy so sánh.
2
Cả hai hiện tượng đều xảy ra khi một phía của chất lỏng (hoặc vật chắn) mất đi áp suất khí quyển đối kháng, trong khi phía còn lại vẫn chịu áp suất khí quyển bình thường — tạo ra chênh lệch áp suất đẩy chất lỏng/vật về phía áp suất thấp hơn.
3
Ở cốc nước úp ngược, chênh lệch áp suất được tạo ra một cách tự nhiên nhờ đậy kín miệng cốc trước khi lật; ở ống hút, ta chủ động tạo ra chênh lệch bằng cách hút bớt không khí ra khỏi ống bằng khoang miệng.
4
Vậy cả hai đều là ứng dụng của cùng một nguyên lý — áp suất khí quyển đẩy chất lỏng/vật về phía có áp suất thấp hơn — chỉ khác cách tạo ra sự chênh lệch áp suất đó.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ giác hút và ống hút tự "tạo ra lực hút" từ bên trong, như một nam châm hút vật vào. Thực ra chính áp suất khí quyển ở BÊN NGOÀI mới là lực thực sự đẩy vật/chất lỏng vào chỗ trống áp suất thấp — giác hút và ống hút chỉ đóng vai trò tạo ra chênh lệch áp suất, không tự sinh ra lực.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Giác hút và ống hút đều hoạt động nhờ tạo ra một vùng áp suất thấp hơn áp suất khí quyển xung quanh; chính áp suất khí quyển bên ngoài mới là lực thực sự giữ giác hút hoặc đẩy nước lên ống hút. Lực giữ tối đa của giác hút: $F_{max} = p_0 \times S$ .

Bài tiếp theo tìm hiểu bình xịt — một thiết bị phức tạp hơn ống hút một chút — và trả lời một câu hỏi thú vị: áp suất khí quyển có thể đẩy một cột chất lỏng lên cao đến mức nào, có giới hạn hay không?