Chuyển động li tâm là một chuyển động được sinh ra trong quá trình chuyển động tròn của một hay nhiều vật thể nào đó. Để hiểu rõ hơn về khái niệm chuyển động li tâm là gì và những ứng dụng của chuyển động li tâm, bài viết này sẽ giúp bạn giải đáp những thắc mắc của mình.
1. Chuyển động li tâm là gì?
Các nhà khoa học đã làm một thí nghiệm như sau: Người ta đặt một vật thể lên một chiếc bàn quay và quan sát hai trạng thái của vật thể đó khi được dùng để thí nghiệm. Khi bàn quay chưa quay, đồng thời dưới cả hai tác động của hai lực cân bằng là trọng lực và phản lực của bàn thì vật thể đó đứng yên. Người ta tiến hành cho bàn quay từ từ bằng cách tác động vật lí lên nó, lúc này vật thể được chọn cũng quay theo. Lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực hướng tâm, giữ cho vật thể có thể chuyển động tròn đều, quay theo bàn quay một hình vòng tròn.
Khi đó, người ta nhận ra một điều rằng nếu tốc độ quay của bàn tiếp tục được tăng nhanh và mạnh đến một giá trị lớn hơn nào đó thì lực ma sát nghỉ cực đại nhỏ hơn lực hướng tâm cần thiết (Fht = mω2r) với mục đích là giữ cho vật thể có thể chuyển động tròn đều. Khi đạt đến tốc độ nhất định quá lớn, vật thể đó sẽ trượt trên bàn quay và bị văng ra khỏi bàn quay theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo. Và người ta rút ra kết luận rằng chuyển động khi đó của vật thể được gọi là chuyển động li tâm.
Từ những nội dung trên, người ta có thể rút ra kết luận khái niệm chuyển động li tâm như sau: Chuyển động li tâm là một chuyển động được sinh ra trong chuyển động tròn của một vật thể nào đó, khi lực ma sát nghỉ cực đại không đủ lớn để đóng vai trò của lực hướng tâm, lúc này vật thể đó sẽ trượt trên bề mặt mà nó tiếp xúc rồi văng ra theo một phương tiếp tuyến với quỹ đạo.
2. Ứng dụng của chuyển động li tâm:
Chuyển động li tâm có khá là nhiều ứng dụng. Ứng dụng đầu tiên phải kể đến là ứng dụng như máy vắt li tâm. Người ta đặt một tấm vải ướt vào trong cái lồng bằng lưới kim loại của máy vắt, rồi họ cho máy quay chầm chậm rồi nhanh dần theo một lực nhất định, lúc này lực liên kết giữa nước và vải không đủ lớn để đóng vai trò lực hướng tâm. Khi ấy, người ta quan sát nước đã được đổ vào vải trước đó sẽ tách ra khỏi vải thành nhiều giọt nhỏ li ti và văng ra xung quanh theo lỗ lưới.
– Máy li tâm tốc độ cao sử dụng trong phòng thí nghiệm
– Máy vắt li tâm sử dụng trong các
Tuy nhiên, chuyển động li tâm không phải lúc nào cũng là một ứng dụng tốt, mà cũng có khi con người ta phải tránh chuyển động li tâm. Một ví dụ chứng minh cho điều này như sau: Khi ô tô đi trên đường phẳng đến chỗ cần ngoặt, rẽ, nếu ô tô đó tiếp tục chuyển động với một vận tốc lớn, lúc đó lực ma sát nghỉ cực đại không đủ để đóng vai trò lực hướng tâm cần thiết giữ ô tô chuyển động trên quỹ đạo tròn thì ô tô sẽ bị trượt li tâm, dễ gây
3. Định nghĩa lực hướng tâm, ly tâm, lực quán tính ly tâm:
3.1. Định nghĩa lực hướng tâm:
Để làm cho một vật đi theo một quỹ đạo cong thì lực hướng tâm là một loại lực cần thiết và đóng vai trò vô cùng quan trọng.
Trong cuốn Principia của mình, Isaac Newton đã mô tả lực này 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.
–
Được trích theo định luật một Newton: “Một vật thể ở trạng thái nghỉ sẽ vẫn ở trạng thái nghỉ, và một vật thể đang chuyển động sẽ vẫn chuyển động trừ khi nó bị tác động bởi một ngoại lực”. Điều này có nghĩa là trong một hệ quy chiếu quán tính, khi không có lực nào tác động vào khiến các vật thể bị tăng hoặc giảm tốc hay các vật thể bị đổi hướng thì khi đó các vật thể ấy sẽ chuyển động thẳng đều.
Với một tốc độ không thay đổi mà để nó đi theo một đường tròn thì người ta phải có sự tác dụng một lực hướng tâm liên tục có phương vuông góc với đường đi của nó. Lúc này, bán kính r của đường tròn được xác định bằng tích khối lượng m với bình phương vận tốc v mà chia cho lực hướng tâm F. Công thứ cụ thể như sau:
r = mv²/F
Được trích theo định luật ba Newton: “Khi một vật tác dụng lực lên vật thể thứ hai thì vật thứ hai sẽ tác dụng lại vât thứ nhất một lực cùng độ lớn và ngược chiều”. Điều này có nghĩa lực hướng tâm trong hệ quy chiếu quay sẽ kéo khối lượng của vật vào trong theo một đường cong, trong khi đó nếu theo quán tính thì khối lượng này dường như sẽ bị đẩy ra ngoài là lẽ đương nhiên. Tuy nhiên, khi xét trong trường hợp này thì chỉ có một lực thực sự được tác dụng, còn lực còn lại kia chỉ là lực biểu kiến, đây là một lực không tồn tại.
Từ những nội dung trên, chúng ta có thể khẳng định bản chất của lực ly tâm chính là lực quán tính của lực hướng tâm.
– Ý nghĩa của lực hướng tâm:
Trong quỹ đạo quanh Trái Đất đối với một vệ tinh bay thì lực hướng tâm do lực trọng trường tạo thành giữa vệ tinh và trái đất và có tác dụng lực hướng về khối tâm của hai vật. Lực hướng tâm là thành phần nằm ngang của lực căng dây đối với một vật được gắn vào đầu một sợi dây đang quay theo trục đứng.Lực li tâm lúc này tác dụng hướng về tâm khối lượng giữa trục quay và vật quay. Còn đối với một vật đang xoay quanh chính nó thì lực hướng tâm là lực căng bên trong, với
3.2. Định nghĩa lực li tâm hay còn gọi là lực quán tính li tâm:
– Lực li tâm hay còn được gọi với một cái tên khác là lực quán tính li tâm là một lực quán tính xuất hiện trên mọi vật thể nào đó nằm yên trong hệ quy chiếu quay so với một hệ quy chiếu quán tính. Lực li tâm hay lực quán tính li tâm là hệ quả của trường gia tốc, thường lực này xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính mà hệ quy chiếu quay là hệ quy chiếu mà được đề cập đến trong trường hợp này.
Chúng ta cũng có thể hiểu lực li tâm chính là phản lực của lực hướng tâm tác động vào một vật thể nào đó đang chuyển động theo một đường cong (thành phần lực vuông góc với vận tốc và làm đổi hướng vận tốc), với tác dụng là nhằm giữ cho vật thể đó có thể nằm cân bằng trong hệ quy chiếu quay.
– Tính chất của lực li tâm hay còn gọi là lực quán tính li tâm
Theo lí thuyết người ta nhận định rằng trong một hệ quy chiếu quán tính, khi các vật thể nào đó không bị bất cứ một lực gì tác động vào thì các vật thể ấy sẽ giữ chuyển động thẳng đều. Đây là một chuyển động tự nhiên và tất yếu theo định luật một Newton. Tuy nhiên chuyển động thẳng đều này lệch với chuyển động quay của hệ quy chiếu quay.
Một ví dụ có thể chứng minh cho điều này là ví dụ về một người ngồi đang trong một chiếc xe ô tô đang có ý định chuyển hướng: Lúc này nếu lực ma sát giữa người và ghế không xuất hiện thì người đó sẽ tiếp tục chuyển động thẳng, còn xe ô tô và ghế sẽ đổi hướng theo một hướng khác. Và tất nhiên người ngồi trong xe ô tô lúc này sẽ bị dịch chuyển một cách tương đối và sẽ dần bị lệch khỏi ghế trong xe ô tô.
Đặt các vật thể để nhìn trong hệ quy chiếu quay thì tất cả các vật thể đó vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính sẽ đều bị đẩy ra theo phương xuyên tâm quay. Và nếu quan sát trong hệ quy chiếu này thì lực đẩy các vật thể đó ra chính xác chính là lực li tâm.
– Ý nghĩa của lực ly tâm hay lực quán tính ly tâm
Một điều mà chúng ta có thể cảm thấy, nhận biết được dễ dàng lực này khi chúng ta đang ngồi trong một chiếc xe ô tô đang có ý định chuyển hướng, hay chúng ta đang chơi một trò chơi cảm giác mạnh như xe lao tốc độ, vòng quay tử thần,phi long thần tốc, tháp rơi tự do,….. ở công viên hay những khu vui chơi giải trí chẳng hạn như Sun World,….. Lực này được ứng dụng để tạo nên một trường gia tốc giúp con người ta phân loại các thành phần trong hỗn hợp vật chất như ứng dụng máy phân tích li tâm hay ứng dụng trong đời sống sinh hoạt của con người phục vụ cho mục đích vắt quần áo trong máy giặt,….
