Lực Quán Tính Là Gì? Lực Quán Tính Trong Các Hệ Quy Chiếu

Lực quán tính là gì? Nó xuất phát từ đâu là câu hỏi của rất nhiều người đặt ra khi được lý giải về các hiện tượng xuất hiện trong tự nhiên như lực hấp dẫn của trái đất và khả năng chuyển động ổn định của các hành tinh,… Để giúp bạn đọc có những cái nhìn cụ thể nhất về loại lực này thì bài viết dưới đây đã tổng hợp chi tiết các kiến thức liên quan đến lực quán tính. 

Contents

• 1 Lực quán tính là gì?
• 2 Lực quán tính trong các hệ quy chiếu phi quán tính lực quán 
  • 2.1 Hệ quy chiếu chỉ có gia tốc tịnh tiến
  • 2.2 Hệ quy chiếu chỉ có chuyển động quay
  • 2.3 Hệ quy chiếu tổng quát
• 3 Lực quán tính ly tâm
• 4 Một số bài tập về lực quán tính, hệ quy chiếu phi quán tính
• 5 Giải thích một số hiện tượng trong thực tế

Lực quán tính là gì?

Lực quán tính hay được được gọi là lực ảo là một loại lực xuất hiện và tác động lên mọi đối tượng trong một hệ quy chiếu phi quán tính, ví dụ như hệ quy chiếu quay. 

Lực quán tính không xuất phát từ bất kỳ tương tác vật lý nào mà nó được sinh ra từ gia tốc tự xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính. Dựa vào định luật Newton 2 mà ta biết lực quán tính luôn tỉ lệ thuận với khối lượng m tác động vào. Lực quán tính tỉ lệ thuận với khối lượng của vật thể và gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính so với hệ quy chiếu quán tính và có hướng ngược lại với gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính. 

Xem thêm: Nguyên tử là gì? Cấu trúc của nguyên tử và khối lượng nguyên tử

Xét một vật có khối lượng m nằm trong hệ quy chiếu không quán tính. Tại thời điểm này, nhất định hệ quy chiếu không quán tính sẽ chuyển động với gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính thì vật m sẽ chịu thêm tác dụng của lực quán tính như sau:

Như vậy, ta không thể quy lực quán tính về các lực cơ bản – là các lực không bao giờ biến mất dưới phép biến đổi của hệ quy chiếu. 

Một lực quán tính xuất hiện khi một hệ quy chiếu có gia tốc cao hơn so với hệ quy chiếu khác. Một hệ quy chiếu có thể được gia tốc theo bất kỳ phương pháp nào nên lực quán tính cũng rất tùy ý (tuy nhiên nó lại phải phụ thuộc vào gia tốc của hệ quy chiếu). 

Bốn lực quán tính được định nghĩa theo những cách gia tốc thường xảy ra đó là:

• Một lực gây ra bởi một gia tốc tương đối bất kỳ theo một đường thẳng (lực quán tính tịnh tiến)
• Hai lực được tạo ra bất kỳ từ chuyển động quay nào đó (lực quán tính ly tâm và lực Coriolis) 
• Lực cuối hay còn được gọi là lực Euler được sinh ra bởi sự thay đổi của tốc độ quay. 

Lực quán tính trong các hệ quy chiếu phi quán tính lực quán 

Hệ quy chiếu chỉ có gia tốc tịnh tiến

Tại đây, ta sẽ gọi hệ quy chiếu K’ là hệ quy chiếu phi quán tính chuyển động có gia tốc tịnh tiến là  so với hệ quy chiếu quán tính K. Mà mọi khối lượng m trong hệ quy chiếu K’ phải chịu tác động của lực quán tính tịnh tiến là

Hệ quy chiếu chỉ có chuyển động quay

Trong một hệ quy chiếu quay có tốc độ góc là thì hệ quy chiếu quán tính, mọi khối lượng m phải chịu tác động của ba lực quán tính còn lại đó là:

• Lực Coriolis 

• Lực quán tính ly tâm

• Lực Euler

Trong đó, là sự thay đổi của vectơ tốc độ góc theo thời gian.

Hệ quy chiếu tổng quát

Với một hệ quy chiếu phi quán tính K’, quay với tốc độ góc là và có tịnh tiến gia tốc là so với hệ quy chiếu quán tính K’ thì mọi khối lượng m phải chịu tác động của 4 lực quán tính kể trên. 

Lực quán tính ly tâm

Lực quán tính ly tâm là trường hợp riêng của lực quán tính nó chỉ xuất hiện khi ta chọn hệ quy chiếu gắn với vật chuyển động tròn. Đây là hệ quả của trường gia tốc xuất hiện trong hệ quy chiếu không quán tính mà trong trường hợp này là hệ quy chiếu quay. Nhìn trong hệ quy chiếu quay ta sẽ thấy các vật thể vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính và bị đẩy ra theo phương xuyên tâm quay. Và lực đẩy vật thể ra trong hệ quy chiếu này chính là lực ly tâm. 

Xem thêm: Kiến thức Vật lý: Áp suất là gì? Áp lực là gì?

Lực quán tính ly tâm tác dụng lên vật nằm bên trong hệ quy chiếu quay, có phương là đường thẳng nối tâm của đường cong với trọng tâm của vật chuyển động. Chiều hướng từ tâm của đường cong ra phía ngoài. 

Lực ly tâm thường có tỷ lệ với khối lượng của vật chuyển động, bình phương tốc độ dài và tỷ lệ nghịch với bán kính của đường cong.

Một số bài tập về lực quán tính, hệ quy chiếu phi quán tính

Câu 1: Một vật có khối lượng 200g được treo vào lực kế trong một thang máy chuyển động biến đổi đều. Hãy xác định hướng chuyển động của thang máy khi số chỉ của lực kế là 1,6N. Lấy g= 10m/s2. Hãy tính gia tốc chuyển động của thang máy.

Hướng dẫn giải:

Chọn hệ quy chiếu gắn với thang máy

m=0,2kg; g= 10m/s2

=> P=mg=2N

Ta có, Lực kế chỉ F=1,6N < 2N => Thang máy đang đi xuống nhanh dần với gia tốc a (hoặc đi lên chậm dần với gia tốc a)

Căn cứ vào vật nằm cân bằng trong thang máy, ta có:

P=F + Fqt => Fqt = P – F =ma => a=2m/s2

Câu 2: Tính áp lực của một vật có khối lượng 40kg  được đặt cố định trên sàn thang máy trong các trường hợp sau, (lấy g=10m/s2):

a, Thang máy đi lên thẳng đều

b, Thang máy đi lên nhanh dần đều với gia tốc là 2m/s2

c, Thang máy đi lên chậm dần đều với gia tốc là 3m/s2

d, Thang máy bị đứt cáp treo và rơi tự do.

Phân tích bài toán:

Ta có hệ quy chiếu gắn với thang máy là:

m= 40kg; g=10m/s2; a1= 2m/s2; a2= 3m/s2; a3=g.

Giải bài:

a, N=P=mg=400N

b, N=P + Fqt1= mg +ma1 = 480N

c, N=P – Fqt2= mg – ma2= 280N

d, N=P – Fqt3= mg – ma3 = 0

Câu 3: ta có một dây không giãn chịu lực căng tối đa là 7,5N. Một đầu của nó được gắn vào trần thang máy, một đầu gắn với vật có khối lượng là 500g. Lấy g=10m/s2, thì thang máy sẽ có chuyển động như thế nào khi đứt dây. 

Phân tích bài toán:

Ta chọn hệ quy chiếu gắn với thang máy:

m=0,5kg, g=10m/s2, Tmax= 7,5N

P= mg = 5N => Thang máy phải chuyển động với gia tốc sao cho lực quán tính cùng chiều với trọng lực.

Giải bài tập:

Tmax = P + Fqt = mg + ma => 5m/s2

=> Thang máy sẽ có chuyển động nhanh dần đều đi lên với gia tốc > 5m/s2

Hoặc chuyển động chậm dần đều đi xuống với gia tốc >5m/s2 thi dây sẽ bị đứt. 

Giải thích một số hiện tượng trong thực tế

Trong thực tế có một số hiện tượng xảy ra tự nhiên mà rất nhiều người thắc mắc về cơ sở và nguồn gốc của hiện tượng đó từ đâu mà ra và tại sao lại xuất hiện hiện tượng đó. Dưới đây sẽ là mực giải mã cho một số hiện tượng tự nhiên.

• Các vệ tinh nhân tạo và mặt trăng có thể chuyển động tròn đều xung quanh Trái Đất là nhờ có lực hướng tâm (lực hấp dẫn). Tuy vậy nhưng mặt trăng và các vệ tinh nhân tạo vẫn không rơi vào Trái Đất là nhờ vào tốc độ chuyển động của chúng đủ lớn tạo ra lực quán tính ly tâm giúp cân bằng với lực hút của Trái Đất.
• Các hành tinh chuyển động với quỹ đạo gần tròn ổn định quanh mặt trời là nhờ vào lực hấp dẫn của mặt trời đối với các hành tinh có vai trò là lực hướng tâm. Đồng thời sự chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời cũng tạo ra lực quán tính ly tâm nhờ vào đó mà các hành tinh không bị hút về phía mặt trời.

• Vào các khúc cua vòng tròn trên đường, người ta thường thiết kế mặt đường dốc nghiêng ra ngoài để tránh trường hợp các xe vào cua với tốc độ lớn thì lực quán tính ly tâm sẽ làm xe bị trượt ra khỏi đường.
• Các vận động viên ném tạ dây trước khi thực hiện cú ném thường quay tròn để tạo ra hướng tâm và lực quán tính ly tâm lớn sau đó mới buông tay để tạ có thể bay xa hơn.
• Hầu hết các dòng máy giặt hiện đại thường sử dụng chuyển động quay tròn của động cơ để tạo ra chuyển động tròn trong lồng giặt. Khi quần áo được giặt xong thì các chuyển động tròn sẽ tạo ra lực quán tính ly tâm đẩy văng các hạt nước bám trên vải ra khỏi lồng giặt thông qua các lỗ nhỏ nhờ đó mà quần áo được vắt khô nhanh hơn so với giặt tay. Đây cũng chính là nguyên lý chung của các loại máy ly tâm.

Bài viết trên đây vừa chia sẻ cho bạn đọc các thông tin liên quan đến lực quán tính là gì. Hy vọng với những chia sẻ trên đây bạn đọc sẽ có thêm các kiến thức thụ vị cũng như ứng dụng và giải mã được các hiện tượng xung quanh ta nhé!