Lực Hướng Tâm Là Gì? Công Thức Tính - Hoàng Vina

Lực hướng tâm là gì? Công thức tính lực hướng tâm là gì? Và những đặc điểm của loại lực này sẽ được tổng hợp qua bài sau. Hy vọng giải đáp được những thông tin quý khách đang cần.

1. Lực hướng tâm là gì?

Lực hướng tâm là gì? đó là lực tác dụng vào một vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tâm.

Chú ý: Lực hướng tâm không phải là lực mới không có tính chất riêng như các lực khác.

Ví dụ về 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 nghỉ đóng vai trò lực hướng tâm giữ cho vật chuyển động tròn.

Đường ô tô 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 trong quỹ đạo.

2. Đặc điểm của lực hướng tâm

Bản chất thật sự của lực hướng tâm không phải là một loại lực mới mà nó là hợp lực của các lực đã tác dụng vào vật. Đồng thời giữ cho vật chuyển động tròn đều gây ra một gia tốc hướng tâm cho vật đó.

Lực hướng tâm có chiều hướng vào tâm quay và có phương của bán kính quỹ đạo, với điểm đặt tại vật.

Ví dụ: Hợp lực của lực căng dây cùng trọng lực có vai trò lực hướng tâm. Lực này có chiều hướng vào tâm quay O và có phương bán kính.

3. Công thức tính lực hướng tâm

Lực hướng tâm cũng giống các lực khác có đơn vị là Newton (N)

Công thức tính lực hướng tâm:

Fht = m.aht = m.v² /r = m.w².r

Trong đó

• Fht: là lực hướng tâm có đơn vị N
• m: khối lượng của vật có đơn vị kg
• aht: gia tốc hướng tâm có đơn vị m/s²
• V: tốc độ dài của vật chuyển động tròn đều với đơn vị m/s
• r: là bán kính quỹ đạo tròn với đơn vị m
• w: tốc độ góc của vật chuyển động tròn đều có đơn vị là rad/s

4. Chuyển động li tâm là gì?

Chuyển động li tâm là chuyển động lệch ra khỏi quỹ đạo tròn theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo của vật.

Chuyển động li tâm được ứng dụng phổ biến nhất là máy vắt li tâm trong máy giặt. Khi cho máy quay nhanh, lực liên kết giữa nước và vải không đủ lớn để đóng vai trò là lực hướng tâm. Khi đó nước tách ra khỏi vải thành giọt và bắn ra ngoài.

5. Bài tập về lực hướng tâm

Ở phần trên chúng ta đã tìm hiểu về lực hướng tâm là gì? Cũng như những đặc điểm xoay quanh chúng. Vậy hãy cùng làm một số bài tập dưới đây để xem bạn nắm bắt được bao nhiêu nhé.

Dạng 1: Tính lực hướng tâm

Áp dụng công thức ở chuyển động tròn đều:

• Chu kỳ: T = 2π/ω
• Tần số: f=1/T=ω/2π
• Tốc độ góc: ω=v/r=2π/T=f/2π
• Lực hướng tâm: Fht=m.aht
• Gia tốc hướng tâm:  aht =v2r=r.ω2
• Công thức liên hệ giữa tốc độ dài với tốc độ góc: v=rω

Ví dụ 1: Xe đạp của một vận động viên đang chuyển động thẳng đều với vận tốc v = 36km / h. Giả sử bán kính của lốp là 40 cm. Tính vận tốc góc với gia tốc hướng tâm ở một điểm trên lốp.

Vận tốc của xe đạp cũng là tốc độ dài của một điểm ở trên lốp xe: v = 36km/h = 10m/s

Tốc độ góc: ω=vr=10/0,4=25rad/s

Gia tốc hướng tâm tại một điểm của lốp bánh xe là: aht=v2r=250m/s2

Dạng 2:Tính độ biến dạng của lò xo khi vật chuyển động tròn quanh 1 điểm cố định

Lực hướng tâm đóng vai trò là một lực đàn hồi. Áp dụng công thức: Fđh = Fht hoặc Fms = Fht

Bài tập vận dụng:

Bài tập: Vật có khối lượng 100g gắn với đầu lò xo có chiều dài tự nhiên l = 20cm; k = 20 N/m. Cho hệ lò xo và vật quay đều trên một mặt phẳng nằm nghiêng và không ma sát v = 60 vòng/phút. Bỏ qua mọi ma sát và tính độ biến dạng của lò xo.

Hướng dẫn:

Ta có tốc độ góc: ധ = 60×2π/60 = 2π rad/s

Lực đàn hồi đóng vai trò lực hướng tâm: Fđh = Fht

⇒ kΔl = m.ω2(l + Δl)

Vậy Δl = 6.3 .10-3 m

Dạng 3: Tính áp lực của vật ở điểm cao nhất của vòng cầu

Bước 1: Xác định vectơ lực hướng tâm.

Vẽ hình, tìm tất cả các lực đã tác dụng lên vật chuyển động tròn.

Tổng hợp các lực theo phương bán kính đồng thời hướng vào tâm đó là lực hướng tâm.

Bước 2: Viết biểu thức và tính độ lớn lực hướng tâm theo m và aht

Bước 3: Đồng nhất biểu thức lực cùng với biểu thức độ lớn tìm ẩn số.

Cụ thể với bài toán tính áp lực vật  tại điểm cao nhất của vòng cầu thì:

• Cầu vồng lên:

P − N = maht ⇔ N = P − Fht

• Cầu vồng xuống (cầu lõm):

N − P = maht ⇔ N = P + Fht

N − P = V ⇔ N = P + Fht

Hy vọng bài viết trên giúp bạn hiểu thêm về lực hướng tâm là gì? Để có thể áp dụng vào thực tế nhé.

>>> Xem thêm: Lực đàn hồi là gì? Đặc điểm và công thức