BÀI 15. ÁP SUẤT TRÊN MỘT BỀ MẶT
BÀI 15. ÁP SUẤT TRÊN MỘT BỀ MẶT
Mục tiêu bài học
- Nêu được khái niệm áp lực và nhận biết được áp lực trong các tình huống thực tế.
- Dùng thí nghiệm để khẳng định áp suất sinh ra khi có áp lực tác dụng lên một diện tích bề mặt.
- Viết và vận dụng được công thức tính áp suất \(p=\dfrac{F}{S}\).
- Liệt kê được một số đơn vị đo áp suất thường dùng.
- Giải thích được công dụng của việc làm tăng hoặc giảm áp suất trong đời sống.
I. Áp lực là gì?
Trong đời sống, nhiều vật tác dụng lực ép lên bề mặt mà chúng tiếp xúc. Ví dụ: học sinh đứng trên sân trường, ô tô đứng trên mặt đường, bàn ghế đặt trên nền lớp học, máy móc đặt trên sàn nhà xưởng.
Áp lực là lực ép có phương vuông góc với mặt bị ép.
Cách nhận biết áp lực
- Lực phải là lực ép lên một bề mặt.
- Phương của lực phải vuông góc với mặt bị ép.
- Nếu lực kéo hoặc lực đẩy không vuông góc với mặt bị ép thì lực đó không phải là áp lực lên mặt đó.
Ví dụ:
- Trọng lượng của người đứng trên mặt đất là áp lực tác dụng lên mặt đất.
- Trọng lượng của thùng hàng đặt trên sàn là áp lực tác dụng lên mặt sàn.
- Lực của đầu đinh tác dụng lên tấm xốp là áp lực vì lực ép vuông góc với tấm xốp.
- Lực của người kéo sợi dây để kéo thùng hàng không phải là áp lực lên mặt sàn vì lực này không ép vuông góc lên mặt sàn.
II. Áp suất
1. Thí nghiệm tìm hiểu tác dụng của áp lực
Chuẩn bị hai khối sắt giống nhau có dạng hình hộp chữ nhật và một khay đựng bột mịn. Đặt khối sắt lên bột mịn theo ba trường hợp:
- Trường hợp a: một khối sắt nằm ngang trên bột mịn.
- Trường hợp b: hai khối sắt chồng lên nhau, diện tích tiếp xúc với bột mịn như trường hợp a.
- Trường hợp c: một khối sắt đặt đứng, diện tích tiếp xúc nhỏ hơn trường hợp a.
| So sánh | Áp lực \(F\) | Diện tích bị ép \(S\) | Độ lún \(h\) | Nhận xét |
|---|---|---|---|---|
| b so với a | \(F_b>F_a\) | \(S_b=S_a\) | \(h_b>h_a\) | Cùng diện tích, áp lực càng lớn thì tác dụng ép càng mạnh. |
| c so với a | \(F_c=F_a\) | \(S_c<S_a\) | \(h_c>h_a\) | Cùng áp lực, diện tích bị ép càng nhỏ thì tác dụng ép càng mạnh. |
Kết luận: Tác dụng của áp lực phụ thuộc vào độ lớn của áp lực và diện tích bề mặt bị ép. Để đặc trưng cho tác dụng ép đó, người ta dùng đại lượng áp suất.
2. Khái niệm và công thức tính áp suất
Áp suất sinh ra khi có áp lực tác dụng lên một diện tích bề mặt. Áp suất được tính bằng độ lớn của áp lực trên một đơn vị diện tích bị ép.
Công thức tính áp suất
\(p=\dfrac{F}{S}\)
| \(p\) | áp suất |
| \(F\) | áp lực tác dụng lên mặt bị ép, đơn vị niutơn \((N)\) |
| \(S\) | diện tích mặt bị ép, đơn vị mét vuông \((m^2)\) |
Từ công thức \(p=\dfrac{F}{S}\), có thể suy ra:
- Tính áp lực khi biết áp suất và diện tích: \(F=p\cdot S\).
- Tính diện tích bị ép khi biết áp lực và áp suất: \(S=\dfrac{F}{p}\).
III. Đơn vị đo áp suất
Nếu áp lực đo bằng niutơn \((N)\), diện tích đo bằng mét vuông \((m^2)\), thì áp suất có đơn vị là niutơn trên mét vuông \((N/m^2)\), còn gọi là pascal, kí hiệu là \(Pa\).
\(1\,Pa=1\,N/m^2\)
Ngoài \(Pa\), người ta còn dùng một số đơn vị áp suất khác:
| Đơn vị | Kí hiệu | Đổi ra pascal |
|---|---|---|
| Átmốtphe | \(atm\) | \(1\,atm=1{,}013\cdot10^5\,Pa\) |
| Milimét thủy ngân | \(mmHg\) | \(1\,mmHg=133{,}3\,Pa\) |
| Bar | \(bar\) | \(1\,bar=10^5\,Pa\) |
IV. Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Một xe tăng có trọng lượng \(350000\,N\), diện tích tiếp xúc của các bản xích với mặt đường là \(1{,}5\,m^2\). Tính áp suất của xe tăng lên mặt đường.
Giải:
Áp lực của xe tăng lên mặt đường bằng trọng lượng của xe:
\(F=350000\,N\)
Áp suất của xe tăng lên mặt đường:
\(p=\dfrac{F}{S}=\dfrac{350000}{1{,}5}\approx233333\,Pa\)
Vậy áp suất của xe tăng lên mặt đường xấp xỉ \(2{,}33\cdot10^5\,Pa\).
Ví dụ 2. Một ô tô có trọng lượng \(25000\,N\), diện tích tiếp xúc của các bánh xe với mặt đường là \(250\,cm^2\). Tính áp suất của ô tô lên mặt đường.
Giải:
Đổi đơn vị diện tích:
\(250\,cm^2=250\cdot10^{-4}\,m^2=0{,}025\,m^2\)
Áp suất của ô tô lên mặt đường:
\(p=\dfrac{F}{S}=\dfrac{25000}{0{,}025}=1000000\,Pa\)
Vậy áp suất của ô tô lên mặt đường là \(10^6\,Pa\), lớn hơn áp suất của xe tăng trong ví dụ trên.
Giải thích tình huống đầu bài: Khi em bé đứng trên đệm, diện tích tiếp xúc giữa chân và đệm nhỏ nên áp suất tác dụng lên đệm lớn, đệm bị lún sâu. Khi người lớn nằm trên đệm, trọng lượng lớn hơn nhưng diện tích tiếp xúc với đệm cũng lớn hơn rất nhiều nên áp suất có thể nhỏ hơn, đệm lún ít hơn.
V. Nguyên tắc làm tăng, giảm áp suất
Từ công thức \(p=\dfrac{F}{S}\), ta rút ra:
| Mục đích | Cách thực hiện | Ví dụ |
|---|---|---|
| Làm tăng áp suất | Tăng áp lực hoặc giảm diện tích bị ép. | Mũi đinh nhọn, dao sắc, kim khâu nhọn, răng cá sấu nhọn. |
| Làm giảm áp suất | Giảm áp lực hoặc tăng diện tích bị ép. | Bản xích xe tăng rộng, bánh xe đi trên đất mềm có bản rộng, nằm trên đệm, dùng ván để đi qua vùng bùn lầy. |
VI. Công dụng của việc làm tăng, giảm áp suất
Việc làm tăng hoặc giảm áp suất có nhiều công dụng trong đời sống và kĩ thuật.
- Muốn đóng cọc xuống đất dễ hơn, người ta thường làm đầu cọc nhọn để giảm diện tích tiếp xúc, làm tăng áp suất.
- Dao, kéo, đinh, kim thường có phần lưỡi hoặc mũi rất nhỏ để tăng áp suất khi tác dụng lực.
- Xe tăng và máy kéo dùng bản xích rộng để tăng diện tích tiếp xúc, làm giảm áp suất lên mặt đất nên khó bị lún.
- Khi đi qua vùng đất sụt lún, có thể đặt ván rộng dưới bánh xe để tăng diện tích tiếp xúc, làm giảm áp suất.
- Cá sấu có hàm răng rất nhọn nên khi cắn, diện tích tiếp xúc nhỏ, áp suất lớn.
- Ống hút cắm vào hộp sữa có một đầu nhọn để làm tăng áp suất tại điểm tiếp xúc, giúp chọc thủng vỏ hộp dễ hơn.
VII. Áp suất của chất lỏng và chất khí
Không chỉ chất rắn mới gây ra áp suất lên mặt bị ép. Chất lỏng và chất khí cũng gây áp suất lên bình chứa.
Với chất khí, có thể làm tăng áp suất bằng một trong các cách sau:
- Với bình chứa có thể tích cố định, tăng lượng chất khí trong bình bằng cách bơm thêm khí vào bình.
- Với một lượng chất khí nhất định, làm giảm thể tích của bình chứa lượng khí đó.
VIII. Em đã học
- Áp lực là lực ép có phương vuông góc với mặt bị ép.
- Áp suất được tính bằng độ lớn của áp lực trên một đơn vị diện tích bị ép.
- Công thức tính áp suất: \(p=\dfrac{F}{S}\).
- Đơn vị áp suất trong hệ SI là \(Pa\), với \(1\,Pa=1\,N/m^2\).
- Muốn tăng áp suất thì tăng áp lực hoặc giảm diện tích bị ép.
- Muốn giảm áp suất thì giảm áp lực hoặc tăng diện tích bị ép.
IX. Câu hỏi tự kiểm tra
- Áp lực là gì? Nêu hai ví dụ về áp lực trong đời sống.
- Viết công thức tính áp suất và nêu tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức.
- Một vật có áp lực \(120\,N\) tác dụng lên mặt bàn, diện tích tiếp xúc là \(0{,}04\,m^2\). Tính áp suất của vật lên mặt bàn.
- Vì sao mũi đinh, mũi kim thường được làm nhọn?
- Vì sao xe tăng có trọng lượng rất lớn nhưng vẫn có thể di chuyển trên nền đất mềm tốt hơn một số xe bánh nhỏ?
- Nêu hai cách làm tăng áp suất và hai cách làm giảm áp suất.