Lý thuyết Vật Lí 10 Chân trời sáng tạo Bài 21: Động lực học của chuyển động tròn. Lực hướng tâm

Haylamdo biên soạn và sưu tầm tóm tắt lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 21: Động lực học của chuyển động tròn. Lực hướng tâm sách Chân trời sáng tạo hay nhất, chi tiết sẽ giúp học sinh dễ dàng nắm vững kiến thức trọng tâm, ôn luyện để học tốt môn Vật Lí 10.

Lý thuyết Vật Lí 10 Chân trời sáng tạo Bài 21: Động lực học của chuyển động tròn. Lực hướng tâm

1. Lực hướng tâm

Khái niệm lực hướng tâm

- Theo định luật II Newton, khi một chất điểm có khối lượng m chuyển động tròn đều với gia tốc hướng tâm $\overrightarrow{a_{ht}}$, thì:

$\overrightarrow{F_{ht}}=m.\overrightarrow{a_{ht}}$

Trong đó, $\overrightarrow{F_{ht}}$ là hợp lực tác dụng lên vật.

- $\overrightarrow{F_{ht}}$ có phương dọc theo bán kính, chiều hướng vào tâm quỹ đạo và được gọi là lực hướng tâm, có độ lớn không đổi, bằng:

$F_{ht}=m.a_{ht}=m.\frac{v^2}{R}=m.{\omega }^2.R$

Ví dụ: Chuyển động của vật

- Điều kiện để một vật có thể chuyển động tròn đều: hợp lực tác dụng lên vật phải hướng vào tâm của quỹ đạo của vật. Hợp lực này là lực hướng tâm.

Ví dụ: Hợp lực của lực căng dây và trọng lực đóng vai trò lực hướng tâm khi ta quay một vật được buộc ở đầu sợi dây để vật chuyển động tròn đều trong một mặt phẳng ngang như hình vẽ.

2. Ứng dụng trong thực tế của chuyển động tròn

Trường hợp xe chạy theo đường vòng cung trên mặt đường ngang.

Xét một xe chạy trên đường nằm ngang theo cung tròn. Nếu mặt đường trơn trượt, ma sát giữa các bánh xe và mặt đường không đáng kể, hợp lực của trọng lực $\overrightarrow{P}=m.\overrightarrow{g}$ thẳng đứng hướng xuống và phản lực của mặt đường vuông góc với mặt đường hướng lên là

$\overrightarrow{F}=\overrightarrow{P}+\overrightarrow{N}=\overrightarrow{0}$

Như vậy, xe không thể chuyển động theo quỹ đạo tròn mà tiếp tục chuyển động thẳng do quán tính, từ đó có thể bị lệch ra khỏi cung đường và gây ra tai nạn.

Nếu có lực ma sát nghỉ giữa các bánh xe và mặt đường, vì lực ma sát này luôn có hướng ngược với khuynh hướng chuyển động trượt ra ngoài nên sẽ có chiều hướng vào bề lõm của đường tròn. Vậy, trong trường hợp này, lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực hướng tâm, có tác dụng giúp xe chạy vòng theo cung tròn.

Như ta đã biết, nếu gọi μ là hệ số ma sát nghỉ thì lực ma sát nghỉ có độ lớn : f_ms = μ.N với N = P = mg.

Theo định luật II newton, ta có:

$F_{ht}=f_{ms}=\mu .N=m.a_{ht}\iff \mu .m.g=m.\frac{v^2}{R}$

Từ đó, ta có công thức tốc độ giới hạn:

v = $\sqrt{\mu .g.R}$

Chú ý: Khi xe chạy trên đường đèo, trong đường đua có tốc độ cao, hoặc mặt đường trơn trượt, lực ma sát giữa các bánh xe và mặt đường không đủ để tạo lực hướng tâm, do phải tồn tại lực hướng tâm để xe có thể thực hiện chuyển động tròn, mặt đường phải được thiết kế nghiêng một góc θ so với phương ngang để hợp lực hướng vào tâm đường tròn và đóng vai trò lực hướng tâm, đảm bảo cho xe chạy vòng theo quỹ đạo tròn. Dù vậy, tốc độ của xe cũng bị giới hạn để xe không bị trượt khỏi cung tròn.