Bài 32: Lực hướng tâm và gia tốc hướng tâm

1. Kiến thức trọng tâm

Khi một vật chuyển động tròn đều, hợp lực tác dụng lên vật hướng vào tâm quỹ đạo và được gọi là lực hướng tâm. Lực hướng tâm gây ra gia tốc hướng tâm, làm thay đổi hướng vận tốc của vật mà không làm thay đổi độ lớn vận tốc. Độ lớn của lực hướng tâm là $F_{ht} = m a_{ht} = m\frac{v^2}{R} = m\omega^2 R$, với $m$ là khối lượng của vật và $R$ là bán kính quỹ đạo.

Lực hướng tâm không phải là một loại lực mới mà là tên gọi chung cho hợp lực đóng vai trò hướng tâm trong chuyển động tròn. Tùy từng trường hợp, lực hướng tâm có thể là lực hấp dẫn, lực ma sát, lực căng dây, phản lực của mặt đường hoặc hợp lực của nhiều lực. Ví dụ, khi xe chạy qua khúc cua, lực ma sát nghỉ giữa lốp xe và mặt đường đóng vai trò lực hướng tâm.

Khi tốc độ vượt quá giới hạn an toàn, lực ma sát nghỉ cực đại không đủ cung cấp lực hướng tâm cần thiết và xe bị trượt ra ngoài khúc cua.

2. Ví dụ minh họa

Một vật khối lượng $0{,}5,kg$ buộc vào đầu dây dài $0{,}8,m$, quay tròn đều trong mặt phẳng ngang với tốc độ $2,m/s$. Tính lực căng dây.

Lời giải: Lực căng dây đóng vai trò lực hướng tâm. Áp dụng công thức $F_{ht} = m\frac{v^2}{R} = 0{,}5 \cdot \frac{2^2}{0{,}8} = 0{,}5 \cdot 5 = 2{,}5,N$. Vậy lực căng dây bằng $2{,}5,N$. Nếu tốc độ tăng lên, lực căng dây cần thiết cũng tăng theo bình phương tốc độ.

3. Ghi nhớ

• Lực hướng tâm: $F_{ht} = m\frac{v^2}{R} = m\omega^2 R$, hướng vào tâm quỹ đạo.
• Lực hướng tâm không phải loại lực mới, mà là vai trò của hợp lực.
• Lực hướng tâm chỉ đổi hướng vận tốc, không đổi độ lớn vận tốc.