Kiến thức

Lực ly tâm – Wikipedia tiếng Việt

Lực ly tâm

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới điều hướng

Bước tới tìm kiếm

Lực ly 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 là hệ quy chiếu quay.

Chúng ta cảm thấy lực này khi ngồi trong xe ô tô đang đổi hướng, hay chơi trò cảm giác mạnh như xe lao tốc độ ở công viên. Lực này được ứng dụng để tạo nên một trường

gia tốc

giúp phân loại các thành phần trong hỗn hợp vật chất, như máy

phân tích ly tâm

hay để vắt quần áo trong

máy giặt

.

Trong

hệ quy chiếu

, khi không có lực gì tác động vào các vật thể, chúng giữ chuyển động thẳng đều, theo

định luật 1 Newton

. Tuy nhiên chuyển động thẳng đều này lệch với chuyển động quay của hệ quy chiếu quay. Ví dụ về một người ngồi trong xe ô tô đang đổi hướng: nếu không có

lực ma sát

giữa người và ghế, người sẽ tiếp tục đi thẳng, còn ô tô và ghế đổi hướng. Người bị dịch chuyển, một cách tương đối, lệch khỏi ghế.

Nhìn trong

hê quy chiếu quay

, các vật thể, vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính, bị đẩy ra theo phương xuyên tâm quay. Lực đẩy vật thể ra, quan sát trong hệ quy chiếu này, chính là lực ly tâm.

Xem thêm: Quản lý tài chính tại các trường đại học công lập trực thuộc Bộ Công Thương trong điều kiện thực hiện cơ chế tự chủ tài chính

Công thức[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Hệ quy chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính là một dạng của hệ quy chiếu phi quán tính, vì

chuyển động

của

hệ quy chiếu

này không thẳng đều. Mọi điểm trong hệ quy chiếu quay với

vận tốc góc

không đổi w quanh một tâm cố định so với hệ quy chiếu quán tính.

Véctơ

vận tốc

tại điểm cách tâm quay bán kính r sẽ luôn tiếp tuyến với quỹ đạo tròn của điểm quanh tâm quay, và hướng theo chiều quay. Do sau khi quay hết một góc 2π, điểm hoàn thành một quỹ đạo là

đường tròn

chu vi

dài 2πr, độ lớn không đổi của véctơ vận tốc là wr.

v(t) = {vx(t), vy(t), vz(t)}

Với:

vz(t) = 0
vx(t) = wrcos(wt)
vy(t) = wrsin(wt)

Nếu lấy trục z song song với trục quay; trục x

vuông góc

với trục quay và theo phương nối từ tâm quay đến điểm đang xét vào lúc t = 0; trục y vuông góc với hai trục còn lại.

Như vậy tại một thời điểm bất kỳ, gia tốc của điểm cách tâm r là:

a(t) = d v(t)/dt
{ax(t), ay(t), az(t)} = {dvx(t)/dt, dvy(t)/dt, dvz(t)/dt}

Hay:

az(t) = 0
ax(t) = –w2rsin(wt)
ay(t) = w2rcos(wt)

Như vậy véctơ gia tốc cũng quay tròn với vận tốc góc w, luôn

vuông góc

với véc tơ vận tốc, theo phương luôn hướng vào tâm quay. Nó có độ lớn tỷ lệ với

bình phương

w và với khoảng cách r. Gia tốc trong công thức trên là gia tốc ly tâm, cũng có thể biểu diễn bằng biểu thức:

a = w × (w × r)

với w

véc tơ

vận tốc góc

của chuyển động quay của hệ; r là véc tơ vị trí từ tâm quay đến điểm đang xét gia tốc ly tâm; × là phép

nhân véc tơ

.

Lực quán tính lên vật có khối lượng m tại điểm cách tâm quay r là:

F(t) = – m a(t)
F = –m ω × (ω × r)

với m

khối lượng

vật thể.

Độ lớn của lực là

|F| = mw2r

Còn phương của lực luôn ngược chiếu với gia tốc nghĩa là luôn theo phương ly tâm. Như vậy độ lớn của lực ly tâm

tỷ lệ thuận

với bình phương của vận tốc góc, và với bán kính quay.

Cũng có thể liên hệ với tốc độ thẳng thay cho tốc độ góc:

|F| = m |v|2 / |r|

Như vậy, độ lớn của lực ly tâm

tỷ lệ thuận

với

khối lượng

của vật chuyển động, với

bình phương

của

tốc độ

thẳng, và

tỷ lệ nghịch

với bán kính của đường cong. Phương của lực ly tâm là đường thẳng nối tâm của đường cong với trọng tâm của vật chuyển động, và chiều là từ tâm của đường cong ra phía ngoài.

Công thức trên đúng cho vật thể đứng yên trong hệ quy chiếu quay. Nếu vật thể di chuyển trong hệ quy chiếu quay, lực quán tính mà vật nhận được sẽ là

lực Coriolis

.

Xem thêm: Tục ngữ, ca dao về Vĩnh Phúc-Văn hóa-Cổng thông tin điện tử-Sở Khoa học và Công nghệ

Ứng dụng[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Máy điều tốc ly tâm

, một ứng dụng cổ điển của lực ly tâm

Hệ quy chiếu quay giúp chúng ta có thể tạo ra trường

gia tốc

nhân tạo với độ lớn điều khiển được bằng tốc độ quay và khoảng cách tới tâm quay. Trường gia tốc nhân tạo có thể được ứng dụng các trạm vũ trụ, như

trạm vũ trụ quốc tế

, tạo ra một môi trường giúp phi hành gia có cảm giác về

trọng lượng biểu kiến

, như môi trường sống quen thuộc trên

Trái Đất

. Khả năng điều khiển cảm giác về

trọng lượng biểu kiến

của trường gia tốc ly tâm cũng được ứng dụng trong các trò chơi cảm giác mạnh như

xe lao tốc độ

.

Trong trường gia tốc, vật có

khối lượng riêng

thấp có xu hướng nổi lên trên các vật có khối lượng riêng lớn hơn; giúp phân tích các vật chất thành nhiều thành phần. Đây là ứng dụng trong

máy phân tích ly tâm

. Trường gia tốc ly tâm mạnh trong

máy giặt

giúp vắt khô quần áo khi trống vắt quay nhanh.

Một ứng dụng kinh điển của lực ly tâm trong

cơ khí

bộ điều tốc ly tâm

. Khi tốc độ quay của

động cơ

tăng, các quả nặng (miêu tả trong hình vẽ) chịu lực ly tâm lớn hơn, văng xa ra hơn và khép lại đường ống

nhiên liệu

của động cơ (hoặc, một cách tổng quát, giảm nguồn

năng lượng

cho động cơ); điều này dẫn đến tốc độ động cơ giảm lại. Khi tốc độ động cơ xuống thấp, lực ly tâm lên các quả nặng giảm, các quả nặng bị

trọng lực

kéo xuống và mở rộng đường ống nhiên liệu; điều này làm tốc độ động cơ tăng trở lại. Đây là một ví dụ của

hoàn ngược âm

, giúp điều tiết và giữ tốc độ quay của động cơ ổn định. Lực ly tâm cũng được dùng trong

bộ ly hợp

tự động của một số

xe máy

hay

ô tô

. Khi tốc độ quay của động cơ đạt đến ngưỡng thích hợp, lực ly tâm lên các quả nặng trong bộ ly hợp sẽ đủ lớn đến khép chặt các tiếp xúc và chuyển bộ ly hợp sang trạng thái truyền lực khiến xe chuyển bánh. Khi tốc độ động cơ dưới ngưỡng, lực ly tâm không đủ lớn và bộ ly hợp ngắt lực truyền, giúp xe đứng tại chỗ nhưng động cơ vẫn nổ máy.

Giải thích một số hiện tượng trong thực tế:

  • Các vệ tinh nhân tạo, mặt trăng có thể chuyển động tròn đều (gần tròn) quanh Trái Đất là nhờ lực hướng tâm (lực hấp dẫn) tuy nhiên mặt trăng và các vệ tinh nhân tạo không rơi vào Trái Đất là nhờ tốc độ chuyển động đủ lớn tạo ra lực quán tính ly tâm cân bằng với lực hút của Trái Đất.
  • Các hành tinh chuyển động với quỹ đạo gần tròn quanh mặt trời là nhờ lực hấp dẫn của mặt trời đối với các hành tinh đóng vai trò lực hướng tâm, đồng thời chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời cũng tạo ra lực quán tính ly tâm nhờ đó mà các hành tinh không bị hút về phía mặt trời.
  • Vào các khúc cua tròn trên đường, người ta thường làm mặt đường dốc nghiêng ra ngoài để tránh trường hợp các vào cua với tốc độ lớn lực quán tính ly tâm sẽ làm xe bị trượt ra khỏi đường.
  • Các vận động viên ném tạ dây trước khi ném thường quay tròn để tạo ra hướng tâm và lực quán tính ly tâm lớn sau đó buông tay để tạ có thể bay xa hơn.
  • 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 ly 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 lý chung của các loại máy ly tâm.

Xem thêm: TÓM TẮT LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP CHUYỂN ĐỘNG CƠ-CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU

Xem thêm[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • Lực

  • Lực hướng tâm

  • Lực Coriolis

Tham khảo[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Lấy từ “

https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Lực_ly_tâm&oldid=64984814

Chuyên mục: Kiến thức

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Check Also
Close
Back to top button