Lực đàn hồi là gì? - Công thức tính và ứng dụng trong thực tế

Biến dạng đàn hồi và độ biến dạng của lò xo

Để hiểu được lực đàn hồi là gì, trước hết ta cùng tìm hiểu một thí nghiệm với lực lò xo để hiểu được sự biến dạng của lực đàn hồi.

Biến dạng đàn hồi của một lò xo

Sự biến dạng đàn hồi của lò xo được hiểu như sau: Một vật đang ở hình dạng ban đầu, sau khi chịu tác dụng của lực thì vật đó sẽ bị biến dạng. Tuy nhiên nếu không có sự tác dụng của lực thì vật đó sẽ trở lại trạng thái như ban đầu. Ta nói biến dạng của vật là biến dạng đàn hồi.

Từ đó có thể thấy rằng lò xo là một vật có tính biến dạng đàn hồi. Bởi khi ta dùng tay kéo hay nén lò xo lại (với một lực không quá lớn) thì nó sẽ bị thu ngắn hoặc dãn ra. Khi buông tay ra thì lò xo sẽ trở lại chiều dài như ban đầu.

Độ biến dạng của lò xo

Để hiểu thêm về sự biến dạng của lò xo chúng ta hãy cùng làm một thí nghiệm như sau:

Chuẩn bị dụng cụ

• Một chiếc lò xo xoắn
• Giá thí nghiệm
• Thước đo chiều dài,
• Các quả nặng loại 50g

Các bước thực hiện

• Bước 1: Treo lò xo vào giá làm thí nghiệm theo phương thẳng đứng.
• Bước 2: Đo chiều dài tự nhiên ban đầu của lò xo (độ dài này gọi là chiều dài tự nhiên, kí hiệu:lo)
• Bước 3: Treo 1 quả nặng 50g vào đầu bên dưới của lò xo, khi đó lò xo sẽ chịu một lực từ quá nặng làm kéo dãn. Sau đó đo độ dài của lò xo khi ấy (l1:chiều dài của lò xo khi treo một quá nặng)

Tính độ dãn của lò xo sau khi treo 1 quả nặng (tức độ dài của lò xo tăng lên sau khi treo một quả nặng) l1 – l0

• Bước 4: Treo 2 quá nặng loại 50g vào đầu dưới của lò xo. Tiến hành đo độ dài của lò xo khi đó (l2)

Tính độ dãn của lò xo sau khi treo 2 quả nặng (tức độ dài của lò xo tăng lên sau khi treo 2 quả nặng): l2 – l0

• Bước 5: Treo 3 quả nặng loại 50g vào đầu dưới của lò xo. Đo độ dài của lò xo khi đó (l3)

Tính độ dãn lò xo sau khi treo 3 quả nặng (tức độ dài của lò xo tăng lên sau khi treo 3 quả nặng):  l3 – l0

Kết quả của thí nghiệm được ghi dưới bảng sau

Từ thí nghiệm trên ta đưa ra được những kết luận về độ biến dạng của lò xo như sau:

• Lò xo là vật có tính chất đàn hồi.
• Khi treo một quả nặng vào lò xo thì lò xo sẽ dãn ra, chiều dài tăng lên. Khi ta bỏ quả nặng ra khỏi lò xo thì chiều dài của lò xo sẽ trở lại trạng thái như ban đầu, đúng bằng chiều dài ban đầu của nó.
• Độ giãn của lò xo khi đó là hiệu giữa chiều dài khi biến dạng và chiều dài tự nhiên của lò xo: l = l – l0 (l : Chiều dài lò xo khi bị dãn, l0: Chiều dài tự nhiên ban đầu của lò xo)
• Nếu treo một vật có khối lượng càng lớn thì lò xo dãn ra càng nhiều. Độ dãn của lò xo treo phương thẳng đứng tỉ lệ với khối lượng của vật treo.

Công thức tính độ biến dạng của lò xo

Δl= l – l₀

• l: Chiều dài của lò xo khi bị giãn
• l₀: Chiều dài tự nhiên ban đầu của lò xo

Lực đàn hồi là gì?

Lực đàn hồi là lực được sinh ra khi vật đàn hồi bị biến dạng. Ví dụ như lực gây ra bởi một lò xo khi nó bị nén lại hoặc bị kéo dãn ra. Lực đàn hồi thường có xu hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Tức là nó có xu hướng đưa vật trở lại như trạng thái ban đầu khi chưa biến dạng.

Giới hạn đàn hồi

Khi độ biến dạng đàn hồi đạt đến một giá trị nhất định nào đó thì lực đàn hồi sẽ không xuất hiện nữa ta gọi chúng là giới hạn đàn hồi.

Khi vượt qua giá trị đàn hồi này thì vật sẽ bị biến dạng mà không thể trở lại như trạng thái ban đầu được nữa.

Đặc điểm của lực đàn hồi là gì?

Từ một số thí nghiệm trên, ta đưa ra một vài nhận xét về độ đàn hồi như sau:

• Lò xo là một vật đàn hồi. Khi ta tác động vào nó một lực như lực nén hay kéo giãn với một độ vừa phải thì sau khi buông ra chiều dài của chúng sẽ trở lại như ban đầu.
• Sự biến dạng của lò xo tác dụng lực đàn hồi lên các vật tiếp xúc hoặc vật gắn vào hai đầu của nó.
• Khi độ biến dạng của lò xo càng lớn thì lực đàn hồi càng lớn.
• Độ biến dạng của lò xo sẽ phụ thuộc vào chất liệu của vật, nó quyết định độ lớn của lực đàn hồi.

Lực đàn hồi phụ thuộc vào yếu tố nào?

Lực đàn hồi sẽ phụ thuộc vào biến dạng của vật đàn hồi. Còn độ biến dạng của vật đàn hồi sẽ phụ thuộc phần lớn vào chất liệu cấu thành lên nó.

Bên cạnh đó nếu như vật đàn hồi là lò xo, ta rút ra một số nhận xét sau đây:

• Lò xo chỉ giãn nếu các vòng của nó được quấn một cách đều đặn. Nếu như kéo giãn lò xo ra khỏi giới hạn đàn hồi của nó hay nói cách khác nếu chúng ta kéo các vòng bị biến dạng không đều nhau thì thí nghiệm sẽ thất bại.
• Tính đàn hồi của lò xo sẽ phụ thuộc phần lớn vào vật liệu làm lò xo. Thép và đồng có tính đàn hồi khá tốt nên đây là hai vật liệu được sử dụng chủ yếu để làm lò xo.

Công thức tính lực đàn hồi – Định luật Húc

Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo. Biểu thức định luật Húc như sau:

Trong đó:

• k: hệ số đàn hồi hay độ cứng của lò xo (N/m)
• Fđh: độ lớn của lực đàn hồi (N)
• Δl=l – lo: độ biến dạng của lò xo (m)
• Δl > 0: lò xo chịu biến dạng giãn
• Δl < 0: lò xo chịu biến dạng nén
• l₀: Chiều dài ban đầu của lò xo (m)
• l: Chiều dài của lò xo sau khi biến dạng nén hoặc dãn (m)

Khi lò xo treo thẳng đứng, một đầu gắn cố định, đầu còn lại treo vật m, ở trạng thái vật m nằm cân bằng: Fđh = P = mg

Công thức tính độ cứng của lò xo: k = mg/Δl

Lưu ý:

• Đối với dây cao su hay dây thép, lực đàn hồi chỉ xuất hiện khi bị ngoại lực kéo dãn. Do đó trong trường hợp này gọi là lực căng.
• Đối với mặt tiếp xúc bị biến dạng khi bị ép vào nhau thì lực đàn hồi có phương vuông góc với mặt tiếp xúc.

Các trường hợp thường gặp của lực đàn hồi

Lực đàn hồi của lò xo

Lực đàn hồi của lò xo với một số đặc điểm:

• Phương: Trùng với phương của trục lò xo
• Chiều: Ngược với chiều biến dạng của lò xo
• Độ lớn: Fđh = k |Δl|

Trong đó:

• Δl: Độ biến dạng của lò xo
• k: Hệ số đàn hồi (N/m)
• Lực đàn hồi luôn ngược hướng với chiều biến dạng

Lực căng của dây

Một số đặc điểm lực căng của dây như:

• Điểm đặt: Là điểm mà đầu dây tiếp xúc với vật
• Phương: Trùng với chính sợi dây
• Chiều: Hướng từ hai đầu dây vào phần giữa của sợi dây
• Lực căng tác dụng lên một vật chỉ có thể là lực kéo, không thể là lực đẩy.

Ứng dụng của lực đàn hồi trong cuộc sống

Thực tế có rất nhiều dụng cụ, thiết bị có sử dụng lực này để hoạt động, có thể kể đến một số ứng dụng của lực đàn hồi như:

• Cầu bật cho các vận động viên nhảy đà.
• Lò xo giảm xóc ở xe máy.
• Lò xo trong các loại súng hơi.
• Ná cao su – trò chơi của trẻ em.
• Dàn dây đàn hồi cho các vận động viên nhào lộn.
• Nhịp đàn hồi ở các bánh xe, ô tô, tàu hỏa, đệm mút của giường nằm, ghế ngồi xe ô tô.
• Cánh cung.

Tuy nhiên bên cạnh những lợi ích to lớn là lực đàn hồi mang lại thì nó cũng có tác hại như: Khi xe bị xóc,nó làm cho yên xe dao động liên tục. Do đó người ta phải làm hệ thống để làm triệt tiêu bớt lực để làm giảm bớt dao động cho người ngồi trên xe, để tránh cảm giác gây khó chịu cho người trên xe.

Như vậy bài viết trên chúng tôi đã chia sẻ đến bạn những kiến thức bổ ích về lực đàn hồi. Mong rằng nó sẽ giúp ích cho bạn trong những lĩnh vực trong cuộc sống. Mọi thắc mắc hay những đóng góp ý kiến vui lòng liên hệ với AME Group để được hỗ trợ.