Lực đẩy là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa lực đẩy

Lực đẩy (buoyant force) là lực tác dụng lên một vật thể khi đặt trong môi trường chất lỏng hoặc khí, hướng lên trên, có cường độ cân bằng một phần hoặc toàn bộ trọng lượng của vật đó. Lực này sinh ra do sự chênh lệch áp suất giữa các điểm nằm trên và dưới bề mặt vật thể tiếp xúc với môi trường bao quanh.

Lực đẩy đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định khả năng nổi của vật thể. Khi lực đẩy lớn hơn hoặc bằng trọng lượng của vật, vật sẽ nổi hoặc duy trì ở trạng thái treo lơ lửng. Ngược lại, khi lực đẩy nhỏ hơn trọng lượng, vật sẽ chìm xuống đáy.

Khái niệm lực đẩy xuất phát từ quan sát thực tiễn và được định nghĩa toán học dựa trên các nguyên lý cơ bản của thủy tĩnh học. Trong các ứng dụng kỹ thuật và khoa học, lực đẩy được tính toán để thiết kế tàu thủy, khinh khí cầu, bè nổi và các hệ thống chứa chất lỏng đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Định luật Archimedes

Định luật Archimedes phát biểu rằng “một vật chìm hoàn toàn hoặc một phần trong chất lỏng chịu một lực đẩy lên bằng trọng lượng chất lỏng mà vật chiếm chỗ”. Nguyên lý này được đặt theo tên nhà toán học và vật lý Hy Lạp cổ đại Archimedes, người khám phá ra hiện tượng này khi tắm trong bồn nước.

Công thức cơ bản thể hiện định luật là:

$F_b = W_{\text{fluid displaced}}$

trong đó F_b là lực đẩy, và W_{fluid displaced} là trọng lượng của chất lỏng bị vật chiếm chỗ. Định luật này áp dụng cho cả vật nổi và vật chìm, miễn là chất lỏng không nén được và ở trạng thái cân bằng tĩnh.

Nguyên nhân vật lý của lực đẩy

Áp suất thủy tĩnh trong chất lỏng tăng theo độ sâu do trọng lượng của lớp chất lỏng phía trên tác dụng xuống. Mặt trên và mặt dưới của vật thể trong chất lỏng chịu áp suất khác nhau: áp suất tại điểm sâu hơn lớn hơn áp suất tại điểm nông hơn.

Sự chênh lệch áp suất này tạo thành một lực tổng hợp hướng lên trên, gọi là lực đẩy. Về bản chất, lực đẩy là kết quả của việc cân bằng giữa áp suất thủy tĩnh và trọng lực của chất lỏng xung quanh.

• Áp suất thủy tĩnh p = ρ g h, trong đó ρ là mật độ chất lỏng, g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu tính từ mặt chất lỏng.
• Chênh lệch áp suất Δp = p_dưới – p_trên sinh lực đẩy F_b = Δp·A, với A là diện tích bề mặt đối ứng.

Công thức tính lực đẩy

Công thức tính lực đẩy theo định luật Archimedes được viết dưới dạng:

$F_b = \rho \, g \, V$

trong đó:

• ρ (rho) là mật độ chất lỏng (kg/m³).
• g là gia tốc trọng trường (m/s²).
• V là thể tích chất lỏng bị vật chiếm chỗ (m³).

Đơn vị của F_b là Newton (N). Khi áp dụng trong thực tế, cần chú ý đo chính xác thể tích chìm và xác định đúng mật độ môi trường.

Biểu thức	Ý nghĩa
Fb = ρ g V	Lực đẩy lên vật bằng tích mật độ, gia tốc trọng trường và thể tích chất lỏng thay thế
p = ρ g h	Áp suất thủy tĩnh tại độ sâu h
Δp = pdưới – ptrên	Chênh lệch áp suất sinh lực đẩy lên vật

Ứng dụng trong chất lỏng

Lực đẩy là yếu tố then chốt trong thiết kế và vận hành các phương tiện nổi như tàu thủy, thuyền, bè và các cấu trúc nổi (pontoon). Khi thiết kế thân tàu, kỹ sư thủy lực phải tính toán thể tích phần chìm sao cho lực đẩy F_b cân bằng trọng lượng tổng thể W, đảm bảo tàu không chìm quá sâu và duy trì ổn định.

Trong công nghiệp hàng hải, tỷ số metacentric height (GM) đánh giá độ ổn định tĩnh của tàu. Độ cao metacenter (M) tỷ lệ thuận với lực đẩy khi tàu nghiêng, giúp tàu tự điều chỉnh tư thế. Các chỉ số này được tính dựa trên mật độ nước biển và hình dạng thân tàu.

Thông số	Ý nghĩa
Fb = ρ g V	Đảm bảo cân bằng trọng lực tàu
GM	Độ ổn định tĩnh của tàu
Loa và mớn nước	Ảnh hưởng diện tích bản cắt và thể tích chìm

Ứng dụng trong khí

Lực đẩy trong môi trường khí làm nên nguyên lý hoạt động của khinh khí cầu, khí cầu và các thiết bị bay tĩnh (aerostat). Khí cầu sử dụng khí nhẹ hơn không khí (helium hoặc hydrogen) để thay thế thể tích in situ, tạo lực đẩy hướng lên.

Chiều cao bay (h) được điều khiển bằng việc tăng giảm thể tích khí bên trong vỏ. Công thức áp suất khí quyển giảm theo cao độ p(h)=p₀e^-ρgh/RT dẫn đến thay đổi lực đẩy, phải liên tục điều chỉnh mật độ khí để duy trì cân bằng.

• Giảm áp suất khí quyển theo độ cao khiến lực đẩy giảm.
• Điều chỉnh thể tích khí (ballast hoặc van xả) để kiểm soát cao độ.
• Vật liệu vỏ phải cách nhiệt và chịu áp suất biến đổi.

Thí nghiệm minh họa

Thí nghiệm cơ bản đo lực đẩy có thể thực hiện bằng cân lực với hai bước: cân vật khô, sau đó cân vật khi ngâm trong chất lỏng. Hiệu số lực cân đọc được chính là lực đẩy F_b.

1. Chuẩn bị cân lực, cốc đựng nước yên tĩnh, và vật mẫu.
2. Cân vật mẫu ngoài không khí (W_air), sau đó nhúng hoàn toàn vào nước và ghi lực (W_water).
3. Tính lực đẩy: F_b = W_air – W_water.

Kết quả thí nghiệm cho thấy F_b xấp xỉ bằng trọng lượng khối lượng nước bị thay thế, minh chứng xác thực định luật Archimedes.

Ảnh hưởng của mật độ và nhiệt độ

Mật độ chất lỏng ρ biến đổi theo nhiệt độ và áp suất, dẫn đến thay đổi lực đẩy. Ví dụ, nước biển có mật độ khoảng 1025 kg/m³ ở 4 °C, giảm xuống 1020 kg/m³ ở 25 °C, làm F_b tương ứng giảm khoảng 0,5 %.

Trong khí, mật độ không khí giảm đáng kể ở cao độ lớn. Ảnh hưởng này cần tính đến khi thiết kế khí cầu hoặc trực thăng tĩnh bay. Bảng ví dụ mật độ nước theo nhiệt độ:

Nhiệt độ (°C)	Mật độ nước (kg/m³)
0	999,87
15	999,10
25	997,05
40	992,20

Giới hạn và giả định

Phân tích lý tưởng lực đẩy thường giả định chất lỏng không nén được, ổn định và không có chuyển động. Trong thực tế, dòng chảy, dao động bề mặt và ma sát có thể làm thay đổi áp suất xung quanh vật.

• Giả định không tính đến lực ma sát và lực cản thủy động học.
• Chất lỏng bất động, không có dao động sóng.
• Thể tích chìm xác định chính xác, không tính đến lỗ rỗng hoặc bong bóng khí.

Trong môi trường thực tế, các hiệu ứng động học và độ nhớt cần được xem xét để tính toán lực đẩy chính xác hơn.

Ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp

Tàu ngầm điều chỉnh lực đẩy tĩnh bằng bình ballast: bơm nước biển vào hoặc xả ra để thay đổi thể tích chìm. Khi bình ballast đầy, trọng lượng tăng, tàu lặn; khi xả nước, lực đẩy vượt trọng lượng, tàu nổi lên.

Trong ngành dầu khí, các bồn chứa dầu khí nổi (SPAR, TLP) sử dụng lực đẩy để duy trì vị trí thẳng đứng trên biển sâu. Các cấu trúc này liên kết với đáy biển bằng dây neo, tận dụng lực đẩy để giảm tải trọng lên kết cấu neo.

1. Bình ballast tàu ngầm: kiểm soát độ sâu lặn nổi.
2. SPAR và TLP: cấu trúc nổi ổn định cho khai thác dầu khí.
3. Vỏ nổi (buoy): thả phao, thùng chứa lưu lượng.

Tài liệu tham khảo

• Britannica. Buoyancy. https://www.britannica.com/science/buoyancy
• NASA Glenn Research Center. Buoyancy and Stability. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/buoy.html
• HyperPhysics. Buoyant Force. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pbuoy.html
• UNESCO. Principles of Fluid Mechanics. https://en.unesco.org