Định nghĩa lực hướng tâm
Lực hướng tâm là một loại lực cần để làm cho một vật đi theo một quỹ đạo cong.
Isaac Newton đã mô tả lực này trong cuốn Principia của ông rằng bất kỳ lực nào (trọng lực, lực điện từ, v.v.) hoặc sự kết hợp các lực với nhau đều có thể đóng vai trò là lực hướng tâm.
Tính chất của lực hướng tâm \(\overrightarrow{F}_{ht}\)
Điểm đặt lên vật
- Có phương trùng với đường thẳng nổi vật và tâm quỹ đạo
- Có chiều từ vật hướng vào tâm quỹ đạo
Độ lớn của lực hướng tâm:
\(F_{ht}=m.a_{ht}=m.\frac{v^{2}}{r}=m.w^{2}r\) với \(a_{ht}=\frac{v^{2}}{r}=w^{2}.r\)
Trong đó:
\(F_{ht}\): lực hướng tâm (N)
\(a_{ht}\): gia tốc hướng tâm (m/s2)
m: khối lượng của vật
r: bán kính quỹ đạo tròn (m)
\(\omega\): tốc độ góc của chuyển động tròn (rad/s)
v: tốc độ dài của chuyển động tròn (m/s)
Ý nghĩa của lực hướng tâm:
Đối với một vệ tinh bay trong quỹ đạo quanh Trái Đất, lực hướng tâm do lực trọng trường tạo thành giữa vệ tinh và trái đất, và tác dụng lực hướng về khối tâm của hai vật. Đối với một vật được gắn vào đầu một sợi dây đang quay theo trục đứng, lực hướng tâm là thành phần nằm ngang của lực căng dây, tác dụng hướng về tâm khối lượng giữa trục quay và vật quay. Đối với một vật đang xoay quanh chính nó, lực căng bên trong là lực hướng tâm giữ cho vật là một khối.
Định nghĩa lực ly tâm hay định nghĩa lực quán tính ly tâm
Lực ly tâm (lực quán tính 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.
Cũng có thể hiểu lực ly tâm là phản lực của lực hướng tâm tác động vào vật đang chuyển động theo một đường cong (thành phần lực vuông góc với vận tốc và làm đổi hướng vận tốc), để giữ cho vật nằm cân bằng trong hệ quy chiếu quay.
Công thức tính lực quán tính ly tâm
\(F_{q}=\frac{m.v^{2}}{r}=m.w^{2}.r\)Trong đó:
F(q): Lực quán tính ly tâm
r: bán kính quỹ đạo tròn (m)
\(\omega\): tốc độ góc của chuyển động tròn (rad/s)
Tính chất của lực ly tâm (hay lực quán tính ly tâm)
Trong hệ quy chiếu quán tính, 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 hệ 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.
Ý nghĩa của lực ly tâm hay lực quán tính ly tâm
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.