Lực Hướng tâm là gì? Công thức tính Lực hướng tâm và Bài tập - Vật lý 10 bài 14

Vậy lực hướng tâm là gì? lực hướng tâm phát biểu như thế nào? Công thức tính lực hướng tâm được viết ra sao? chúng ta cùng tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây.

I. Lực hướng tâm

1. Lực hướng tâm là gì

- Định nghĩa: Lực (hay hợp lực của các lực) tác dụng vào một vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tâm gọi là lực hướng tâm.

2. Công thức tính lực hướng tâm

- Lực hướng tâm có công thức: 

3. Một số ví dụ lực hướng tâm

- Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vệ tinh nhân tạo đóng vai trò lực hướng tâm, giữ cho vệ tinh nhân tạo chuyển động tròn đều quanh Trái Đất

- Đặt một vật trên bàn quay, lực ma sát nghĩ đóng vai trò lực hướng tâm giữ cho vật chuyển động tròn

- Đường ôtô và đường sắt ở những đoạn cong phải làm nghiên về phía tâm cong để hợp lực giữa trọng lực và phản lực của mặt đường tạo ra lực hướng tâm giữ cho xe, tàu chuyển động dễ dàng trên quỹ đạo

- Như vậy: Lực hướng tâm không phải là loại lực mới, mà chỉ là một trong các lực: hấp dẫn, đàn hồi, ma sát hay hợp lực của các lực đó. Vì nó gây ra gia tốc hướng tâm nên gọi là lực hướng tâm.

II. Chuyển động li tâm

1. Chuyển động li tâm là gì

- Khi đặt vật trên bàn quay, nếu bàn quay nhanh quá, lực ma sát nghỉ không đủ lớn để đóng vai trò lực hướng tâm nữa, nên vật trượt ra xa tâm quay của bàn, rồi văng khỏi bàn theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo. Chuyển động như vậy của vật được gọi là chuyển động li tâm.

2. Ứng dụng thực tế của Chuyển động li tâm.

- Chuyển động li tâm có nhiều ứng dụng thực tế, ví dụ: Máy vắt li tâm (quen thuộc là máy giặt ở chế độ vắt, tốc độ quay của lồng giặt lớn làm cho nước văng ra khỏi vải).

3. Chuyển động li tâm cũng có khi cần phải tránh.

- Ví dụ: Khi chạy xe qua những chổ rẽ, chổ quanh, nếu chạy với tốc độ lớn thì lực ma sát nghĩ cực đại không đủ lớn để đóng vai trò lực hướng tâm giữ cho xe chuyển động tròn nên xe sẽ trượt li tâm, dễ gây ra tai nạn giao thông.

III. Bài tập vận dụng lý thuyết lực hướng tâm

* Bài 1 trang 82 SGK Vật Lý 10: Phát biểu và viết công thức của lực hướng tâm.

° Lời giải bài 1 trang 82 SGK Vật Lý 10:

- Phát biểu Lực hướng tâm: là lực hay hợp lực tác dụng vào một vật đang chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tâm gọi là lực hướng tâm.

- Công thức lực hướng tâm: 

* Bài 2 trang 82 SGK Vật Lý 10: a) Lực hướng tâm có phải là một loại lực mới như lực hấp dẫn hay không?

b) Nếu nói (trong ví dụ b SGK) vật chịu 4 lực là:  thì đúng hay sai? Tại sao?

° Lời giải bài 2 trang 82 SGK Vật Lý 10:

a) Lực hướng tâm không phải là loại lực mới, mà chỉ là một trong các lực: hấp dẫn, đàn hồi, ma sát hay hợp lực của các lực đó.

b) Sai, trong trường hợp này vật chỉ chịu tác dụng của 3 lực . Lực ma sát nghỉ đóng vai trò là lực hướng tâm.

* Bài 3 trang 82 SGK Vật Lý 10: Nêu một vài ứng dụng của chuyển động li tâm.

° Lời giải bài 3 trang 82 SGK Vật Lý 10:

¤ Ứng dụng: Lồng vắt quần áo của máy giặt. Khi lồng của máy quay với tốc độ lớn, lực liên kết giữa nước và vải không đủ lớn để đóng vai trò lực hướng tâm. Nên khi đó nước tách ra khỏi vải bắn ra ngoài qua các lỗ lưới của lồng giặt.

- Máy vắt li tâm

- Máy gia tốc li tâm

* Bài 4 trang 82 SGK Vật Lý 10: Một vật có khối lượng m = 20(g) đặt ở mép một chiếc bàn quay. Hỏi phải quay bàn với tần số vòng lớn nhất bằng bao nhiêu để vật không văng ra khỏi bàn? Cho biết mặt bàn hình tròn, bán kính 1(m). Lực ma sát nghỉ cực đại bằng 0,08(N).

° Lời giải bài 4 trang 82 SGK Vật Lý 10:

- Để vật không bị văng ra khỏi bàn thì: F_ht ≤ F_{msn (max)}  (*)

 (Khi F_{msn (max)} ≤ F_ht thì vật bị văng)

- Lực hướng tâm tác dụng vào vật:

 Lại có: ω = 2πf ⇒ F_ht = m(2πf)²r

- Thế vào (*) ta có:  (**)

¤ Theo bài ra, ta có:

 Lực ma sát nghỉ cực đại: (F_msn)_max = 0,08(N); 

 Khối lượng của vật: m = 20(g) = 0,02(kg);

 Bán kính: r = 1(m)

- Thay số liệu vào (**) ta được:

 ⇒ f ≤ 0,318

 ⇒ f_max = 0,318 (vòng/s).

* Bài 5 trang 83 SGK Vật Lý 10: Một ô tô có khối lượng 1200 kg chuyển động đều qua một đoạn cầu vượt (coi là cung tròn) với tốc độ 36 km/h. Hỏi áp lực của ô tô vào mặt đường tại điểm cao nhất (Hình 14.7) bằng bao nhiêu? Biết bán kính cong của đoạn cầu vượt là 50 m. Lấy g = 10 m/s².

 A. 11760 N ;  B. 11950 N;    C. 14400N ;    D. 9600 N;

° Lời giải bài 5 trang 83 SGK Vật Lý 10:

¤ Chọn đáp án: D.9600 N;

¤ Đề bài cho: v = 36km/h = 36.(1000/3600)m/s = 10m/s; R = 50m; m=1200kg; g=10m/s².

- Hợp lực của trọng lực P và phản lực N của mặt cầu vồng tạo ra lực hướng tâm (định luật II Newton) là:

   (*)

- Chọn chiều dương của trục tọa độ hướng theo chiều của P. Chiếu biểu thức (*) lên trục đã chọn ta được:

* Bài 6 trang 83 SGK Vật Lý 10: Một vệ tinh nhân tạo bay quanh Trái Đất ở độ cao h bằng bán kính R của Trái Đất. Cho R = 6400 km và lấy g = 10 m/s² . Hãy tính tốc độ và chu kì quay của vệ tinh.

° Lời giải bài 6 trang 83 SGK Vật Lý 10:

- Khối lượng của Trái Đất và vệ tinh lần lượt là M và m.

- Bán kính của Trái Đất là R = 6400km. Vệ tinh nhân tạo bay quanh Trái Đất ở độ cao h = R => bán kính quỹ đạo tròn của vệ tinh từ vệ tinh đến tâm Trái Đất là: R + h = R + R = 2R.

- Khi vệ tinh chuyển động tròn đều quanh Trái Đất, lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên vệ tinh đóng vai trò là lực hướng tâm, ta có:

 F_hd = F_ht ⇔  (1)

- Mặt khác:  (2)

- Thế (2) và (1), ta có tốc độ quay của vệ tinh là:

- Chu kỳ quay của vệ tinh là: 

* Bài 7 trang 83 SGK Vật Lý 10: Hãy giải thích các chuyện động sau đây bằng chuyển động li tâm:

a) Cho rau đã rửa vào rổ rồi vẩy một lúc thi rau ráo nước.

b) Thùng giặt quần áo của máy giặt có nhiều lỗ thủng nhỏ ở thành xung quanh (Hình 14.8). Ở công đoạn vắt nước, van xả nước mở ra và thùng quay nhanh làm quần áo ráo nước.

° Lời giải bài 7 trang 83 SGK Vật Lý 10:

a) Khi vẩy rau, nước và rau chuyển động tròn (một cung tròn). Nếu vẩy nhanh, lực liên kết giữa nước và rau nhỏ hơn lực hướng tâm cần thiết. Mặt khác rau thì được rổ giữ lại, do đó các giọt nước văng đi.

b) Khi thùng giặt quay nhanh, lực liên kết giữa nước và vài nhỏ hơn lực hướng tâm cần thiết, khi đó nước tách ra khỏi vải và văng ra ngoài qua lỗ lưới của thùng giặt.