Trong chương trình Vật lý lớp 8, bạn sẽ được học quán tính là gì. Lực quán tính trong các hệ quy chiếu Hiện tượng này có những ứng dụng như thế nào trong đời sống? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu ngay nhé.
Quán Tính Là Gì?
Quán tính là tính chất đặc trưng cho sự cản trở của các đối tượng có khối lượng đối với bất kỳ sự thay đổi nào về vận tốc của nó. Điều này bao gồm những thay đổi đối với tốc độ hoặc hướng chuyển động của đối tượng. Tính chất này là khi không có lực nào tác động lên chúng thì xu hướng của các vật thể sẽ tiếp tục chuyển động trên một đường thẳng với tốc độ không đổi.
Galileo Galilei chính là người đầu tiên nói đến xu hướng giữ nguyên trạng thái chuyển động của vật chất. Sau đó được Isaac Newton tổng kết lại trong định luật 1 Newton, hay còn gọi là định luật quán tính. Mọi vật có xu hướng giữ nguyên trạng thái chuyển động thẳng đều khi không có ngoại lực tác động vào chúng chính là chuyển động theo quán tính.
Trong lý thuyết tương đối rộng, chuyển động theo quán tính là chuyển động theo đường trắc địa trong không thời gian.
Ngoài ra, khi có một vật bên trong một vật thì heo quán tính, vật ở bên trong sẽ chuyển động ngược hướng với chiều chuyển động của vật bên ngoài.
Lực Quán Tính Là Gì?
Lực quán tính [hay còn gọi là lực ảo] – xuất hiện và tác động lên mọi đối tượng trong 1 hệ quy chiếu phi quán tính. 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.
Lực quán tính tỉ lệ thuận với khối lượng m tác động, gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính và khối lượng của vật thể so với hệ quy chiếu quán tính. Và chúng có hướng ngược lại với gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính.
Xét 1 vật có khối lượng m nằm trong hệ quy chiếu không quán tính. Tại thời điểm này, hệ quy chiếu không quán tính sẽ chuyển động với gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính thì vật m sẽ phải chịu thêm tác dụng của lực quán tính như sau:
Công thức lực quán tính:
Trong đó:
- Fqt là lực quán tính [N]
- a là gia tốc của hệ quy chiếu chuyển động [m/s2]
- m là khối lượng của vật.
Lực quán tính sẽ xuất hiện khi 1 hệ quy chiếu có gia tốc cao hơn so với các hệ quy chiếu khác. Và 1 hệ quy chiếu có thể được gia tốc theo bất kỳ phương pháp nào vì thế lực quán tính cũng rất tùy ý. 4 lực quán tính thường được định nghĩa theo các cách gia tốc thường xảy ra đó là:
4 lực quán tính theo cách gia tốc thường gặp là:
- 1 lực được tạo ra bởi 1 gia tốc tương đối bất kỳ theo 1 đường thẳng
- Hai lực được tạo ra ngẫu nhiên từ chuyển động quay [lực Coriolis và lực quán tính ly tâm]
- Lực cuối [lực Euler] được sinh ra do sự thay đổi của tốc độ quay.
Hệ Quy Chiếu Quán Tính
Các hệ quy chiếu mà không xuất hiện lực quán tính thì sẽ là hệ quy chiếu quán tính. Các hệ quy chiếu này chuyển động thẳng đều so với một hệ quy chiếu quán tính đều là hệ quy chiếu quán tính.
Hệ quy chiếu gắn với mặt đất hoặc những vật chuyển động thẳng đều so với mặt đất cũng được gọi là hệ quy chiếu quán tính.
Đối với hệ quy chiếu quán tính thì các định luật Newton nghiệm đúng.
Hệ quy chiếu phi quán tính chính là hệ quy chiếu có xuất hiện lực quán tính. Các hệ quy chiếu gắn với vật chuyển động có gia tốc so với một hệ quy chiếu quán tính đều sẽ là phi quán tính. Đối với hệ quy chiếu không quán tính thì các định luật Newton không còn đúng.
Các Hệ Quy Chiếu Phi Quán Tính Lực Quán
1. Hệ quy chiếu chỉ mang gia tốc tịnh tiến
Ta có hệ quy chiếu K’ là hệ quy chiếu phi quán tính chuyển động có gia tốc tịnh tiến so với hệ quy chiếu quán tính K. Mà mọi khối lượng m trong hệ quy chiếu K’ phải chịu tác động bởi lực quán tính tịnh tiến là:
Ta có một hệ quy chiếu phi quán tính K’, quay với tốc độ góc là Ω và có tịnh tiến gia tốc là . So với hệ quy chiếu quán tính K’ thì mọi khối lượng m phải chịu tác động bởi 4 lực quán tính kể trên.
Lực quán tính ly tâm là trường hợp đặc biệt của lực quán tính. Nó chỉ xuất hiện nếu 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 và trường hợp này là hệ quy chiếu quay.
Lúc này, trong hệ quy chiếu quay ta sẽ nhìn thấy các vật thể vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính sẽ bị đẩy ra theo phương xuyên tâm quay. Và lực đẩy vật thể ra trong hệ quy chiếu này được gọi là lực ly tâm.
Lực quán tính ly tâm sẽ tác dụng lên vật nằm bên trong hệ quy chiếu quay, có phương thẳng nối tâm của đường cong với trọng tâm của vật chuyển động. Và chiều hướng từ tâm của đường cong ra phía ngoài. Lực ly tâm thường tỷ lệ với khối lượng của vật chuyển động, bình phương tốc độ dài và tỷ lệ nghịch với bán kính của đường cong.
F = mv3/r= mω2 r
Lực hút của Trái Đất F = G[M.m/R2] hướng vào tâm của quả đất. Ngoài ra vật còn chịu tác dụng của lực ly tâm FLT = m.ω2r hướng từ trong trục quay ra ngoài như hình dưới.
- Lực quán tính xuất hiện khi xe phanh gấp và người ta lao về phía trước
- Hành tinh chuyển động với quỹ đạo gần tròn, ổn định quanh mặt trời. Nhờ lực hướng tâm mà các hình tinh đã chuyển động theo quỹ đạo gần giống hình tròn quanh mặt trời. Đồng thời, sự chuyển động này cũng tạo ra lực quán tính ly tâm, nên các hành tinh sẽ không bị hút về phía mặt trời.
- Mặt trăng chuyển động xung quanh Trái Đất. Nhờ có lực hướng tâm [lực hấp dẫn], mà mặt trăng có thể chuyển động xung quanh Trái Đất. Tuy vậy, mặt trăng và các vệ tinh nhân tạo vẫn không rơi vào Trái Đất nhờ tốc độ chuyển động của chúng đủ lớn để tạo ra lực quán tính ly tâm giúp cân bằng với lực hút của Trái Đất.
- Các khúc cua vòng tròn trên đường thường được thiết kế mặt đường dốc nghiêng ra ngoài để tránh trường hợp khi xe đi vào khúc cua với tốc độ lớn thì lực quán tính ly tâm sẽ làm xe trượt ra khỏi đường.
- Máy giặt thường sử dụng chuyển động quay tròn của động cơ nhằm tạo ra chuyển động tròn trong lồng giặt. Khi quần áo được giặt xong chính những chuyển động tròn này sẽ tạo ra lực quán tính ly tâm làm đẩy văng các hạt nước bám trên vải ra khỏi lồng giặt nhờ đó mà quần áo được vắt khô nhanh hơn.
Như vậy, trong phạm vi bài viết trên, chúng tôi đã giải đáp cho bạn quán tính là gì cũng như các kiến thức liên quan cơ bản khác. Hy vọng những thông tin trên đây đã giúp bạn hiểu hơn về bài học của mình. Chúc các bạn luôn học tốt.