Lực đàn hồi xuất hiện trong nhiều vật dụng quen thuộc như lò xo bút bi hay bộ giảm xóc ô tô. Tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu rõ bản chất và ứng dụng thực tế của khái niệm vật lý này. Cùng Ben-Store chính hãng tìm hiểu chi tiết trong bài viết sau.
Lực đàn hồi là gì?
Hiện tượng này xuất hiện khi một vật bị biến dạng do tác động từ bên ngoài. Trong quá trình bị nén, kéo giãn, uốn cong hoặc xoắn, các phần tử bên trong bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng ban đầu. Để chống lại sự thay đổi đó và đưa vật trở về trạng thái cũ, vật liệu sinh ra một phản ứng cơ học gọi là lực đàn hồi.
Xét về bản chất, hiện tượng này bắt nguồn từ các liên kết hóa học giữa nguyên tử và phân tử. Khi cấu trúc bị biến dạng, các hạt bị đẩy ra khỏi vị trí cân bằng làm tăng năng lượng của hệ. Chính xu hướng trở về trạng thái có mức năng lượng thấp nhất khiến vật liệu khôi phục hình dạng ban đầu.
Đặc điểm của lực đàn hồi
Ngoài nắm hồi lực đàn hồi là gì, việc hiểu rõ các đặc điểm của lực này là điều cần thiết để thấy được cách nó hoạt động trong thực tế. Cụ thể như sau:
Phương và chiều
Tính co giãn của vật thể thường biểu hiện dọc theo trục biến dạng. Hướng tác động luôn ngược lại với ngoại lực gây biến dạng, giúp vật trở lại trạng thái ban đầu. Chẳng hạn, khi kéo dãn một lò xo, nó sẽ xuất hiện xu hướng co rút về vị trí cũ. Ngược lại, khi bị nén, lò xo lại có xu hướng giãn ra để lấy lại chiều dài ban đầu.
Giới hạn đàn hồi
Mỗi vật liệu đều có một ngưỡng co giãn nhất định. Trong phạm vi này, khi lực tác động bị loại bỏ, nó vẫn có thể trở lại hình dạng và kích thước ban đầu. Nhưng nếu tác động vượt quá giới hạn, vật liệu sẽ mất khả năng phục hồi và rơi vào trạng thái biến dạng vĩnh viễn, gọi là biến dạng dẻo.
Ví dụ, khi bạn kéo một chiếc lò xo quá mạnh, nó sẽ bị giãn dài và không thể co lại như trước. Điều đó có nghĩa là lò xo đã vượt qua giới hạn co giãn và biến dạng xảy ra lúc này là biến dạng dẻo.
Phân biệt lực đàn hồi và lực căng
Hẳn có rất nhiều người thắc mắc sự khác biệt giữa lực căng và độ co giãn? Trên thực tế, đây đều là những lực xuất hiện khi vật bị biến dạng. Dù vậy, hai loại lực này vẫn tồn tại một vài khác biệt đáng chú ý
- Độ co giãn có thể xảy ra khi vật bị kéo dãn hoặc nén lại. Chẳng hạn như lò xo, lực phục hồi sẽ xuất hiện ở cả hai đầu để đưa vật trở về trạng thái ban đầu.
- Lực căng là trường hợp đặc biệt, chỉ xuất hiện khi một sợi dây (hay vật tương tự) bị kéo dãn. Lực này luôn hướng ngược lại với lực tác động và chỉ tồn tại khi vật chịu kéo, chứ không chịu nén.
Làm thế nào để xác định công thức lực đàn hồi?
Để mô tả chính xác mối quan hệ giữa tác động và sự biến dạng của vật, các nhà vật lý sử dụng Định luật Hooke. Theo định luật này, độ biến dạng tỉ lệ thuận với lực phục hồi mà vật tạo ra.
Công thức tổng quát:
F=−k⋅ΔlF = -k cdot Delta lF=−k⋅Δl
Trong đó:
-
F là lực phục hồi (Newton, N). Dấu “-” cho thấy hướng luôn ngược với tác động bên ngoài.
-
k là hệ số đặc trưng cho độ cứng của vật (Newton/m), phụ thuộc vào vật liệu và hình dạng.
-
Δl là phần thay đổi chiều dài (m), tính bằng l−l0l – l_0l−l0, với lll là chiều dài sau biến dạng và l0l_0l0 là chiều dài ban đầu.
Khi xét độ lớn, người ta thường sử dụng công thức sau:
∣F∣=k⋅∣Δl∣|F| = k cdot |Delta l|∣F∣=k⋅∣Δl∣
Ứng dụng của lực đàn hồi trong đời sống là gì?
Trong cuộc sống, nguyên lý về năng lực được áp dụng rộng rãi để tạo ra các thiết bị tiện ích và hữu dụng. Vậy ứng dụng trong đời sống của lực đàn hồi là gì? Sau đây là những ứng dụng nổi bật nhất:
Đồng hồ cơ truyền thống
Đồng hồ cơ vận hành dựa trên nguyên lý tích trữ rồi giải phóng năng lượng. Khi bạn lên cót, lực từ tay làm dây cót cuộn chặt lại, giữ lại phần năng lượng đó. Sau đó, dây cót sẽ từ từ nhả ra một cách ổn định, truyền động qua hệ thống bánh răng tinh vi để làm các kim di chuyển. Có thể xem dây cót như nguồn năng lượng liên tục, đảm bảo cỗ máy cơ học hoạt động chính xác.
Lò xo trong hệ thống giảm xóc
Khi xe di chuyển qua những đoạn đường gồ ghề, không bằng phẳng, khả năng co giãn đóng vai trò như một “tấm đệm” giảm chấn hiệu quả. Lò xo trong hệ thống giảm xóc sẽ bị nén lại hoặc giãn ra đột ngột để hấp thụ các chấn động mạnh từ mặt đường. Nhờ đó, lực phục hồi sinh ra sẽ triệt tiêu phần lớn rung động, ngăn không cho chúng truyền thẳng lên thân xe và khoang lái. Điều này mang lại cảm giác êm ái, thoải mái cho người ngồi, đồng thời giúp xe bám đường ổn định hơn, tăng cường độ an toàn khi vận hành.
Dụng cụ tập thể thao
Nhiều dụng cụ tập gym, thể hình nguyên lý này để tạo ra lực cản, giúp người tập rèn luyện cơ bắp. Dây kháng lực, máy tập cơ ngực hay thậm chí là quả tạ lò xo đều hoạt động dựa trên nguyên lý này. Khi bạn kéo dãn dây kháng lực, nó sẽ tạo ra lực phục hồi chống lại chuyển động của bạn. Độ lớn của lực này có thể được điều chỉnh bằng cách chọn dây có độ cứng khác nhau, phù hợp với từng bài tập và cấp độ.
Lực kế
Lực kế là thiết bị được sử dụng để xác định độ lớn của lực tác dụng. Cấu tạo cơ bản của lực kế là một lò xo gắn với kim chỉ thị và một thang đo. Khi có lực tác dụng vào (ví dụ như treo một vật), lò xo sẽ bị dãn ra. Độ biến dạng này tỉ lệ thuận với lực tác dụng theo Định luật Hooke. Dựa vào vị trí của kim chỉ thị trên thang đo, người dùng có thể đọc được giá trị của lực cần đo một cách chính xác.
Như vậy, qua bài viết này, bạn đã thấy lực đàn hồi không chỉ là một khái niệm vật lý mà còn là một phần không thể thiếu trong vô vàn công nghệ và tiện ích hàng ngày. Hy vọng bài viết này đã mang lại cho bạn nhiều góc nhìn thú vị về những thứ nhỏ bé xung quanh chúng ta. Đừng quên theo dõi Ben-Store chính hãng để cập nhật thêm nhiều kiến thức hữu ích nhé!