Lực hướng tâm · Gia tốc hướng tâm · Công thức · Vận dụng
Nhận diện lực hướng tâm là lực hoặc hợp lực hướng vào tâm; nêu được chiều của gia tốc hướng tâm.
Giải thích vì sao vật chuyển động tròn đều vẫn có gia tốc dù tốc độ dài không đổi; phân biệt lực hướng tâm với một lực mới.
Tính được \(a_{ht}=v^2/r=\omega^2r\) và \(F_{ht}=ma_{ht}\); xác định lực đóng vai trò lực hướng tâm trong tình huống thực tiễn.
Quan sát mô hình quay có kiểm soát, dự đoán ảnh hưởng của khối lượng, bán kính và tốc độ đến lực cần thiết.
Khởi động: Vì sao khi ô tô vào đường cong phải giảm tốc độ? Tại sao nếu dây buộc một vật quay bị đứt thì vật không tiếp tục chuyển động theo đường tròn?
Khi vật chuyển động tròn đều, hợp lực tác dụng lên vật luôn hướng vào tâm quỹ đạo. Hợp lực đó được gọi là lực hướng tâm. Tùy tình huống, lực căng dây, lực ma sát nghỉ, lực hấp dẫn hoặc hợp lực của nhiều lực có thể đóng vai trò lực hướng tâm. Không cộng thêm “lực hướng tâm” như một lực mới vào sơ đồ lực.
Vectơ vận tốc đổi hướng liên tục; vì vậy vật có gia tốc ngay cả khi độ lớn vận tốc không đổi. Vectơ gia tốc hướng về tâm và vuông góc với vận tốc tiếp tuyến.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(a_{ht}\) | Độ lớn gia tốc hướng tâm | m/s² |
| \(v\) | Tốc độ dài | m/s |
| \(r\) | Bán kính quỹ đạo | m |
| \(\omega\) | Tốc độ góc | rad/s |
Điều kiện: Chuyển động tròn đều; r > 0. Không lấy gia tốc hướng tâm là vectơ cùng chiều với vận tốc.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(F_{ht}\) | Độ lớn hợp lực hướng tâm | N |
| \(m\) | Khối lượng vật | kg |
| \(a_{ht}\) | Gia tốc hướng tâm | m/s² |
| \(v\) | Tốc độ dài | m/s |
| \(r\) | Bán kính | m |
Điều kiện: Chuyển động tròn đều trong hệ quy chiếu quán tính; m > 0, r > 0.
Một vật có khối lượng 0,20 kg chuyển động tròn đều với tốc độ 3,0 m/s trên quỹ đạo bán kính 0,50 m. Khi đó \(a_{ht}=3^2/0{,}5=18\,\mathrm{{m/s^2}}\), và \(F_{ht}=0{,}20\times18=3{,}6\,\mathrm{{N}}\). Hợp lực hướng vào tâm, không cùng hướng với vận tốc.
Nhầm lẫn thường gặp: (i) “Tốc độ không đổi nên gia tốc bằng 0” là sai; (ii) lực hướng tâm không phải một lực mới độc lập; (iii) khi dây đứt, vật rời chuyển động tròn với vận tốc tức thời tiếp tuyến, rồi chịu tác dụng của các lực còn lại.
Dự đoán: Vật còn chuyển động theo đường tròn không nếu không còn lực kéo hướng tâm? Vectơ vận tốc sẽ hướng về đâu tại thời điểm dây bị đứt?
Dụng cụ: vật mềm nhẹ, dây chắc, vùng quay an toàn và camera quay chậm. Giáo viên tổ chức; không cho học sinh quay vật cứng gần người khác.
Giới hạn: mô hình lí tưởng bỏ qua sức cản; chuyển động thực tế sau khi thả không nhất thiết là đường thẳng vì còn trọng lực và các lực khác.
Câu hỏi kết luận: Hợp lực cần hướng vào đâu để duy trì chuyển động tròn đều?
Giả thiết: vật chất điểm chuyển động tròn đều trên mặt phẳng ngang, hợp lực nằm trong mặt phẳng quay và luôn hướng tâm; bỏ qua cản.
Chờ tính toán...
Thử nghiệm: (1) tăng gấp đôi v khi m, r giữ nguyên; (2) tăng gấp đôi r khi m, v giữ nguyên; (3) tăng gấp đôi m khi r, v giữ nguyên. Từ kết quả, phát biểu mối quan hệ giữa F với từng đại lượng.
Lưu ý: số hiển thị được tính từ phương trình lí tưởng, không phải kết quả đo thực tế.
Video tham khảo: Mở video trên YouTube (cửa sổ mới). Nguồn liên kết: học liệu trong giáo án Vật lí 10 Bài 32; nội dung video chưa được kiểm chứng toàn bộ.
Không sử dụng iframe nhúng mặc định: video YouTube có thể gặp lỗi 153 liên quan nhận diện ứng dụng/Referer hoặc phát sinh từ trình phát. Bài học và mô phỏng vẫn hoạt động khi không mở được video.
Với cùng m và r, \(F_{ht}\) tỉ lệ với \(v^2\). Nếu tốc độ tăng gấp đôi, lực hướng tâm cần thiết tăng gấp bốn. Ma sát có giới hạn nên xe có thể trượt ra khỏi quỹ đạo dự kiến.
Lực hấp dẫn đóng vai trò lực hướng tâm trong mô hình quỹ đạo tròn gần đúng. Quỹ đạo thực của Trái Đất là elip nên tốc độ không hoàn toàn không đổi.
Trọng lực vẫn tồn tại ở quỹ đạo. Chính lực hấp dẫn góp phần tạo gia tốc hướng tâm để vệ tinh bay quanh Trái Đất.
Tham chiếu: Vật lí 10 – Kết nối tri thức với cuộc sống, Bài 32, tr.123–127.