Lực đàn hồi là gì? Khái niệm, công thức, ứng dụng và ví dụ

Chào mừng bạn đến với vatly.edu.vn, nơi chia sẻ tri thức vật lý đến mọi người. Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về lực đàn hồi, một khái niệm vật lý quen thuộc nhưng đầy ứng dụng thực tế trong cuộc sống.

Lực đàn hồi là gì? 

Lực đàn hồi là lực sinh ra khi vật đàn hồi bị biến dạng. Lực này có xu hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó và đưa vật trở lại trạng thái ban đầu khi chưa bị biến dạng.

Ví dụ:

• Khi ta nén lò xo, lò xo sẽ bị biến dạng và sinh ra lực đàn hồi chống lại sự nén. Lực này có xu hướng đẩy lò xo trở lại trạng thái ban đầu khi chưa bị nén.
• Khi ta búng một quả bóng, quả bóng sẽ bị biến dạng và sinh ra lực đàn hồi đẩy quả bóng bay đi.

Lực đàn hồi lò xo 

Lực đàn hồi lò xo, còn được gọi là lực Hooke, là lực phục hồi mà một lò xo hoặc một vật thể đàn hồi nào đó tạo ra khi nó bị biến dạng. Lực đàn hồi này hoạt động theo nguyên tắc đối lập với biến dạng, nghĩa là nó cố gắng đưa vật thể trở lại trạng thái ban đầu của nó.

Công thức của lực đàn hồi lò xo

F = k |Δl|

Trong đó: 

• F: Lực đàn hồi (N)
• k: Độ cứng của lò xo (N/m)
• Δl: Độ biến dạng của lò xo (m)

Ví dụ về lực đàn hồi lò xo

• Lò xo cửa: Khi bạn kéo một lò xo cửa để mở, nó tạo ra một lực đàn hồi kéo ngược lại. Khi bạn thả ra, lò xo sẽ co lại và đóng cửa.
• Bút bi: Lực đàn hồi của lò xo bên trong bút giúp nút bấm hoạt động, đẩy ruột bút ra và vào.
• Đồ chơi lò xo: Đồ chơi như “Slinky” thể hiện lực đàn hồi khi nó giãn ra và co lại.

Đặc điểm của lực đàn hồi của lò xò

Lực đàn hồi của lò xo là một loại lực quan trọng trong học thuyết vật lý, đặc biệt là trong môn cơ học. Dưới đây là những đặc điểm chính của lực đàn hồi của lò xo:

• Phụ thuộc vào độ biến dạng: Lực đàn hồi của lò xo phụ thuộc trực tiếp vào mức độ mà lò xo bị biến dạng – dãn ra hoặc nén lại. Lực này cố gắng đưa lò xo trở về trạng thái ban đầu của nó.
• Độ cứng của lò xo: Độ cứng của lò xo, ký hiệu là k, là một hằng số đặc trưng cho mỗi lò xo, phản ánh mức độ kháng cự của lò xo đối với việc bị biến dạng. Lò xo cứng có k cao, trong khi lò xo mềm có k thấp.
• Giới hạn đàn hồi: Lực đàn hồi tuân theo Định luật Hooke chỉ trong phạm vi giới hạn đàn hồi của lò xo. Khi lò xo bị biến dạng quá mức này, nó có thể không trở về được hình dạng ban đầu, dẫn đến hiện tượng biến dạng vĩnh cửu.
• Phục hồi hình dạng: Khi lực tác động lên lò xo được gỡ bỏ, lò xo sẽ cố gắng phục hồi về trạng thái ban đầu của mình, nhờ vào lực đàn hồi.
• Động lực học: Trong hệ thống dao động, lực đàn hồi của lò xo đóng vai trò quan trọng, tạo ra sự dao động khi kết hợp với khối lượng và lực cản.

Định luật Húc

Định luật Húc hay Định luật Hooke là một định luật cơ bản trong vật lý, mô tả mối quan hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo trong giới hạn đàn hồi.

Công thức: F=−kx

Trong đó:

• F là lực đàn hồi (Newton)
• k là độ cứng của lò xo (Newton/mét)
• x là độ biến dạng từ vị trí cân bằng (mét)
• Dấu “-” biểu thị rằng lực này luôn hướng ngược lại với sự biến dạng

Điều kiện áp dụng: Định luật Hooke chỉ đúng trong giới hạn đàn hồi của vật liệu, nghĩa là chỉ khi lực tác động lên vật không vượt quá giới hạn nhất định mà vật có thể quay trở lại hình dạng ban đầu của mình mà không bị biến dạng vĩnh viễn.

Ví dụ về định luật Húc

Lò xo:

• Treo quả cân: Khi treo một quả cân vào lò xo, lò xo sẽ dãn ra một đoạn nhất định. Độ dãn này tỉ lệ thuận với trọng lượng của quả cân.
• Nén lò xo: Nén lò xo bằng một lực nhất định, lò xo sẽ bị biến dạng. Độ biến dạng này tỉ lệ thuận với lực nén.

Cánh cung:

• Khi kéo căng dây cung, dây cung sẽ bị biến dạng. Độ biến dạng này tỉ lệ thuận với lực kéo.
• Khi bắn cung, lực đàn hồi của dây cung sẽ đẩy mũi tên bay đi. Lực đẩy này tỉ lệ thuận với độ biến dạng của dây cung.

Dây đàn:

Khi gảy đàn, dây đàn sẽ dao động. Tần số dao động của dây đàn tỉ lệ thuận với căn bậc hai của độ căng của dây đàn.

* Lưu ý: Định luật Húc chỉ áp dụng trong giới hạn đàn hồi của lò xo. Khi lò xo bị biến dạng vượt quá giới hạn đàn hồi, nó sẽ không thể trở lại trạng thái ban đầu.

Ứng dụng của lực đàn hồi 

Lực đàn hồi, một khái niệm quan trọng trong cơ học, có nhiều ứng dụng thực tế trong đời sống hàng ngày cũng như trong các ngành công nghiệp và kỹ thuật. Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng của lực đàn hồi:

• Hệ thống treo xe: Trong ô tô và xe máy, lực đàn hồi của lò xo trong hệ thống treo giúp giảm thiểu cảm giác rung động và sốc khi di chuyển trên đường không bằng phẳng, cung cấp một chuyến đi êm ái và thoải mái hơn.
• Bút bi: Lò xo bên trong các bút bi nhấn giúp điều khiển việc thụt ruột bút vào và ra, cho phép sử dụng thuận tiện và ngăn ngừa mực dễ dàng bị lem.
• Đồng hồ: Lò xo có trong các đồng hồ cơ học giữ năng lượng và phát hành nó một cách đều đặn để đồng hồ chạy chính xác.
• Dụng cụ thể thao: Nhiều dụng cụ thể thao như vợt tennis, cây gậy golf và giày chạy bộ được thiết kế để tận dụng lực đàn hồi, tăng cường hiệu suất và giảm thiểu chấn thương cho người chơi.
• Công nghiệp sản xuất: Trong ngành công nghiệp, lò xo được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất, máy móc để hấp thụ rung động, duy trì áp lực hoặc lực kéo nhất định, giúp quy trình hoạt động mượt mà và hiệu quả.
• Y tế: Lò xo đàn hồi được sử dụng trong nhiều thiết bị y tế, từ những cái như máy đo huyết áp cho đến những thiết bị phức tạp hơn như máy hỗ trợ tim.
• Công nghệ điện tử: Lò xo đàn hồi được sử dụng trong các thiết bị điện tử để tạo ra kết nối đáng tin cậy giữa các linh kiện, ví dụ như trong bàn phím máy tính và điều khiển từ xa.

Bài tập ứng dụng về lực đàn hồi 

Trắc nghiệm

Câu 1: Khi treo một vật nặng vào đầu dưới của lò xo, lò xo sẽ:

A. Bị nén lại.

B. Giãn ra.

C. Vừa bị nén lại, vừa giãn ra.

D. Không bị biến dạng.

Đáp án: B. 

Câu 2: Lực đàn hồi của lò xo có đặc điểm nào sau đây?

A. Cùng hướng với lực gây biến dạng.

B. Ngược hướng với lực gây biến dạng.

C. Vuông góc với lực gây biến dạng.

D. Không có hướng.

Đáp án: B. 

Câu 3: Định luật Hooke cho biết:

A. Độ biến dạng của lò xo tỉ lệ thuận với lực đàn hồi.

B. Lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo.

C. Lực đàn hồi tỉ lệ nghịch với độ biến dạng của lò xo.

D. Độ biến dạng của lò xo tỉ lệ nghịch với lực đàn hồi.

Đáp án: B. 

Câu 4: Một lò xo có độ cứng k = 100 N/m. Khi lò xo bị nén 4 cm, lực đàn hồi của lò xo có độ lớn là:

A. 4 N.

B. 10 N.

C. 40 N.

D. 100 N.

Đáp án: C.

Câu 5: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 30 cm. Khi treo một vật nặng vào đầu dưới của lò xo, lò xo dài 35 cm. Độ biến dạng của lò xo là:

A. 5 cm.

B. 10 cm.

C. 15 cm.

D. 20 cm.

Đáp án: A. 

Câu 6: Một lò xo có độ cứng k = 200 N/m. Khi treo một vật nặng vào đầu dưới của lò xo, lò xo giãn ra 5 cm. Khối lượng của vật nặng là:

A. 0,25 kg.

B. 0,5 kg.

C. 1 kg.

D. 2 kg.

Đáp án: A. 

Câu 7: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 20 cm. Khi treo một vật nặng vào đầu dưới của lò xo, lò xo dài 25 cm. Khi treo thêm một vật nặng khác có khối lượng gấp đôi vật nặng ban đầu vào đầu dưới của lò xo, lò xo dài bao nhiêu?

A. 30 cm.

B. 35 cm.

C. 40 cm.

D. 45 cm.

Đáp án: C. 40 

Câu 8: Một lò xo có độ cứng k = 100 N/m. Khi lò xo bị nén 5 cm, thế năng đàn hồi của lò xo là:

A. 2,5 J.

B. 5 J.

C. 10 J.

D. 20 J.

Đáp án: B.

Câu 9: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 30 cm. Khi treo một vật nặng vào đầu dưới của lò xo, lò xo dài 35 cm. Khi di chuyển vật nặng lên cao 5cm so với vị trí cân bằng, thế năng đàn hồi của lò xo là:

A. 0,625 J.

B. 1,25 J.

C. 2,5 J.

D. 5 J.

Đáp án: B. 

Câu 10: Một con lắc lò xo gồm một lò xo có độ cứng k = 100 N/m và một vật nặng có khối lượng m = 100 g. Khi đưa vật nặng đến vị trí lò xo nén 2 cm và thả nhẹ, vật nặng dao động điều hòa. Biên độ dao động của vật nặng là:

A. 2 cm.

B. 4 cm.

C. 6 cm.

D. 8 cm.

Đáp án: C. 

Tự luận

Bài tập 1: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 20 cm. Khi treo vật nặng vào lò xo, lò xo dài 24 cm. Tính độ biến dạng của lò xo.

Lời giải:

Độ biến dạng của lò xo là: Δl = l – l0 = 24 cm – 20 cm = 4 cm

Bài tập 2: Một lò xo có độ cứng k = 100 N/m. Khi lò xo bị nén 4 cm, lực đàn hồi của lò xo có độ lớn là bao nhiêu?

Lời giải:

Lực đàn hồi của lò xo có độ lớn là:

F = k.Δl = 100 N/m . 4 cm = 400 N

Bài tập 3: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 30 cm. Khi treo vật nặng có khối lượng 200 g vào lò xo, lò xo dài 34 cm. Tính độ cứng của lò xo.

Lời giải:

• Trọng lượng của vật nặng là: P = mg = 200 g . 10 m/s2 = 2 N
• Độ biến dạng của lò xo là: Δl = l – l0 = 34 cm – 30 cm = 4 cm
• Độ cứng của lò xo là: k = F/Δl = 2 N / 4 cm = 50 N/m

Bài tập 4: Một lò xo có độ cứng k = 150 N/m. Khi lò xo bị nén 5cm, lò xo có năng lượng đàn hồi là bao nhiêu?

Lời giải:

Năng lượng đàn hồi của lò xo là:

Wđ = 1/2 . k . (Δl)2 = 1/2 . 150 N/m . (5 cm)2 = 375 J

Bài tập 5: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 25 cm. Khi treo vật nặng có khối lượng 300g vào lò xo, lò xo dài 30 cm. Khi treo thêm vật nặng có khối lượng 200g vào lò xo, lò xo dài bao nhiêu?

Lời giải:

• Trọng lượng của vật nặng thứ nhất là: P1 = m1 . g = 300 g . 10 m/s2 = 3 N
• Độ biến dạng của lò xo khi treo vật nặng thứ nhất là: Δl1 = l1 – l0 = 30cm – 25cm = 5cm
• Độ cứng của lò xo là: k = P1/Δl1 = 3 N / 5 cm = 60 N/m
• Trọng lượng của vật nặng thứ hai là: P2 = m2 . g = 200 g . 10 m/s2 = 2 N
• Độ biến dạng của lò xo khi treo thêm vật nặng thứ hai là: Δl2 = P2/k = 2 N / 60 N/m = 1/30 cm
• Chiều dài của lò xo khi treo thêm vật nặng thứ hai là: l2 = l1 + Δl2 = 30 cm + 1/30 cm = 30 1/30 cm

Bài tập 6: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 30 cm. Khi nén lò xo 10cm thì lò xo có độ cứng 100 N/m. Tính lực đàn hồi của lò xo.

Lời giải:

• Độ biến dạng của lò xo: Δl = l – l₀ = 30 – 10 = 20 cm = 0,2 m
• Lực đàn hồi của lò xo: F = k.Δl = 100.0,2 = 20 N

Bài tập 7: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 10 cm. Khi treo vào đầu lò xo một vật nặng 100 g thì lò xo dài 12 cm. Tính độ cứng của lò xo.

Lời giải:

• Lực đàn hồi của lò xo: F = P = mg = 100.10^(-3) . 10 = 1 N
• Độ biến dạng của lò xo: Δl = l – l₀ = 12 – 10 = 2 cm = 0,02 m
• Độ cứng của lò xo: k = F/Δl = 1/0,02 = 50 N/m

Vậy là chúng ta đã cùng nhau khám phá lực đàn hồi tại vatly.edu.vn. Hy vọng những thông tin ngắn gọn trong bài viết đã giúp bạn hiểu hơn về vai trò và ứng dụng của lực đàn hồi trong đời sống hàng ngày. Hãy tiếp tục theo dõi chúng tôi để cập nhật thêm nhiều kiến thức bổ ích và thú vị về vật lý. Cảm ơn bạn đã dành thời gian đồng hành cùng chúng tôi!