Vật lơ lửng trong nước chịu tác dụng của lực nào? Đáp án B

Câu hỏi: Một vật đang lơ lửng ở trong nước chịu tác dụng của những lực nào?

• A. Trọng lực và lực cản của nước.
• B. Trọng lực và lực đẩy Archimedes.
• C. Lực đẩy Archimedes và lực cản của nước.
• D. Lực đẩy Archimedes và lực ma sát.

Đáp án đúng là B. Trọng lực và lực đẩy Archimedes. Khi một vật lơ lửng trong nước, vật đứng yên nên hai lực trọng lực và lực đẩy Archimedes cân bằng nhau, đúng với điều kiện cân bằng của vật trong chất lỏng.

Vì sao đáp án B đúng?

Một vật lơ lửng trong nước là vật đứng yên tại chỗ, không nổi lên, không chìm xuống. Theo điều kiện cân bằng lực, hợp lực tác dụng lên vật phải bằng 0. Hai lực chi phối trạng thái này là trọng lực P hướng thẳng đứng xuống dưới và lực đẩy Archimedes F_A hướng thẳng đứng lên trên. Khi vật lơ lửng, hai lực này có cùng độ lớn, cùng phương, ngược chiều: P = F_A.

Lực đẩy Archimedes sinh ra do áp suất của chất lỏng tác dụng lên phần vật chìm trong nước, có độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ: F_A = d.V, với d là trọng lượng riêng của chất lỏng và V là thể tích phần chìm. Vật lơ lửng khi trọng lượng riêng của vật bằng trọng lượng riêng của nước, đúng như mô tả trong đề.

Vì sao các phương án còn lại sai?

Ba phương án A, C, D đều đưa vào những lực không phải lực chính quyết định trạng thái lơ lửng. Lực cản của nước và lực ma sát chỉ xuất hiện đáng kể khi vật chuyển động trong chất lỏng, có tác dụng chống lại chuyển động. Với vật lơ lửng — tức đứng yên hoặc chuyển động đều — các lực này bằng không hoặc không đáng kể.

• Phương án A thiếu lực đẩy Archimedes, lại thêm lực cản của nước — không có lực nào cân bằng trọng lực nên vật sẽ chìm xuống.
• Phương án C bỏ mất trọng lực, chỉ còn hai lực nằm ngang/không cân bằng theo phương thẳng đứng, không giải thích được trạng thái đứng yên.
• Phương án D là phương án dễ nhầm nhất: lực ma sát nghe có vẻ hợp lý vì vật “ở trong nước”, nhưng ma sát chỉ có nghĩa khi có chuyển động tương đối giữa vật và nước; khi lơ lửng thì lực này không đáng kể.

Hệ thống kiến thức liên quan

Ba trạng thái của vật trong chất lỏng được phân biệt dựa trên so sánh trọng lực P và lực đẩy Archimedes F_A, tương đương so sánh trọng lượng riêng của vật d_v với trọng lượng riêng của chất lỏng d_l:

• Vật chìm xuống khi P > F_A, tức d_v > d_l.
• Vật lơ lửng khi P = F_A, tức d_v = d_l.
• Vật nổi lên khi P < F_A, tức d_v < d_l; vật nổi cân bằng khi phần chìm chiếm thể tích sao cho F_A đúng bằng trọng lượng vật.

Lực đẩy Archimedes luôn hướng thẳng đứng lên trên, không phụ thuộc độ sâu khi vật đã chìm hoàn toàn, chỉ phụ thuộc trọng lượng riêng chất lỏng và thể tích phần chất lỏng bị chiếm chỗ. Đây là điểm hay bị hiểu nhầm: vật càng xuống sâu không có nghĩa lực đẩy càng lớn, nếu thể tích phần chìm không đổi.

Mẹo ghi nhớ nhanh

Nhớ theo cặp đối kháng: “xuống — lên”. Trọng lực luôn kéo xuống, Archimedes luôn đẩy lên; trạng thái của vật chỉ phụ thuộc hai lực này ai thắng. Lơ lửng = hòa nhau = hai lực cân bằng, nên đáp án luôn là cặp trọng lực và lực đẩy Archimedes. Lực cản và lực ma sát chỉ chen vào khi vật đang chuyển động.