Bạn đã bao giờ tự hỏi một chiếc xe tải có khối lượng 1 tấn cần một lực đẩy bao nhiêu để có thể tăng tốc? Bài viết này sẽ giúp bạn khám phá điều đó thông qua một bài toán vật lý thú vị và dễ hiểu, áp dụng những nguyên tắc cơ bản của định luật Newton.
Tóm tắt đề bài
Một xe tải có khối lượng m = 1 tấn, bắt đầu khởi hành và sau 10 giây đạt được vận tốc 18 km/h. Lực cản từ mặt đường tác dụng lên xe là 500N. Câu hỏi đặt ra là: Tính lực phát động của động cơ xe tải.
Phân tích bài toán và hướng giải
Để giải bài toán này, chúng ta sẽ áp dụng định luật 2 Newton về chuyển động. Định luật này nói rằng gia tốc của một vật tỉ lệ thuận với hợp lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Hay nói cách khác, để xe tải chuyển động và tăng tốc, lực phát động từ động cơ phải lớn hơn lực cản.
Chúng ta cần xác định:
- Gia tốc của xe tải: Dựa vào vận tốc ban đầu (0 km/h), vận tốc sau 10 giây (18 km/h) và thời gian tăng tốc (10s).
- Hợp lực tác dụng lên xe: Hợp lực này là tổng của lực phát động của động cơ và lực cản từ mặt đường.
- Lực phát động của động cơ: Sử dụng định luật 2 Newton để tính toán.
Giải chi tiết
Bước 1: Đổi đơn vị và tính gia tốc
-
Đổi đơn vị vận tốc: Vận tốc cần được đổi từ km/h sang m/s để phù hợp với đơn vị SI trong vật lý.
18 km/h = 18 * (1000 m / 3600 s) = 5 m/s -
Tính gia tốc (a): Gia tốc là sự thay đổi vận tốc theo thời gian. Vì xe khởi hành từ trạng thái đứng yên, vận tốc ban đầu là 0 m/s.
Gia tốc ( a = frac{v – v_0}{t} = frac{5 m/s – 0 m/s}{10 s} = 0.5 m/s^2 )
Bước 2: Áp dụng định luật II Newton
-
Đổi đơn vị khối lượng: Khối lượng xe đã cho là 1 tấn, cần đổi sang kg:
1 tấn = 1000 kg -
Áp dụng định luật II Newton (F = ma): Trong đó:
- F là hợp lực tác dụng lên xe (N)
- m là khối lượng của xe (kg)
- a là gia tốc của xe (m/s²)
Hợp lực F ở đây chính là hiệu giữa lực phát động của động cơ (Fpđ) và lực cản (Fc). Chúng ta giả sử chiều dương là chiều chuyển động của xe, vậy lực phát động hướng theo chiều dương và lực cản ngược chiều chuyển động.
Công thức trở thành: ( F = F_{pđ} – F_c = ma )
-
Tính lực phát động (Fpđ): Từ công thức trên, ta suy ra:
( F_{pđ} = ma + Fc )
Thay số: ( F{pđ} = (1000 kg * 0.5 m/s^2) + 500 N )
( F_{pđ} = 500 N + 500 N = 1000 N )
Sơ đồ lực tác dụng lên xe tải 1 tấn
Kết luận
Vậy, lực phát động của động cơ xe tải có khối lượng 1 tấn trong trường hợp này là 1000N. Điều này có nghĩa là động cơ xe tải cần tạo ra một lực đẩy 1000 Newton để có thể tăng tốc đạt vận tốc 18km/h trong vòng 10 giây, khi lực cản từ môi trường là 500N. Bài toán này minh họa một cách cơ bản về mối liên hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc, những yếu tố quan trọng trong việc vận hành và thiết kế xe tải và các phương tiện giao thông khác.
