Vì sao lò xo cứng hơn hãm ngắn hơn nhưng có thể làm lực cực đại lớn hơn?

Giải thích nguyên lý

Nếu cùng một động năng được chuyển hoàn toàn thành thế năng đàn hồi, tăng k làm độ nén cực đại giảm. Tuy vậy lực cực đại kx không giảm theo độ nén vì k tăng đồng thời. Phải xét cả năng lượng và lực, không chọn một hành trình ngắn rồi kết luận mọi lực đều nhỏ.

Ví dụ tính từng bước

Xe mô hình có động năng 0,50 J đi vào lò xo ngang, bỏ ma sát. Lò xo k = 100 N/m cho x cực đại = √(2 × 0,50/100) = 0,10 m, lực cực đại 10 N. Với k = 400 N/m, độ nén chỉ 0,050 m nhưng lực cực đại 20 N. Tăng k bốn lần làm hành trình còn một nửa và lực cực đại gấp đôi.

Điểm dễ hiểu sai

Lực cực đại không bằng lực hãm trung bình trên đường nén. Với lò xo Hooke từ không biến dạng, lực tăng từ 0 nên công là diện tích tam giác, không phải F cực đại nhân toàn hành trình.

Tự kiểm tra

Kiểm cả hai: kx²/2 đều bằng 0,50 J, còn F cực đại nhân x/2 cũng bằng 0,50 J.

Điều kiện áp dụng

Lò xo nhẹ trong giới hạn Hooke, nén từ chiều dài tự nhiên, không có lực cản hoặc nguồn cấp thêm; mô hình xe chất điểm, không dùng làm thiết kế bảo hộ.

Đọc hình minh họa

Hai xe trượt trên mặt ngang, nén các lò xo k = 100 và 400 N/m; cùng động năng 0,50 J nhưng hành trình 0,10 và 0,050 m, lực cực đại 10 và 20 N. Các mũi tên chỉ đại lượng theo nhãn; hình định tính không dùng để đo tỉ lệ lực hoặc độ dài. Các đồ thị đọc theo số liệu và đơn vị hai trục.

Học tiếp

Định luật Hooke có hiệu lực đến đâu Giới hạn đàn hồi của lò xo quan trọng vì sao