LỰC LY TÂM: CÔNG THỨC, CÁCH TÍNH, VÍ DỤ, BÀI TẬP - VẬT LÝ - 2026

Lực ly tâm có xu hướng đẩy các vật quay ra ngoài theo đường cong. Nó được coi là một lực hư cấu, giả hay lực quán tính, vì nó không phải do tương tác giữa các vật thể thực gây ra, mà là biểu hiện của quán tính của các vật thể. Quán tính là đặc tính làm cho các vật thể muốn duy trì trạng thái nghỉ của chúng hoặc chuyển động thẳng đều, nếu chúng có.

Thuật ngữ "lực ly tâm" do nhà khoa học Christian Huygens (1629-1695) đặt ra. Ông tuyên bố rằng chuyển động cong của các hành tinh sẽ có xu hướng dịch chuyển chúng ra xa trừ khi Mặt trời tác động một lực nào đó để giữ chúng lại và ông tính toán rằng lực này tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc và tỷ lệ nghịch với bán kính của chu vi được mô tả.

Hình 1. Khi vào cua, hành khách phải chịu một lực có xu hướng kéo họ ra khỏi xe. Nguồn: Libreshot.

Đối với những người đi ô tô, lực ly tâm hoàn toàn không phải là hư cấu. Hành khách trên xe rẽ phải cảm thấy bị đẩy sang trái, và ngược lại, khi xe rẽ trái, người ta phải chịu một lực tác động sang phải, dường như muốn đưa họ ra khỏi tâm của khúc cua.

Độ lớn của lực li tâm F _g được tính bằng biểu thức sau:

- F _g là độ lớn của lực li tâm

- m là khối lượng của vật

- v là tốc độ

- R là bán kính của đường cong.

Lực là một vectơ, do đó kiểu in đậm được dùng để phân biệt với độ lớn của nó, là một đại lượng vô hướng.

Luôn nhớ rằng F _g chỉ xuất hiện khi chuyển động được mô tả bằng hệ quy chiếu có gia tốc.

Trong ví dụ được mô tả ở phần đầu, ô tô đang quay tạo thành một tham chiếu gia tốc, vì nó cần gia tốc hướng tâm để nó có thể quay lại.

Lực li tâm được tính như thế nào?

Sự lựa chọn của hệ quy chiếu là rất quan trọng đối với sự đánh giá cao của phong trào. Hệ quy chiếu có gia tốc còn được gọi là hệ quy chiếu không quán tính.

Trong loại hệ thống này, chẳng hạn như một chiếc ô tô đang quay, các lực hư cấu như lực ly tâm xuất hiện, nguồn gốc của nó không phải là tương tác thực giữa các vật thể. Một hành khách không thể nói điều gì đã đẩy anh ta ra khỏi khúc cua, anh ta chỉ có thể khẳng định rằng đúng như vậy.

Mặt khác, trong một hệ quy chiếu quán tính, tương tác xảy ra giữa các vật thể thực, chẳng hạn như vật thể đang chuyển động và Trái đất, làm tăng trọng lượng hoặc giữa vật thể và bề mặt mà nó chuyển động, điều này bắt nguồn ma sát và bình thường.

Một người quan sát đứng bên lề đường và quan sát chiếc xe rẽ vào khúc cua là một ví dụ điển hình về hệ quy chiếu quán tính. Đối với người quan sát này, ô tô quay bởi vì một lực hướng vào tâm của đường cong tác dụng lên nó, lực này buộc nó không thể thoát ra khỏi nó. Đây là lực hướng tâm sinh ra do ma sát giữa lốp xe và mặt đường.

Trong hệ quy chiếu quán tính, lực li tâm không xuất hiện. Do đó, bước đầu tiên trong việc tính toán nó là cẩn thận chọn hệ quy chiếu sẽ được sử dụng để mô tả chuyển động.

Cuối cùng, cần lưu ý rằng hệ quy chiếu quán tính không nhất thiết phải ở trạng thái nghỉ, giống như người quan sát đang quan sát chiếc xe rẽ vào khúc cua. Hệ quy chiếu quán tính, được gọi là hệ quy chiếu trong phòng thí nghiệm, cũng có thể chuyển động. Tất nhiên, với tốc độ không đổi đối với một quán tính.

Sơ đồ thân tự do trong hệ thống quán tính và không quán tính

Trong hình bên trái tiếp theo, một người quan sát O đang đứng và nhìn vào O ', người này đang ở trên bệ quay theo hướng chỉ định. Đối với O là hệ quy chiếu quán tính, chắc chắn O 'luôn quay do lực hướng tâm F _c do thành lưới ở mặt sau O' sinh ra.

Hình 2. Một người đứng trên bàn xoay được nhìn từ hai hệ quy chiếu khác nhau: một hệ cố định và một hệ quy chiếu đi với người. Nguồn: Física de Santillana.

Chỉ trong hệ quy chiếu quán tính mới có giá trị áp dụng định luật thứ hai của Newton, trong đó nói rằng lực thuần bằng tích của khối lượng và gia tốc. Và khi làm như vậy, với sơ đồ cơ thể tự do được hiển thị, chúng tôi nhận được:

Tương tự, trong hình bên phải cũng có một biểu đồ vật thể tự do mô tả những gì người quan sát thấy O '. Theo quan điểm của anh ta, anh ta đang ở trạng thái nghỉ ngơi, do đó lực trên anh ta là cân bằng.

Các lực này là: pháp tuyến F mà bức tường tác dụng lên nó, có màu đỏ và hướng vào tâm và lực ly tâm F _g đẩy nó ra ngoài và không bắt nguồn từ bất kỳ tương tác nào, là lực phi quán tính. xuất hiện trong các hệ quy chiếu quay.

Lực ly tâm là giả tưởng, nó được cân bằng bởi một lực thực, lực tiếp xúc hoặc lực pháp tuyến hướng vào tâm. Như vậy:

Ví dụ

Mặc dù lực ly tâm được coi là lực giả, nhưng tác động của nó là khá thực, có thể thấy trong các ví dụ sau:

- Trong bất kỳ trò chơi quay nào trong công viên giải trí, lực ly tâm đều có mặt. Cô ấy đảm bảo rằng chúng tôi “chạy khỏi trung tâm” và đưa ra lực cản liên tục nếu bạn cố gắng đi vào trung tâm của băng chuyền đang di chuyển. Trong con lắc sau, bạn có thể thấy lực ly tâm:

- Hiệu ứng Coriolis phát sinh từ quá trình quay của Trái đất làm cho Trái đất dừng lại là một hệ quy chiếu quán tính. Sau đó, lực Coriolis xuất hiện, là một lực giả làm lệch các vật thể theo phương ngang, như xảy ra với những người cố gắng đi bộ trên bàn xoay.

Bài tập

Bài tập 1

Một ô tô đang rẽ với gia tốc A về bên phải có một món đồ chơi nhồi bông treo trên gương chiếu hậu bên trong. Vẽ và so sánh các sơ đồ thân tự do của đồ chơi nhìn từ:

a) Hệ quy chiếu quán tính của một quan sát viên đứng trên đường.

b) Một hành khách đi trên ô tô.

Giải pháp cho

Một người quan sát đang đứng trên đường nhận thấy đồ chơi đang chuyển động nhanh dần đều với gia tốc A về bên phải.

Hình 3. Sơ đồ thân tự do cho bài tập 1a. Nguồn: F. Zapata.

Có hai lực tác dụng lên đồ chơi: một mặt là lực căng dây T và một mặt quả nặng hướng xuống W. Quả nặng cân bằng với thành phần thẳng đứng của lực căng Tcosθ, do đó:

Thành phần ứng suất theo phương ngang: T. sinθ là lực không cân bằng gây ra gia tốc sang phải, do đó lực hướng tâm là:

Giải pháp b

Đối với một hành khách trên xe, đồ chơi treo ở trạng thái cân bằng và sơ đồ như sau:

Hình 4. Sơ đồ thân tự do cho bài tập 1b. Nguồn: F. Zapata.

Như trong trường hợp trước, trọng lượng và thành phần thẳng đứng của lực căng được bù lại. Nhưng thành phần nằm ngang được cân bằng bởi lực giả định F _g = mA, sao cho:

Bài tập 2

Một đồng xu nằm trên mép của một máy ghi đĩa vinyl cũ, bán kính của nó là 15 cm và nó đang quay với tốc độ 33 vòng / phút. Tìm hệ số ma sát tĩnh nhỏ nhất cần thiết để đồng xu nằm yên tại chỗ, sử dụng hệ quy chiếu liên đới với đồng xu.

Giải pháp

Trong hình là sơ đồ vật thể tự do cho một người quan sát chuyển động với đồng xu. Bình thường N rằng tác động bàn xoay theo chiều dọc lên được sự cân bằng trọng lượng W , trong khi lực lượng ly tâm F _g được bù đắp bởi sự tĩnh _{ma sát} F _{ma sát} .

Hình 5. Sơ đồ cơ thể tự do cho bài tập 2. Nguồn: F. Zapata.

Độ lớn của lực li tâm là mv ² / R, như đã nói lúc đầu, khi đó:

Mặt khác, lực ma sát tĩnh được cho bởi:

Trong đó μ _s là hệ số ma sát tĩnh, một đại lượng không thứ nguyên có giá trị phụ thuộc vào cách các bề mặt tiếp xúc. Thay thế phương trình này là:

Độ lớn của pháp tuyến vẫn phải được xác định, liên quan đến trọng lượng theo N = mg. Thay thế lần nữa:

Quay lại câu lệnh, nó báo cáo rằng đồng xu quay với tốc độ 33 vòng / phút, là vận tốc góc hoặc tần số góc ω, liên quan đến tốc độ tuyến tính v:

Kết quả của bài tập này sẽ giống nhau nếu hệ quy chiếu quán tính được chọn. Trong trường hợp này, lực duy nhất có khả năng gây ra gia tốc hướng vào tâm là lực ma sát tĩnh.

Các ứng dụng

Như chúng ta đã nói, lực ly tâm là một lực hư cấu, không xuất hiện trong các hệ quán tính, là lực duy nhất mà định luật Newton có giá trị. Trong đó, lực hướng tâm có nhiệm vụ cung cấp cho cơ thể một gia tốc cần thiết về tâm.

Lực hướng tâm không phải là một lực khác với những lực đã biết. Ngược lại, chính những lực này lại đóng vai trò của lực hướng tâm khi thích hợp. Ví dụ, lực hấp dẫn làm cho Mặt trăng quay quanh Trái đất, lực căng của một sợi dây mà hòn đá quay, lực ma sát tĩnh và lực tĩnh điện.

Tuy nhiên, vì các hệ quy chiếu gia tốc có rất nhiều trong thực tế, các lực hư cấu có tác dụng rất thực. Ví dụ, đây là ba ứng dụng quan trọng mà chúng có tác dụng hữu hình:

Máy li tâm

Máy ly tâm là dụng cụ được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm. Ý tưởng là làm cho một hỗn hợp các chất quay với tốc độ cao và những chất có khối lượng lớn hơn sẽ chịu một lực ly tâm lớn hơn, theo phương trình được mô tả ở phần đầu.

Khi đó các hạt có khối lượng lớn nhất sẽ có xu hướng di chuyển ra khỏi trục quay, do đó bị tách khỏi các hạt nhẹ hơn, chúng sẽ ở gần tâm hơn.

Máy giặt

Máy giặt tự động có chu kỳ vắt khác nhau. Trong đó, quần áo được quay ly tâm để loại bỏ lượng nước còn lại. Số vòng quay của chu trình càng cao thì quần áo càng ít ẩm vào cuối lần giặt.

Không thể có đường cong

Ô tô vào cua tốt hơn trên đường, vì đường hơi dốc về phía trung tâm của khúc cua, được gọi là cant. Bằng cách này, chiếc xe không phụ thuộc hoàn toàn vào lực ma sát tĩnh giữa lốp xe và mặt đường để hoàn thành lượt rẽ mà không rời khỏi khúc cua.

Người giới thiệu

1. Acosta, Victor. Xây dựng tài liệu hướng dẫn giải bài tập về lực li tâm dành cho học sinh khối V lớp 10. Lấy từ: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Luật chuyển động: Chuyển động tròn. Được khôi phục từ: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Vật lý. Tập 1. Bản thứ 3 bằng tiếng Tây Ban Nha. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Đại học tự trị của Bang Hidalgo. Lực ly tâm. Được khôi phục từ: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Máy li tâm. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.