8. Những đóng góp của đề tài
2.1.2. Phân tích kiến thức của chương “Cơ học chất lưu”
2.1.2.1. Áp suất
Áp suất là một đại lượng vật lý, thể hiện cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị diện tích của một vi thành phần bề mặt vật chất [26].
Áp suất có giá trị bằng áp lực trên một đơn vị diện tích. Áp suất trung bình của chất lỏng ở độ sâu nơi đặt dụng cụ đo được xác định bằng công thức:
Áp suất của chất lỏng có một số đặc điểm sau:
• Tại mỗi điểm của chất lỏng, áp suất theo mọi phương là như nhau.
• Áp suất ở những điểm có độ sâu khác nhau thì khác nhau.
• Áp suất thay đổi theo độ sâu. Trên cùng một mặt phẳng nằm ngang trong lòng chất lỏng, áp suất là như nhau tại tất cả các điểm.
Áp suất của một chất lỏng ở trạng thái cân bằng tĩnh trong một bình chứa được gọi là áp suất thủy tĩnh hay áp suất tĩnh. Áp suất thủy tĩnh của chất lỏng ở độ sâu h so với mặt thoáng bằng tổng của áp suất khí quyển ở mặt thoáng và tích số ρgh [7].
Công thức:
Áp suất động: đại lượng được xác định bởi công thức xuất hiện trong phương trình của định luật Bernoulli, có thứ nguyên của áp suất.
Tổng áp suất tĩnh và áp suất động (trên cùng một đường dòng) gọi là áp suất toàn phần [7].
2.1.2.2. Nguyên lý Pascal
Nguyên lý Pascal nói về sự truyền nguyên vẹn độ tăng áp suất trong một bình kín. Đây là một nguyên lý, tức là một sự thừa nhận, cũng giống như các định luật Newton, ta không thể chứng minh chặt chẽ được mà chỉ giải thích như trong bài.
Phát biểu nguyên lí: Một độ biến thiên áp suất tác dụng vào một chất lưu nhốt chặt được truyền không thuyên giảm cho mọi phần của chất lưu và cho thành bình chứa [2]
SGK phát biểu như sau: Độ tăng áp suất lên một chất lỏng chứa trong bình kín được truyền nguyên vẹn cho mọi điểm của chất lỏng và của thành bình. [7]
Cách phát biểu này tuy không khái quát (độ biến thiên tổng quát hơn độ tăng) nhưng lại khá dễ hiểu, dễ giải thích và dễ hình dung hơn đối với học sinh.
Nguyên lý Pascal được áp dụng nhiều trong kỹ thuật và đời sống như máy nén thủy lực, phanh thủy lực trong các xe máy, xe ô tô, máy ép dùng chất lỏng,…
2.1.2.3. Định luật Bernoulli
a. Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí
Chuyển động của chất lưu có thể chia làm hai loại chính: chảy ổn định (hay chảy thành dòng) và chảy không ổn định (hay chảy cuộn xoáy).
SGK chỉ xét chất lỏng chảy thành dòng và áp dụng chung kết quả cho chất khí chảy thành dòng trong một số trường hợp.
Chất lỏng thỏa mãn điều kiện chảy thành dòng và không nén được gọi là chất lỏng lí tưởng.
b. Hệ thức giữa tốc độ và tiết diện trong một ống dòng
hay
Như vậy, dọc theo ống dòng, ta thấy: (2.1)
Trong đó, A là lưu lượng (chính xác là lưu lượng thể tích) của chất lỏng. Ta có: khi chảy ổn định, lưu lượng chất lỏng trong một ống dòng là không đổi. [7]
Phương trình 2.1 thực chất là một biểu thức của định luật bảo toàn khối lượng. Thực vậy, nếu ta nhân A với khối lượng riêng (không đổi) của chất lưu thì ta được đại lượng
vSρ, là lưu lượng khối lượng của chất lưu. Khi chảy ổn định, khối lượng chất lưu chảy qua các điểm khác nhau trong một ống dòng mỗi giây là như nhau
c. Định luật Bernoulli cho ống dòng nằm ngang
Phát biểu định luật: Trong một ống dòng nằm ngang, tổng áp suất tĩnh và áp suất động tại một điểm bất kỳ là một hằng số.
Hay: (2.2)
Phương trình 2.2 là phương trình Bernoulli. Phương trình Bernoulli không phải là một nguyên lí mới mà đơn thuần là một cách phát biểu mới về một nguyên lí quen thuộc (bảo toàn cơ năng).
Từ phương trình 2.2, ta thấy: nếu tốc độ của một hạt chất lưu tăng khi nó đi theo một đường dòng, thì áp suất của chất lưu phải giảm và ngược lại. Nói theo cách khác, ở chỗ nào mà đường dòng bó chặt vào nhau hơn (tức là, ở chỗ mà vận tốc là lớn) thì áp suất là nhỏ và ngược lại.
Phương trình Bernoulli chỉ có giá trị chặt chẽ với chất lưu lí tưởng. Nếu có mặt các lực nhớt thì sẽ có sự tỏa nhiệt. Phương trình sẽ không còn đúng nữa. [2]
2.1.2.4. Một vài ứng dụng của định luật Bernoulli
Dùng dụng cụ như hình 2.1 để đo áp suất tĩnh và áp suất toàn phần của một dòng chảy. Áp suất tĩnh tỉ lệ thuận với độ cao của cột chất lỏng trong ống (bằng ). Áp suất toàn phần tỉ lệ thuận với độ cao của cột chất lỏng trong ống (bằng ) [7].
Hình 2.1: Dụng cụ đo áp suất tĩnh và áp suất toàn phần của một dòng chảy [7] Ống A đo áp suất tĩnh. Ống B đo áp suất toàn phần
b. Đo vận tốc chất lỏng - ống Venturi
Ống Venturi (hay còn gọi là lưu lượng kế Venturi) có cấu tạo như hình 2.2, là dụng cụ để đo tốc độ chảy của chất lưu trong ống dẫn.
Hình 2.2: Sơ đồ ống Venturi [7]
Dùng phương trình Bernoulli và phương trình 2.1, ta có thể chứng minh được vận tốc
𝝊 tại tiết diện S được tính theo công thức: Với ρ là khối lượng riêng của chất lỏng.
Δp: hiệu áp suất tĩnh giữa hai tiết diện S và s, được xác định thông qua Δh [2]. c. Đo vận tốc của máy bay nhờ ống Pitô
Hình 2.3: Ống Pi tô [11]
Áp dụng phương trình Bernoulli, ta được công thức tính như sau: Với ρ là khối lượng riêng của chất lỏng trong ống chữ U
Δh là độ chênh mức chất lỏng của hai nhánh là khối lượng riêng của không khí bên ngoài là gia tốc trọng trường.
d. Giải thích lực nâng cánh máy bay và nguyên tắc hoạt động của bộ chế hòa khí
Hình 2.4: Nguyên tắc cấu tạo của bộ chế hòa khí [11]
Bộ chế hòa khí là một bộ phận trong các động cơ đốt trong dùng để cung cấp hỗn hợp nhiên liệu – không khí cho động cơ. Trong buồng phao A, xăng được giữ ở mức ngang với miệng vòi phun G nhờ hoạt động của phao P. Ống hút không khí có một đoạn thắt lại tại B. Ở đó, áp suất giảm xuống, xăng bị hút lên và phân tán thành những hạt nhỏ trộn lẫn với không khí tạo thành hỗn hợp đi vào xilanh.
2.1.2.5. Những kiến thức bổ sung
Khi nói đến chất lưu, ta không thể không nói đến một số kiến thức liên quan đến nó như kiến thức về lực đẩy Archimedes, kiến thức về sự vận động của chất lưu trong cơ thể
chúng ta (khí, máu,…). Các kiến thức này tuy học sinh đã được học ở bậc THCS (lực đẩy Archimedes) nhưng chỉ mới ở mức độ giới thiệu. Hơn nữa, các kiến thức này rất gần gũi với học sinh và giúp ích rất nhiều cho các em trong cuộc sống. Do đó, chúng tôi muốn bổ sung thêm các kiến thức này để làm cho bức tranh về chất lưu thêm trọn vẹn. Cũng cần nói thêm rằng, tuy được bổ sung thêm kiến thức nhưng thời gian dành cho toàn bộ chương khi học theo phương pháp DHDA vẫn không tăng thêm.
2.1.2.5.1. Lực đẩy Archimedes
Lực đẩy Archimedes là lực tác dụng bởi một chất lưu (chất lỏng hay chất khí) lên một vật nhúng trong nó.
Lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật nhúng trong chất lưu có phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên, độ lớn bằng trọng lượng của khối chất lưu bị vật chiếm chỗ.
Độ lớn của lực đẩy Archimedes bằng tích của trọng lượng riêng của chất lỏng và thể tích bị vật chiếm chỗ:
Trong đó:
• là lực đẩy Archimedes
• d là trọng lượng riêng của chất lỏng
• V là thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ. Nếu thả một vật ở trong lòng chất lỏng thì:
• Vật chìm xuống khi lực đẩy Archimedes nhỏ hơn trọng lượng:
• Vật nổi khi:
• Vật lơ lửng trong chất lỏng khi:
Lực đẩy Archimedes giúp thuyền và khí cầu nổi lên, là cơ chế hoạt động của sự chìm nổi của tàu ngầm hay cá, và đóng vai trò trong sự đối lưu của chất lưu [26].
2.1.2.5.2. Sự vận động của lưu chất trong cơ thể người
a. Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất theo độ sâu trong lòng chất lỏng
Ta đều đã biết áp suất thay đổi theo độ sâu. Áp suất thủy tĩnh của chất lỏng ở độ sâu h so với mặt thoáng bằng tổng của áp suất khí quyển ở mặt thoáng và tích số ρgh. Tích số này
cho biết độ chênh của áp suất ở một điểm có độ sâu h với áp suất một điểm trên mặt thoáng của chất lỏng. Sự thay đổi áp suất theo độ sâu có ý nghĩa rất quan trọng đặc biệt với những người có sở thích lặn.
Phổi của người có thể hoạt động chống lại một độ chênh lệch áp suất khoảng 1/20 atm. Nếu một người thợ lặn dùng ống thở thì người đó chỉ có thể lặn sâu dưới mặt nước tối đa 0,5 m. Nếu muốn lặn sâu hơn, người đó phải sử dụng bình khí nén theo đúng các chỉ dẫn.
Thật vậy, khi người thợ lặn lặn ở độ sâu L, áp suất bên ngoài được xác định bởi
p = p0 + ρgL. Cơ thể anh ta thích nghi với áp suất này bằng cách co lại một chút cho đến khi áp suất bên trong cân bằng với áp suất bên ngoài. Nếu dùng ống thở chiều dài L để thở thì không khí bị nén trong phổi sẽ bị đẩy lên trên theo ống ra ngoài và áp suất không khí trong phổi sẽ nhanh chóng giảm xuống đến áp suất khí quyển. Hiệu áp suất này bằng ρgL và càng lớn nếu càng xuống sâu. Hiệu áp suất này nếu vượt 1/20 atm có thể làm cho phổi xẹp và dồn máu còn đang bị nén chảy vào phổi, tạo ra hội chứng mà ta thường gọi là xung huyết phổi.
Ngay cả khi dùng bình khí nén, nếu người thợ lặn không tuân theo các chỉ dẫn là từ từ thở ra khi ngoi lên để áp suất trong phổi dần cân bằng với áp suất bên ngoài thì anh ta cũng sẽ dễ dàng gặp nguy hiểm [2].
b. Thao tác của Heimlich vận dụng nguyên lý Pascal
Thao tác Heimlich là thao tác dùng để đẩy dị vật bị tắc nghẽn ở cuống họng ra ngoài. Nguyên lí Pascal là cơ sở cho thao tác này, trong đó, một độ tăng áp suất đột ngột, tác dụng chính xác vào bụng sẽ được truyền đến cuống họng và đẩy mạnh dị vật bị tắc nghẽn ở đó [2].
c. Huyết áp
Huyết áp là số đo lực tác động của máu lên thành động mạch. Huyết áp phụ thuộc vào lực bơm máu của tim, thể tích máu được bơm, kích thước cũng như độ đàn hồi của thành động mạch. Các số đo huyết áp thường được tính bằng milimet thủy ngân (mmHg). Huyết áp bao gồm 2 thông số:
Số trên (huyết áp tâm thu):là trị số huyết áp cao nhất khi tim co bóp.
Trong quá trình ăn uống, cholesterol bám vào thành mạch máu, làm thành hẹp lại. Áp suất máu trước chỗ hẹp tăng lên có thể gây ra vỡ mạch máu, dẫn đến các biến chứng vô cùng nguy hiểm [22].
Hình 2.5: Động mạch bình thường và động mạch bị hẹp [23]