Lực hướng tâm (Phần 1)

LỰC HƯỚNG TÂM

A)Tóm tắt lý thuyết:

1,Định nghĩa:

-Lực (hay hợp lực của các lực) tác dụng vào một vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tâm gọi là lực hướng tâm.

2,Công thức:

                                                   ${{F}_{ht}}=m.{{a}_{ht}}=\frac{m{{v}^{2}}}{r}=m{{\omega }^{2}}r$

Trong đó: ${{F}_{ht}}$ là lực hướng tâm (N).

                   m là khối lượng của vật (kg).

                   ${{a}_{ht}}$ là gia tốc hướng tâm (m/s$^{2}$).

                    v là tốc độ dài của vật chuyển động tròn đều (m/s).

                    r là bán kính quỹ đạo tròn (m).

                    $\omega $ là tốc độ góc của vật chuyển động tròn đều (rad/s).

3,Lực quán tính li tâm:

-Lực li tâm (lực quán tính li tâm) là một lực quán tính xuất hiện trên mọi vật nằm yên trong hệ quy chiếu quay so với một hệ quy chiếu quán tính.Nó là hệ quả của trường gia tốc, xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính mà trong trường hợp này gọi là hệ quy chiếu quay.

-Hệ quy chiếu gắn với vật quay đều quanh một trục gọi là hệ quy chiếu quay.

-Trong hệ quy chiếu quay đều, ngoài các lực do các vật khác gây ra, mỗi vật còn chịu thêm một lực quán tính li tâm, lực này ngược chiều với lực hướng tâm và có độ lớn bằng lực hướng tâm:

                                                        $\overrightarrow{{{F}_{q}}}=-m.\overrightarrow{{{a}_{ht}}}$

-Lực quán tính li tâm có cùng độ lớn với lực hướng tâm:

                                                 ${{F}_{q}}={{F}_{ht}}=m.\frac{{{v}^{2}}}{r}=m.{{\omega }^{2}}.r$

-Khi lực hướng tâm không đủ lớn để giữ cho vật chuyển động tròn đều trên quỹ đạo, vật sẽ bị văng ra khỏi quỹ đạo chuyển động tròn, chuyển động đó được gọi là chuyển động li tâm (rời tâm).

4,Ứng dụng:

-Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vệ tinh nhân tạo đóng vai trò lực hướng tâm, giữ cho vệ tinh nhân tạo chuyển động tròn đều quanh Trái Đất.

-Đặt một vật trên bàn quay, lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực hướng tâm giữ cho vật chuyển động tròn.

-Đường ô tô và đường sắt ở những đoạn cong phải làm nghiêng về phía tâm cong để hợp lực giữa trọng lực và phản lực của mặt đường tạo ra lực hướng tâm giữ cho xe, tàu chuyển động dễ dàng trên quỹ đạo.

-Các máy giặt hiện đại thường sử dụng chuyển động quay tròn của động cơ để tạo ra chuyển động tròn của lồng giặt, khi quần áo được giặt xong chuyển động tròn tạo ra lực quán tính li tâm đẩy văng các hạt nước dính trên quần áo ra khỏi lồng giặt thông qua các lỗ nhỏ nhờ đó mà quần áo được vắt khô hơn so với giặt tay. Đây cũng là nguyên lí chung của các loại máy li tâm.

Lưu ý: Trong thực tế tất cả các chuyển động tròn đều hoặc gần tròn đều có lực hướng tâm và lực quán tính li tâm.

B)Ví dụ minh họa:

Chọn đáp án A.

                                                               Hướng dẫn

A, C, D – đúng

B – sai vì : Không phải xe chuyển động vào một đoạn đường cong lực đóng vai trò hướng tâm luôn là lực ma sát.

Chọn đáp án B.

                                                          Hướng dẫn

Ta có: Lực (hay hợp lực của các lực) tác dụng vào một vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tâm gọi là lực hướng tâm.

A – sai vì vật có thể chịu tác dụng của nhiều lực.

B – đúng.

C – sai vì lực hướng tâm không phải là lực mới.

D – sai vì hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên vật hướng vào tâm.

Chọn đáp án B.

                                                           Hướng dẫn

Lực (hay hợp lực của các lực) tác dụng vào một vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tâm gọi là lực hướng tâm.

Chọn đáp án A.

                                                             Hướng dẫn

Có lực hướng tâm khi vật chuyển động cong.

Chọn đáp án B.

                                                            Hướng dẫn

Từ biểu thức tính lực hướng tâm: ${{F}_{ht}}=m.{{a}_{ht}}=m\frac{{{v}^{2}}}{r}=m.{{\omega }^{2}}r$

Ta suy ra, khi bán kính quỹ đạo tăng gấp 2 lần so với trước và giảm tốc độ quay còn một nửa thì so với ban đầu, lực hướng tâm giảm đi 2 lần.

Chọn đáp án C.

                                                         Hướng dẫn

Ta có, lực hướng tâm: ${{F}_{ht}}=m.{{a}_{ht}}=m.\frac{{{v}^{2}}}{r}$ = 0,4 N

Chọn đáp án D.

                                                           Hướng dẫn

+Hợp lực tác dụng lên ô tô: $\overrightarrow{F}=\overrightarrow{P}+\overrightarrow{N}$

+Chiếu lên phương hướng tâm, ta được: ${{F}_{ht}}=P-N=m\frac{{{v}^{2}}}{r}$

Ta suy ra: $N=P-m\frac{{{v}^{2}}}{r}=mg-m\frac{{{v}^{2}}}{r}=4000.10-4000\frac{{{20}^{2}}}{100}$ = 24000 N

Chọn đáp án D.          

C)Bài tập tự luyện:

Câu 1: Chọn câu sai trong các câu sau:

A.Khi xe chạy qua cầu cong thì luôn có lực nén trên mặt cầu.

B.Khi ô tô qua khúc quanh thì hợp lực tác dụng có thành phần hướng tâm.

C.Lực hướng tâm giúp ô tô đi qua khúc quanh an toàn.

D.Lực nén của ô tô khi đi qua cầu phẳng luôn cùng hướng với trọng lực.

Câu 2: Ở những đoạn đường vòng mặt đường được nâng lên một bên. Việc làm này nhằm vào cái gì sau đây?

A.Tạo lực hướng tâm để xe chuyển hướng.

B.Tăng lực ma sát để khỏi trượt.

C.Giới hạn vận tốc của xe.

D.Cho nước mưa thoát dễ dàng.

Câu 3: Một tài xế điều khiển một ô tô có khối lượng 1000 kg chuyển động quanh vòng tròn có bán kính 100 m nằm trên một mặt phẳng nằm ngang với vận tốc có độ lớn là 10 m/s. Lực ma sát cực đại giữa lốp xe và mặt đường là 900 N. Ô tô sẽ:

A.Chưa đủ cơ sở để kết luận.

B.Trượt ra khỏi đường tròn.

C.Trượt vào phía trong đường tròn.

D.Chạy chậm lại vì lực hướng tâm.

Câu 4: Một vật khối lượng m đặt trên đĩa quay đều với vận tốc góc $\omega $. Vật đã vạch nên đường tròn bán kính R. Vật đã chuyển động tròn nên lực đóng vai trò lực hướng tâm là:

A.Trọng lực.

B.Phản lực của đĩa.

C.Lực ma sát nghỉ.

D.Hợp lực của 3 lực trên.

Câu 5: Một vật đặt trên toa tàu đang chuyển động đều trên một đoạn đường vòng. Vật sẽ chịu tác dụng của lực quán tính li tâm nếu xét trong hệ qui chiếu gắn với vật nào sau đây:

A.Mặt đất.

B.Đường ray.

C.Toa tàu.

D.Vật bất kì.

Đáp án:

1	2	3	4	5
C	B	B	D	C

 

 

Bài viết gợi ý: