Lực hướng tâm là gì? Đặc điểm và ứng dụng trong thực tế

Lực hướng tâm là gì?

Lực hướng tâm được định nghĩa là một loại lực có tác dụng làm cho một vật đi theo một quỹ đạo cong. Nhà bác học Isaac Newton đã mô tả lực này trong cuốn Principia của ông. Đó là bất kỳ lực nào (trọng lực, lực điện từ,…) hoặc là sự kết hợp các lực với nhau đều có thể là lực hướng tâm.

Đơn vị của nó cũng giống các lực khác với đơn vị là N

Ví dụ minh họa

Để các bạn hiểu rõ hơn về định nghĩa của lực này, chúng ta đã lấy một số ví dụ như dưới đây:

• Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vệ tinh nhân tạo đóng vai trò là lực hướng tâm. Nó giữ cho vệ tinh nhân tạo chuyển động tròn đều xung quanh Trái Đất.
• Buộc một vật nặng vào một đầu của sợi dây, sau đó cầm đầu dây còn lại và văng tròn. Khi đó lực căng của dây đã giữ cho vật chuyển động tròn đều => Lực căng dây có vai trò là lực này.
• Đặt một vật trên bàn quay, lực ma sát nghỉ đóng vai trò là lực giúp giữ cho vật chuyển động tròn.
• Một ví dụ nữa là đường ôtô và đường sắt ở những đoạn cong làm nghiêng về phía tâm cong để hợp lực giữa trọng lực và phản lực của mặt đường tạo ra lực giữ cho xe, tàu chuyển động dễ dàng trên quỹ đạo.

Nguồn gốc của lực

Khi một vệ tinh bay trong quỹ đạo quanh trái đất, lực hướng tâm do lực trọng trường tạo thành giữa vệ tinh và trái đất, tác dụng hướng về khối tâm của hai vật. Còn đối với một vật được gắn vào đầu một sợi dây đang quay theo trục đứng, nó là thành phần nằm ngang của lực căng dây, tác dụng hướng về tâm khối lượng giữa trục quay và vật quay.

Đối với một vật đang quay quanh chính nó, lực căng bên trong là lực giúp giữ cho vật là một khối.

Đặc điểm của lực hướng tâm

Về bản chất, đây không phải lực mới, lực hướng tâm là hợp lực của các lực tác dụng vào vật có tác dụng giữ cho vật chuyển động tròn đều và gây ra gia tốc hướng tâm cho vật:

• Nó có phương của bán kính quỹ đạo.
• Chiều của lực vào tâm quay, có điểm đặt tại vật.

Biểu thức lực hướng tâm

Ta có công thức tính như sau:

Trong đó:

• Fht: Lực hướng tâm (N)
• m: Khối lượng của vật (kg)
• aht: Gia tốc hướng tâm (m/s^2)
• v: Tốc độ dài của vật chuyển động tròn đều (m/s)
• r: Bán kính quỹ đạo tròn (m)
• ω: Là tốc độ góc của vật chuyển động tròn đều (rad/s)

Ứng dụng của lực hướng tâm

Từ những ví dụ về về lực này phía trên, ta có thể thấy nó xuất hiện ở rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. Có thể kể đến một vài ứng dụng của lực hướng tâm như:

Được sử dụng cho máy ly tâm trong phòng thí nghiệm. Tại đây, khi các hạt lơ lửng trong chất lỏng được tách ra khỏi chất lỏng bằng các ống gia tốc được định hướng để các hạt nặng hơn (tức là các vật có khối lượng lớn hơn) bị kéo về phía đáy của ống. Trong máy ly tâm, chất rắn sẽ được tách ra khỏi chất lỏng, nhưng nó cũng có thể phân tách chất lỏng như trong mẫu máu hoặc tách các thành phần của khí.

Máy ly tâm khí được sử dụng để tách đồng vị nặng hơn uranium-238 khỏi đồng vị nhẹ hơn nó là uranium-235. Khi đó đồng vị nặng hơn bị hút về phía bên ngoài của một hình trụ đang quay. Phần nặng sẽ được khai thác và gửi đến một máy ly tâm khác. Và quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại cho đến khi khí đủ “làm giàu”.

Chuyển động ly tâm

Một nội dung cũng liên quan đến lực trên đó là chuyển động ly tâm, mời các bạn cùng tìm hiểu trong phần dưới đây:

Khái niệm

Khi đặt một vật trên bàn quay, nếu bàn quay nhanh quá, lực ma sát nghỉ không đủ lớn để có thể trở thành lực hướng tâm. Khi đó, vật sẽ trượt ra xa khỏi tâm quay của bàn, rồi văng khỏi bàn theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo. Chuyển động như vậy được gọi là lực ly tâm.

Ứng dụng

Lực ly tâm được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực, ví dụ như máy li tâm (trong máy giặt, tốc độ quay của lồng giặt lớn làm cho nước văng ra khỏi vải.

Chuyển động li tâm cũng có khi cần phải tránh

Đó là khi chạy xe qua những chỗ rẽ, khúc quanh co. Nếu như vẫn giữ nguyên tốc độ lớn thì sẽ làm cho lực ma sát nghỉ không để lớn. Để đóng vai trò lực ly tâm giữ cho xe chuyển động tròn nên rất dễ gây ra tai nạn giao thông.

Lực hướng tâm là một trong những hiện tượng vật lý rất dễ nhận thấy trong cuộc sống của chúng ta. Mong rằng bài viết trên sẽ đem lại cho bạn nhiều kiến thức bổ ích. Mọi thắc mắc hay những đóng góp ý kiến vui lòng liên hệ với AME Group để được hỗ trợ.