Lực hướng tâm là gì? Công thức tính lực hướng tâm?

1. Lực hướng tâm là gì? 

Lực hướng tâm, trong ngữ cảnh của vật lý, đề cập đến một khía cạnh quan trọng của sự chuyển động tròn và sự tác động của lực đối với vật chuyển động trên một quỹ đạo vòng tròn, dẫn tới gia tốc hướng tâm. Lực hướng tâm không chỉ đơn thuần là một khái niệm tĩnh về lực tác động lên vật, mà còn thể hiện một loạt các thông tin sâu xa về cách vật đó tương tác với môi trường xung quanh.

Lực hướng tâm không nên được hiểu là một lực mới, hoàn toàn riêng biệt và không có các tính chất riêng như các loại lực khác. Thay vào đó, lực hướng tâm nằm trong bối cảnh tổng thể của vật chuyển động tròn và là sự kết hợp của các lực khác, như lực ma sát, lực hấp dẫn và các lực tương tác khác.

Một số ví dụ minh họa sự tác động của lực hướng tâm trong thực tế:

– Trong trường hợp đặt một vật lên một bàn quay và lực ma sát tĩnh đóng vai trò lực hướng tâm, lực này giữ cho vật duy trì chuyển động tròn thường gọi là “luân phiên”. Lực ma sát này cung cấp lực tác động vào vật, giúp duy trì hướng tâm và ngăn vật rơi ra khỏi quỹ đạo.

– Khi vệ tinh nhân tạo quay quanh Trái Đất, lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vệ tinh đóng vai trò lực hướng tâm. Đây là lực tác động vào vệ tinh và giúp nó duy trì quỹ đạo vòng tròn xung quanh Trái Đất.

– Trên các đoạn đường cong của đường ô tô và đường sắt, cần phải làm nghiêng đường về phía tâm cong để tạo ra lực hướng tâm. Điều này giúp kết hợp lực trọng và lực phản của mặt đường để tạo ra lực hướng tâm, giúp xe và tàu chuyển động mượt mà trong quỹ đạo.

Như vậy, lực hướng tâm không chỉ là một khái niệm cơ bản về vật lý, mà còn đối chiếu với các yếu tố môi trường, khối lượng và gia tốc để tạo ra sự cân bằng và duy trì chuyển động tròn của vật.

2. Công thức tính lực hướng tâm:

Công thức tính lực hướng tâm là một công cụ quan trọng trong việc hiểu và phân tích cơ cấu của sự chuyển động tròn, nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự tác động của lực lên các vật đang tham gia trong quá trình này. Lực hướng tâm, cũng như các loại lực khác, được đo bằng đơn vị Newton (N), vốn là đơn vị cơ bản trong hệ đo lường SI.

Công thức tính lực hướng tâm được thể hiện bằng một loạt biểu thức và biến số có ý nghĩa đặc biệt trong ngữ cảnh của vật lý. Cụ thể, công thức này là:

Fht = m.aht = m.v² /r = m.w².r

Trong đó:

Fht: là lực hướng tâm, được đo bằng đơn vị N (Newton).

m: là khối lượng của vật, được đo bằng đơn vị kg (kilogram).

aht: là gia tốc hướng tâm, có đơn vị m/s² (mét trên giây bình phương).

$v$ là tốc độ dài của vật trong quá trình chuyển động tròn đều, với đơn vị m/s (mét trên giây).

$w$ là tốc độ góc của vật trong chuyển động tròn đều, có đơn vị rad/s (radian trên giây).

$r$ là bán kính của quỹ đạo tròn, với đơn vị là mét (m).

Mô hình lực hướng tâm được mô tả bằng những biến số này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến lực hướng tâm. Gia tốc hướng tâm là sự biểu thị của tốc độ thay đổi hướng trong chuyển động tròn và chính là nguyên nhân gây ra lực hướng tâm. Thêm vào đó, tốc độ dài và tốc độ góc đều đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực hướng tâm, cùng với bán kính của quỹ đạo tròn.

Điều này thể hiện mối liên hệ phức tạp giữa các yếu tố vật lý trong chuyển động tròn và lực hướng tâm, và chúng ta có thể sử dụng công thức này để phân tích và dự đoán sự ảnh hưởng của lực hướng tâm trong các tình huống thực tế khác nhau.

3. Đặc điểm của lực hướng tâm:

Lực hướng tâm là một khía cạnh quan trọng trong nghiên cứu vật lý, mang theo nhiều đặc điểm và khía cạnh giúp ta thấu hiểu sâu hơn về cơ cấu của sự chuyển động tròn và sự tương tác giữa các yếu tố vật lý.

Đặc điểm đầu tiên của lực hướng tâm là hướng tác động của nó. Lực này luôn hướng vào tâm quay của quỹ đạo và có phương của bán kính quỹ đạo, với tâm quay là điểm đặt của vật. Điều này thể hiện rõ rằng lực hướng tâm luôn tác động vào trung tâm của quỹ đạo tròn, tạo ra một áp lực đồng tâm đẩy vật tiến về phía tâm quay.

Tuy nhiên, điều thú vị về lực hướng tâm là nó không phải là một loại lực độc lập, mà thực chất là kết quả của hợp lực các lực khác đang tác động lên vật. Chẳng hạn, trong trường hợp của vật đang quay tròn trên bàn quay, lực hướng tâm thường bao gồm cả lực ma sát và lực hấp dẫn. Sự kết hợp này tạo nên lực hướng tâm, đẩy vật về phía tâm quay và duy trì quỹ đạo của nó.

Thêm vào đó, lực hướng tâm còn liên quan chặt chẽ đến gia tốc hướng tâm. Gia tốc này đại diện cho mức độ thay đổi của tốc độ trong chuyển động tròn và là một yếu tố quan trọng tạo nên lực hướng tâm. Gia tốc hướng tâm được tạo ra bởi sự kết hợp của tốc độ dài của vật và bán kính của quỹ đạo. Điều này tương ứng với sự tác động của lực lên vật, tạo ra gia tốc hướng tâm và duy trì sự cân bằng trong chuyển động tròn.

Tóm lại, lực hướng tâm không chỉ đơn thuần là một lực tác động vào tâm quay và có phương của bán kính quỹ đạo. Nó phản ánh sự tương tác phức tạp giữa nhiều yếu tố vật lý, tạo ra một sự kết hợp vững chắc của các lực khác nhau để duy trì và điều khiển sự chuyển động tròn. Lực hướng tâm thể hiện rõ bản chất liên quan và tương quan giữa lực và chuyển động trong thế giới vật lý.

4. Bài tập về lực hướng tâm:

4.1. Bài trắc nghiệm: 

1. Lực hướng tâm tác động vào: a) Bề mặt đất b) Đối tượng đang quay c) Hướng ngược lại với tâm quay d) Hướng theo tâm quay

2. Lực hướng tâm phụ thuộc vào: a) Khối lượng vật và bán kính quỹ đạo b) Gia tốc trọng trường c) Độ lớn vận tốc của vật d) Chiều dài quỹ đạo

3. Gia tốc hướng tâm trong chuyển động tròn đều phụ thuộc vào: a) Bán kính quỹ đạo b) Độ lớn vận tốc của vật c) Khối lượng vật d) Cả a, b và c

Đáp án:

1. d) Hướng theo tâm quay

2. a) Khối lượng vật và bán kính quỹ đạo

3. d) Cả a, b và c

4.2. Bài tự luận: 

1. Hãy giải thích sự liên quan giữa lực hướng tâm, tốc độ và bán kính quỹ đạo trong chuyển động tròn đều.

2. Tại sao lực hướng tâm được gọi là một lực tương đối?

3. Mô tả cách mà lực hướng tâm tác động lên vật đang chuyển động tròn đều.

Đáp án:

1. Trong chuyển động tròn đều, lực hướng tâm (Fht) tỉ lệ thuận với khối lượng của vật (m) và bình phương của tốc độ dài của vật (v). Đồng thời, nó tỉ lệ nghịch với bán kính của quỹ đạo (r). Cụ thể:

Fht​=rm⋅v2​.

2. Lực hướng tâm không phải là một lực mới, mà thực chất là kết quả của các lực khác tác động lên vật đang chuyển động tròn. Nó là hợp lực của các lực này.

3. Lực hướng tâm tác động vào vật theo hướng hướng tâm, tức là hướng vào tâm quay. Điều này duy trì vật trong quỹ đạo, ngăn chặn nó rơi ra khỏi đường tròn. Lực hướng tâm cũng tạo ra gia tốc hướng tâm (aht), là gia tốc trong hướng vuông góc với tốc độ và hướng vào tâm quay.

Bài 1: Xe đạp của 1 vận động viên chuyển động thẳng đều với v = 36 km/h. Biết bán kính của lốp bánh xe đạp là 40 cm. Tính tốc độ góc và gia tốc hướng tâm tại một điểm trên lốp bánh xe.

Lời giải:

Bài 2: Vệ tinh A của Việt Nam được phòng lên quỹ đạo ngày 19/4/2008. Sau khi ổn định, vệ tinh chuyển động tròn đều với v = 2.21 km/h ở độ cao 24000km so với mặt đất. Bán kính Trái Đất là 6389 km. Tính tốc độ góc, chu kì, tần số của vệ tinh.

Lời giải:

v = 2,21 km/h = 0,61 m/s

r = R + h = 24689 km = 24689.10³ m

ω = v.r = 15060290 rad/s

Chu kì:

Tần số: f = 1/T = 2398135 vòng/s

Bài 3: Một đồng hồ treo tường có kim giờ dài 2,5 cm, kim phút dài 3 cm. So sánh tốc độ góc, tốc độ dài của 2 đầu kim nói trên.

Lời giải:

– Đối với kim giờ:

 

suy ra v_h = r.ω = 2.5.10^-2.1.45.10^-4 = 3.4.10^-6 m/s

– Đối với kim phút:

Bài 4: Một vệ tinh quay quanh Trái Đất tại độ cao 200 km so với mặt đất. Ở độ cao đó g = 9,2 m/s². Hỏi tốc độ dài của vệ tinh là bao nhiêu?