Máy bay trong gió ngang: Hướng mũi, đường bay so với mặt đất và gió
Tìm hiểu cách vận tốc của máy bay so với không khí và vận tốc gió kết hợp để xác định đường bay so với mặt đất. Bao gồm ví dụ HSC Physics có lời giải, các ngộ nhận thường gặp và bài tập nâng cao.
Một máy bay hướng thẳng về phía đông, động cơ duy trì tốc độ ổn định so với không khí, nhưng một người quan sát từ mặt đất lại thấy nó trôi về phía đông bắc.
Không có gì làm mũi máy bay đổi hướng. Vậy làm sao nó có thể chuyển động theo một hướng khác với hướng mà nó đang chỉ tới?
Trước khi đọc tiếp, hãy thử dự đoán. Giả sử máy bay chuyển động về phía đông so với không khí xung quanh với tốc độ \(80\text{ m s}^{-1}\), trong khi gió mang khối không khí đó về phía bắc với tốc độ \(20\text{ m s}^{-1}\). Người đứng trên mặt đất sẽ thấy máy bay chuyển động về phía đông, phía bắc, hay theo một hướng nằm giữa hai hướng đó?
Theo một hướng nằm giữa hai hướng đó. Máy bay có một vận tốc so với không khí, còn bản thân khối không khí đang chuyển động lại có một vận tốc khác so với mặt đất. Người quan sát trên mặt đất thấy sự kết hợp của hai vận tốc này.
Chỉ một ý tưởng đó đã giải thích sự khác nhau giữa hướng mũi máy bay và đường bay so với mặt đất.
01Bắt đầu với hai chuyển động xảy ra đồng thời
Hãy hình dung bạn đang đi thẳng ngang qua một băng chuyền chuyển động ở sân bay.
So với băng chuyền, bạn chuyển động thẳng sang ngang. Nhưng bản thân băng chuyền lại đưa bạn về phía trước. Một người đứng trên sàn cố định sẽ thấy bạn chuyển động theo đường chéo.
Máy bay trong gió cũng hoạt động theo cách tương tự:
- máy bay chuyển động so với không khí xung quanh
- không khí chuyển động so với mặt đất
- do đó, máy bay chuyển động so với mặt đất với một vận tốc kết hợp cả hai chuyển động
Phép so sánh này hữu ích vì nó tách riêng hai chuyển động. Tuy nhiên, nó có giới hạn vì máy bay thực có thể thay đổi tốc độ và hướng, trong khi băng chuyền ở sân bay thường có chuyển động cố định. Dù vậy, đối với các bài toán vectơ HSC, ý tưởng cơ bản về phép cộng này chính xác là điều chúng ta cần.

Ta có thể viết mối quan hệ này dưới dạng
\[ \vec v_{PG}=\vec v_{PA}+\vec v_{AG} \]
trong đó:
- \(\vec v_{PG}\) là vận tốc của máy bay so với mặt đất
- \(\vec v_{PA}\) là vận tốc của máy bay so với không khí
- \(\vec v_{AG}\) là vận tốc của không khí so với mặt đất, tức là vận tốc gió
Các chỉ số dưới nên được đọc theo đúng nghĩa của chúng. \(PG\) nghĩa là “máy bay so với mặt đất”. \(PA\) nghĩa là “máy bay so với không khí”. \(AG\) nghĩa là “không khí so với mặt đất”.
Đây là một phương trình vectơ. Hướng quan trọng không kém độ lớn.
02Hướng mũi máy bay và đường bay so với mặt đất không giống nhau
Hướng mũi máy bay là hướng mà máy bay đang chỉ tới.
Trong mô hình HSC đơn giản hóa, vận tốc của máy bay so với không khí, \(\vec v_{PA}\), nằm theo hướng mũi máy bay.
Đường bay so với mặt đất là hướng mà máy bay thực sự chuyển động trên bề mặt Trái Đất. Đó là hướng của \(\vec v_{PG}\).
Khi không có gió,
\[ \vec v_{AG}=0 \]
nên
\[ \vec v_{PG}=\vec v_{PA} \]
và hướng mũi máy bay trùng với đường bay so với mặt đất.
Khi có gió ngang, nhìn chung chúng không trùng nhau.
Sự khác biệt này rất dễ bị bỏ qua vì trong nhiều bài cơ học trước đó, hướng chuyển động của một vật đơn giản chính là hướng mà vật đang di chuyển. Ở đây, ta phải hỏi: chuyển động so với cái gì?
Cụm từ “so với” chính là phần cốt lõi của vật lý trong bài toán này.
03Ví dụ có lời giải: Một máy bay bay về phía đông thực sự đi theo đường nào?
Một máy bay có vận tốc \(80\text{ m s}^{-1}\) theo hướng chính đông so với không khí. Vận tốc gió là \(20\text{ m s}^{-1}\) theo hướng chính bắc. Hãy tìm tốc độ so với mặt đất và hướng đường bay so với mặt đất của máy bay.
Bước 1
Vận tốc của máy bay so với không khí là
\[ \vec v_{PA}=80\text{ m s}^{-1}\text{ về phía đông} \]
và vận tốc gió là
\[ \vec v_{AG}=20\text{ m s}^{-1}\text{ về phía bắc}. \]
Vì hướng đông và hướng bắc vuông góc với nhau, hai vectơ này tạo thành hai cạnh góc vuông của một tam giác vuông.
Bước 2
Dùng định lý Pythagoras,
\[ \begin{aligned} v_{PG} &=\sqrt{(80)^2+(20)^2}\\ &=\sqrt{6800}\\ &=82.5\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Bước 3
Gọi \(\theta\) là góc lệch về phía bắc so với hướng đông.
\[ \begin{aligned} \tan\theta&=\frac{20}{80}\\ \theta&=\tan^{-1}(0.25)\\ &=14.0^\circ. \end{aligned} \]
Vậy vận tốc của máy bay so với mặt đất xấp xỉ
\[ \boxed{82.5\text{ m s}^{-1}\text{ theo hướng lệch }14.0^\circ\text{ về phía bắc so với hướng đông}}. \]
Máy bay vẫn hướng về phía đông, vì đó là hướng mà mũi máy bay và vận tốc so với không khí chỉ tới. Đường bay so với mặt đất của nó lệch \(14.0^\circ\) về phía bắc so với hướng đông vì khối không khí chuyển động mang máy bay về phía bắc trong khi máy bay bay về phía đông xuyên qua khối không khí đó.
Hãy chú ý một điều hơi bất ngờ: tốc độ so với mặt đất lớn hơn tốc độ \(80\text{ m s}^{-1}\) của máy bay so với không khí. Gió ngang đã bổ sung thêm một thành phần vận tốc, nên độ lớn của vectơ tổng hợp lớn hơn.
04Vì sao phi công phải hướng máy bay ngược vào gió ngang
Giả sử máy bay trong ví dụ trước thực sự cần đi theo một đường bay chính đông so với mặt đất.
Chỉ mũi máy bay về phía đông sẽ không hiệu quả. Thành phần gió hướng bắc sẽ làm máy bay bị lệch.
Phi công nên làm gì?
Một dự đoán dễ nghĩ tới là máy bay nên hướng về phía đông nam, và điều đó là đúng. Máy bay phải có một thành phần vận tốc so với không khí hướng về phía nam, có độ lớn vừa đủ để triệt tiêu chính xác vận tốc gió hướng bắc.
Điều này được gọi là hiệu chỉnh gió.
Ý tưởng quan trọng không phải là ghi nhớ quy tắc “quay ngược chiều gió”. Điều kiện chính xác là
\[ \text{thành phần vận tốc ngang của máy bay}+\text{thành phần vận tốc ngang của gió}=0. \]
Nếu các thành phần đó triệt tiêu nhau, vận tốc tổng hợp so với mặt đất sẽ không có thành phần theo phương ngang.
Hãy tưởng tượng sắp xếp một buổi hẹn đầu hơi vụng về, trong đó một người cứ đi lệch về phía bắc còn người kia cứ kéo cuộc trò chuyện về phía nam. Nếu hai xu hướng đó bằng nhau và ngược chiều, bằng cách nào đó cả hai vẫn có thể tiếp tục đi về phía đông. Phép so sánh này mô tả việc các thành phần vectơ triệt tiêu nhau. Nó không còn hữu ích khi ta bắt đầu hỏi tại sao một trong hai người lại đi như vậy.
05Ví dụ có lời giải: Hướng mũi nào giúp máy bay giữ đường bay về phía đông?
Một máy bay có tốc độ so với không khí là \(100\text{ m s}^{-1}\). Gió thổi về phía bắc với tốc độ \(30\text{ m s}^{-1}\). Phi công muốn đường bay của máy bay so với mặt đất là chính đông. Hãy tìm hướng mũi cần thiết và tốc độ so với mặt đất tương ứng.
Bước 1
Gió đóng góp một thành phần \(30\text{ m s}^{-1}\) về phía bắc.
Để vận tốc tổng hợp so với mặt đất hướng chính đông, vận tốc của máy bay so với không khí phải có một thành phần
\[ 30\text{ m s}^{-1} \]
về phía nam.
Gọi \(\theta\) là góc mà máy bay phải hướng lệch về phía nam so với hướng đông.
Tổng tốc độ của máy bay so với không khí là \(100\text{ m s}^{-1}\), nên
\[ 100\sin\theta=30. \]
Bước 2
\[ \begin{aligned} \sin\theta&=\frac{30}{100}\\ \theta&=\sin^{-1}(0.30)\\ &=17.5^\circ. \end{aligned} \]
Do đó, hướng mũi cần thiết là
\[ \boxed{17.5^\circ\text{ về phía nam so với hướng đông}}. \]
Bước 3
Thành phần hướng đông của máy bay là
\[ \begin{aligned} v_{\text{đông}} &=100\cos(17.5^\circ)\\ &=95.4\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Gió không có thành phần đông-tây, nên đây cũng là tốc độ của máy bay so với mặt đất.
Do đó,
\[ \boxed{v_{PG}=95.4\text{ m s}^{-1}\text{ theo hướng chính đông}}. \]
Phi công hướng máy bay lệch \(17.5^\circ\) về phía nam so với hướng đông, nhưng máy bay lại di chuyển theo hướng chính đông trên mặt đất.
Ở đây cũng có một sự đánh đổi quan trọng. Một phần trong tốc độ cố định \(100\text{ m s}^{-1}\) của máy bay so với không khí đã được dùng để triệt tiêu gió ngang, khiến chỉ còn \(95.4\text{ m s}^{-1}\) theo hướng đông.
06Dùng các thành phần giúp bài toán gió ngang dễ hơn nhiều
Với các vectơ vuông góc đơn giản, một tam giác thường là đủ. Với những hướng phức tạp hơn, hãy phân tích từng vận tốc thành các thành phần.
Chọn chiều dương của \(x\) là hướng đông và chiều dương của \(y\) là hướng bắc.
Khi đó
\[ v_{PG,x}=v_{PA,x}+v_{AG,x} \]
và
\[ v_{PG,y}=v_{PA,y}+v_{AG,y}. \]
Khi đã biết các thành phần của vectơ tổng hợp, độ lớn của nó là
\[ v_{PG}=\sqrt{v_{PG,x}^{\,2}+v_{PG,y}^{\,2}} \]
và hướng của nó có thể được tìm bằng lượng giác.
Ví dụ, nếu
\[ v_{PG,x}=70\text{ m s}^{-1} \]
và
\[ v_{PG,y}=25\text{ m s}^{-1}, \]
thì
\[ v_{PG}=\sqrt{70^2+25^2}=74.3\text{ m s}^{-1}. \]
Góc lệch về phía bắc so với hướng đông là
\[ \theta=\tan^{-1}\left(\frac{25}{70}\right)=19.7^\circ. \]
Vì vậy, vận tốc là \(74.3\text{ m s}^{-1}\), theo hướng lệch \(19.7^\circ\) về phía bắc so với hướng đông.
Quyết định quan trọng nhất luôn giống nhau: phân tích các vận tốc theo cùng các hướng tọa độ, rồi cộng các thành phần tương ứng.
07Hãy cẩn thận với hướng của gió
Trong một phép tính vật lý, vectơ vận tốc gió phải mô tả hướng mà không khí thực sự đang chuyển động.
Vì vậy, nếu không khí chuyển động về phía bắc với tốc độ \(20\text{ m s}^{-1}\), thì
\[ \vec v_{AG}=20\text{ m s}^{-1}\text{ về phía bắc}. \]
Trong cách nói hằng ngày và trong khí tượng học, gió có thể được mô tả theo hướng mà nó thổi từ đó đến. Ví dụ, một cơn “gió nam” thường thổi từ phía nam về phía bắc.
Cách diễn đạt này có thể gây ra một lỗi dấu hoàn toàn có thể tránh được.
Trong một phép tính HSC, hãy chuyển mô tả thành một vectơ thực sự trước khi làm bất kỳ phép toán nào:
Không khí đang chuyển động về hướng nào?
Khi đã biết điều đó, hãy vẽ mũi tên theo hướng ấy.
08Ngộ nhận phổ biến nhất: gió đẩy máy bay sang ngang
Nói rằng “gió đẩy máy bay về phía bắc” đôi khi có thể giúp bạn hình dung kết quả, nhưng đó không phải là mô hình rõ ràng nhất cho các bài toán vận tốc tương đối này.
Phương trình
\[ \vec v_{PG}=\vec v_{PA}+\vec v_{AG} \]
nói về các vận tốc được đo trong những hệ quy chiếu khác nhau. Đây không phải là một phương trình lực.
Sự phân biệt đó quan trọng vì vận tốc và lực trả lời những câu hỏi khác nhau.
Một phép tính vận tốc cho biết chuyển động của máy bay so với không khí kết hợp với chuyển động của không khí so với mặt đất như thế nào.
Một phép tính lực sẽ liên quan đến các đại lượng như lực nâng, lực cản, lực đẩy, gia tốc và các định luật Newton. Những đại lượng này quan trọng để hiểu máy bay thiết lập hoặc thay đổi vận tốc như thế nào, nhưng chúng không cần thiết nếu ta chỉ muốn chuyển từ vận tốc so với không khí sang vận tốc so với mặt đất.
Vì vậy, đừng tự động vẽ một “lực do gió” rồi cố dùng \(F=ma\). Nếu bài toán cho các vận tốc và hỏi về hướng mũi, đường bay hoặc tốc độ so với mặt đất, thì đó thường là một bài toán cộng vectơ.
09Một trường hợp giới hạn hữu ích
Giả sử một máy bay có tốc độ so với không khí là \(50\text{ m s}^{-1}\), và một luồng gió ngang chuyển động về phía bắc với tốc độ \(60\text{ m s}^{-1}\). Phi công có thể chọn một hướng mũi sao cho đường bay so với mặt đất là chính đông không?
Hãy dự đoán trước khi tính.
Để bay theo hướng chính đông, máy bay sẽ cần một thành phần vận tốc so với không khí hướng nam có độ lớn \(60\text{ m s}^{-1}\) để triệt tiêu gió.
Nhưng toàn bộ tốc độ của máy bay so với không khí chỉ là \(50\text{ m s}^{-1}\).
Không thành phần nào của một vectơ có độ lớn \(50\text{ m s}^{-1}\) có thể có độ lớn \(60\text{ m s}^{-1}\).
Vì vậy, điều đó là không thể.
Về mặt toán học, ta sẽ cần
\[ 50\sin\theta=60, \]
suy ra
\[ \sin\theta=1.2. \]
Không có góc thực nào có sin lớn hơn 1.
Đây không chỉ là một lỗi máy tính. Nó có ý nghĩa vật lý: máy bay không thể tạo ra đủ vận tốc ngang so với không khí để triệt tiêu gió.
Đó chính là kiểu suy luận về trường hợp giới hạn giúp biến các phép tính vectơ thành vật lý thực sự.
10Một phương pháp đáng tin cậy cho các câu hỏi HSC
Khi gặp một bài toán về máy bay và gió, hãy làm theo trình tự sau:
Nêu các hệ quy chiếu. Xác định vận tốc của máy bay so với không khí và vận tốc của không khí so với mặt đất.
Viết mối quan hệ vectơ.
\[ \vec v_{PG}=\vec v_{PA}+\vec v_{AG} \]
Chọn hệ tọa độ. Đông-tây và bắc-nam thường thuận tiện.
Phân tích các vectơ nghiêng thành các thành phần.
Cộng các thành phần cùng phương có xét dấu. Các thành phần hướng nam và hướng tây sẽ âm nếu hướng bắc và hướng đông được chọn là dương.
Tìm độ lớn và hướng của vectơ tổng hợp nếu được yêu cầu.
Diễn giải hướng. Nêu rõ đó là hướng mũi máy bay hay đường bay so với mặt đất.
Bước cuối cùng giúp tránh một lỗi phổ biến đến bất ngờ: dựng tam giác đúng nhưng lại gọi sai tên góc.
11Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Một máy bay hướng chính bắc và chuyển động với tốc độ \(90\text{ m s}^{-1}\) so với không khí. Gió chuyển động về phía đông với tốc độ \(40\text{ m s}^{-1}\).
Hãy tìm tốc độ của máy bay so với mặt đất và hướng đường bay so với mặt đất.
Lời giải 1
Máy bay chuyển động với tốc độ xấp xỉ \(\boxed{98.5\text{ m s}^{-1}}\), theo đường bay lệch \(\boxed{24.0^\circ\text{ về phía đông so với hướng bắc}}\).
Vận tốc của máy bay so với không khí và vận tốc gió vuông góc với nhau:
\[ v_{PA}=90\text{ m s}^{-1}\text{ về phía bắc} \]
và
\[ v_{AG}=40\text{ m s}^{-1}\text{ về phía đông}. \]
Dùng
\[ \vec v_{PG}=\vec v_{PA}+\vec v_{AG}, \]
độ lớn của vận tốc so với mặt đất là
\[ \begin{aligned} v_{PG} &=\sqrt{90^2+40^2}\\ &=\sqrt{9700}\\ &=98.5\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Gọi \(\theta\) là góc lệch về phía đông so với hướng bắc. Khi đó
\[ \begin{aligned} \tan\theta&=\frac{40}{90}\\ \theta&=\tan^{-1}\left(\frac{40}{90}\right)\\ &=24.0^\circ. \end{aligned} \]
Hướng mũi của máy bay vẫn là chính bắc, nhưng đường bay so với mặt đất lệch \(24.0^\circ\) về phía đông so với hướng bắc. Cái bẫy ở đây là giả định rằng hướng máy bay đang chỉ tới cũng phải là hướng nó chuyển động so với mặt đất.
Câu hỏi 2
Một máy bay có tốc độ so với không khí là \(150\text{ m s}^{-1}\). Gió chuyển động về phía tây với tốc độ \(45\text{ m s}^{-1}\). Phi công muốn có một đường bay chính bắc so với mặt đất.
Hãy tìm:
a. hướng mũi cần thiết, biểu diễn dưới dạng góc lệch về phía đông so với hướng bắc
b. tốc độ so với mặt đất tương ứng.
Lời giải 2
Hướng mũi cần thiết là \(\boxed{17.5^\circ\text{ về phía đông so với hướng bắc}}\), và tốc độ so với mặt đất tương ứng xấp xỉ \(\boxed{143\text{ m s}^{-1}}\).
Để có đường bay chính bắc so với mặt đất, thành phần đông-tây của vận tốc so với mặt đất phải bằng không.
Gió đóng góp
\[ 45\text{ m s}^{-1}\text{ về phía tây}. \]
Do đó, máy bay phải tạo ra một thành phần bằng về độ lớn,
\[ 45\text{ m s}^{-1}\text{ về phía đông}. \]
Gọi \(\theta\) là góc hướng mũi của máy bay lệch về phía đông so với hướng bắc. Với tốc độ so với không khí là \(150\text{ m s}^{-1}\),
\[ \begin{aligned} 150\sin\theta&=45\\ \sin\theta&=0.300\\ \theta&=17.5^\circ. \end{aligned} \]
Đối với phần a,
\[ \boxed{\theta=17.5^\circ\text{ về phía đông so với hướng bắc}}. \]
Thành phần hướng bắc của vận tốc máy bay so với không khí là
\[ \begin{aligned} v_{\text{bắc}} &=150\cos(17.5^\circ)\\ &=143\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Gió không có thành phần bắc-nam, nên
\[ \boxed{v_{PG}=143\text{ m s}^{-1}\text{ về phía bắc}}. \]
Tốc độ so với mặt đất nhỏ hơn tốc độ so với không khí vì một phần vận tốc của máy bay so với không khí đang được dùng để triệt tiêu gió ngang.
Câu hỏi 3
Một máy bay có tốc độ so với không khí là \(120\text{ m s}^{-1}\) và đang hướng lệch \(20^\circ\) về phía bắc so với hướng đông. Đồng thời, vận tốc gió là \(35\text{ m s}^{-1}\) theo hướng chính nam.
Hãy xác định vận tốc của máy bay so với mặt đất, gồm cả tốc độ và hướng.
Lời giải 3
Vận tốc của máy bay so với mặt đất xấp xỉ \(\boxed{113\text{ m s}^{-1}}\), theo hướng lệch \(\boxed{2.5^\circ\text{ về phía nam so với hướng đông}}\).
Chọn hướng đông là chiều dương của \(x\) và hướng bắc là chiều dương của \(y\).
Vận tốc của máy bay so với không khí có các thành phần
\[ \begin{aligned} v_{PA,x}&=120\cos20^\circ\\ &=112.8\text{ m s}^{-1}, \end{aligned} \]
và
\[ \begin{aligned} v_{PA,y}&=120\sin20^\circ\\ &=41.0\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Vận tốc gió hướng chính nam, nên
\[ v_{AG,x}=0 \]
và
\[ v_{AG,y}=-35\text{ m s}^{-1}. \]
Cộng các thành phần tương ứng,
\[ \begin{aligned} v_{PG,x}&=112.8+0\\ &=112.8\text{ m s}^{-1}, \end{aligned} \]
và
\[ \begin{aligned} v_{PG,y}&=41.0-35\\ &=6.0\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Kết quả này thực ra vẫn hơi lệch về phía bắc so với hướng đông, chứ không phải phía nam. Vì vậy, hướng đúng được tìm từ
\[ \begin{aligned} \theta &=\tan^{-1}\left(\frac{6.0}{112.8}\right)\\ &=3.0^\circ. \end{aligned} \]
Tốc độ so với mặt đất là
\[ \begin{aligned} v_{PG} &=\sqrt{112.8^2+6.0^2}\\ &=113.0\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Do đó,
\[ \boxed{v_{PG}\approx113\text{ m s}^{-1}\text{ theo hướng lệch }3.0^\circ\text{ về phía bắc so với hướng đông}}. \]
Phần suy luận quan trọng nằm ở các dấu. Hướng mũi máy bay tạo ra một thành phần \(41.0\text{ m s}^{-1}\) về phía bắc, trong khi gió chỉ làm giảm thành phần đó đi \(35\text{ m s}^{-1}\). Một bản phác thảo nhanh hoặc kiểm tra các thành phần sẽ giúp tránh kết luận dễ mắc nhưng sai rằng bất kỳ cơn gió hướng nam nào cũng phải làm đường bay so với mặt đất lệch về phía nam so với hướng đông.
Câu hỏi 4
Một máy bay có thể duy trì tốc độ so với không khí là \(70\text{ m s}^{-1}\). Nó cần di chuyển theo một đường bay chính đông so với mặt đất. Gió chuyển động theo hướng chính bắc.
Với mỗi tốc độ gió dưới đây, hãy xác định xem đường bay chính đông có khả thi hay không. Nếu khả thi, hãy tìm hướng mũi cần thiết.
a. \(42\text{ m s}^{-1}\)
b. \(70\text{ m s}^{-1}\)
c. \(75\text{ m s}^{-1}\)
Hãy giải thích lý do vật lý cho bất kỳ trường hợp nào mà việc di chuyển về phía đông là không thể.
Lời giải 4
Đường bay chính đông là khả thi ở phần a, tạo ra trường hợp giới hạn với tốc độ hướng đông bằng không ở phần b, và không thể thực hiện ở phần c.
Để có đường bay chính đông so với mặt đất, máy bay phải tạo ra một thành phần vận tốc so với không khí hướng nam có độ lớn bằng với vận tốc gió hướng bắc.
Đối với phần a,
\[ 70\sin\theta=42. \]
Do đó,
\[ \begin{aligned} \sin\theta&=0.600\\ \theta&=36.9^\circ. \end{aligned} \]
Vì vậy, máy bay phải hướng
\[ \boxed{36.9^\circ\text{ về phía nam so với hướng đông}}. \]
Tốc độ hướng đông so với mặt đất của nó sẽ là
\[ \begin{aligned} v_{PG} &=70\cos36.9^\circ\\ &=56.0\text{ m s}^{-1}. \end{aligned} \]
Đối với phần b,
\[ 70\sin\theta=70, \]
nên
\[ \sin\theta=1 \]
và
\[ \theta=90^\circ. \]
Máy bay sẽ phải hướng chính nam. Toàn bộ tốc độ \(70\text{ m s}^{-1}\) của nó so với không khí sẽ được dùng để triệt tiêu cơn gió \(70\text{ m s}^{-1}\) hướng bắc.
Do đó, thành phần hướng đông của nó sẽ là
\[ 70\cos90^\circ=0. \]
Vì vậy, vận tốc tổng hợp của nó so với mặt đất sẽ bằng không. Nó có thể tránh bị trôi về phía bắc, nhưng thực tế không thể tiến về phía đông. Đây là trường hợp giới hạn.
Đối với phần c, để triệt tiêu gió cần
\[ 70\sin\theta=75, \]
hay
\[ \sin\theta=\frac{75}{70}=1.07. \]
Không có góc thực nào thỏa mãn điều kiện này.
Do đó, một đường bay chính đông là
\[ \boxed{\text{không thể khi tốc độ gió là }75\text{ m s}^{-1}}. \]
Lý do vật lý là máy bay sẽ cần một thành phần vận tốc hướng nam lớn hơn tổng tốc độ \(70\text{ m s}^{-1}\) của nó so với không khí. Không thành phần nào của một vectơ có thể lớn hơn độ lớn của chính vectơ đó.
Điểm tinh tế nằm ở phần b. Chỉ có khả năng triệt tiêu gió ngang vẫn chưa đủ để đảm bảo máy bay có thể di chuyển hữu ích dọc theo đường bay mong muốn. Tại đúng tốc độ gió giới hạn, không còn bất kỳ thành phần nào dành cho chuyển động về phía trước.
Câu hỏi 5
Hai học sinh phân tích cùng một tình huống.
Một máy bay có vận tốc \(100\text{ m s}^{-1}\) theo hướng chính đông so với không khí. Gió chuyển động về phía bắc với tốc độ \(25\text{ m s}^{-1}\).
Học sinh A nói:
“Máy bay phải gia tốc về phía bắc vì vận tốc của nó so với mặt đất có một thành phần hướng bắc.”
Học sinh B nói:
“Máy bay có thể có một thành phần vận tốc không đổi theo hướng bắc so với mặt đất mà không cần có gia tốc hướng bắc.”
Học sinh nào đúng? Hãy giải thích làm thế nào máy bay có thể chuyển động về phía đông bắc với vận tốc không đổi dù hướng mũi của nó vẫn là hướng đông.
Lời giải 5
\[ \boxed{\text{Học sinh B đúng.}} \]
Một thành phần vận tốc hướng bắc không tự động đòi hỏi một gia tốc hướng bắc.
Vận tốc của máy bay so với mặt đất là
\[ \vec v_{PG}=\vec v_{PA}+\vec v_{AG}. \]
Nếu cả vận tốc của máy bay so với không khí và vận tốc gió đều không đổi, thì tổng vectơ của chúng cũng không đổi.
Các thành phần là
\[ v_{PG,x}=100\text{ m s}^{-1} \]
và
\[ v_{PG,y}=25\text{ m s}^{-1}. \]
Vì vậy, máy bay chuyển động với một vận tốc không đổi theo hướng đông bắc so với mặt đất. Do đó, gia tốc của nó so với mặt đất là
\[ \boxed{\vec a=0}. \]
Hướng mũi vẫn có thể là hướng đông vì hướng mũi mô tả hướng của \(\vec v_{PA}\), tức vận tốc của máy bay so với không khí xung quanh. Bản thân khối không khí đang chuyển động mang máy bay về phía bắc so với mặt đất.
Sai lầm của học sinh A là nhầm lẫn vận tốc với gia tốc. Một vật không cần có lực theo hướng của mọi thành phần vận tốc của nó. Chỉ khi vận tốc thay đổi mới cần có gia tốc.
12Ý tưởng này dẫn đến đâu tiếp theo
Các bài toán gió ngang là một ví dụ về vận tốc tương đối, trong đó những người quan sát khác nhau có thể đo được những vận tốc khác nhau cho cùng một vật.
Khi bạn đã quen với việc đọc một phương trình như
\[ \vec v_{PG}=\vec v_{PA}+\vec v_{AG}, \]
cùng cách suy luận đó có thể được dùng cho thuyền đi qua dòng nước, người đi bộ bên trong các phương tiện đang chuyển động, và những chuyển động khác được quan sát từ các hệ quy chiếu khác nhau.
Một thói quen hữu ích là ngừng chỉ hỏi: “Vận tốc của nó là bao nhiêu?” và thay vào đó hỏi: “Vận tốc của nó so với cái gì?”
Đó chính là câu hỏi phân biệt hướng mũi máy bay với đường bay thực tế của nó trên mặt đất.