Lực Hướng Tâm
Bất cứ thứ gì chuyển động theo đường tròn đều liên tục thay đổi hướng, và sự thay đổi đó đòi hỏi một lực hướng vào tâm của đường tròn. Không có lực kéo vào trong này, vật sẽ bay theo đường thẳng thay vì cong.
Công thức
a = v² / r
- a — gia tốc hướng tâm (m/s²): hướng của vật thay đổi về phía tâm nhanh như thế nào
- v — tốc độ (m/s): vật di chuyển nhanh như thế nào dọc theo quỹ đạo tròn
- r — bán kính (m): khoảng cách từ vật đến tâm đường tròn
Ví dụ đã giải
Một vật di chuyển theo đường tròn bán kính 2 mét với tốc độ 4 mét trên giây. Gia tốc hướng tâm của nó là bao nhiêu?
- v = 4 m/s
- r = 2 m
- a = v² / r
- a = (4 m/s)² / 2 m
a = 8 m/s²
Tự kiểm tra
Cùng vật giờ quay ở 8 mét trên giây, vẫn ở bán kính 2 mét. Gia tốc hướng tâm của nó là bao nhiêu?
- 16 m/s²
- 8 m/s²
- Đáp án đúng: 32 m/s²
Đúng! Tốc độ được bình phương, nên tăng gấp đôi nó làm gia tốc tăng gấp bốn lần: 8² ÷ 2 = 32 m/s².
Giữ tốc độ ở 4 mét trên giây, nhưng tăng gấp đôi bán kính lên 4 mét. Gia tốc sẽ thế nào?
- Đáp án đúng: 4 m/s²
- 16 m/s²
- 8 m/s²
Chính xác — a = v² / r: 4² ÷ 4 = 4 m/s². Tăng gấp đôi bán kính giảm gia tốc một nửa.
Bạn thấy điều này ở đâu
Một chiếc xe đang quay một khúc cần lực ma sát giữa lốp xe của nó và đường kéo nó về phía trung tâm khúc quay, nếu không nó sẽ trượt ra; một cái xô nước được xoay cần lực căng của sợi dây kéo vào trong, nếu không cái xô sẽ bay thẳng ngay khi nó buông ra. Cả hai đều là cùng một lực hướng vào trong, chỉ được cung cấp bởi những thứ khác nhau.
Những sai lầm phổ biến
Lực hướng tâm thường được mô tả là một lực thực sự, riêng biệt đẩy ra ngoài — không có lực «li tâm» ra ngoài tác dụng lên vật thể; điều thực sự xảy ra là quán tính riêng của vật thể cố gắng đi thẳng trong khi một cái gì đó (ma sát, lực căng, lực hấp dẫn) kéo nó vào trong. Cũng dễ nghĩ rằng tốc độ quay nhanh hơn cần lực tỷ lệ thuận hơn, nhưng a = v²/r có nghĩa là tăng gấp đôi tốc độ làm tăng gấp bốn lần lực cần thiết, không phải tăng gấp đôi.
Nó liên kết như thế nào
Đây là định luật thứ hai Newton một lần nữa, áp dụng cho một vật thể mà gia tốc của nó luôn hướng về trung tâm chứ không phải dọc theo hướng chuyển động của nó. Lực hấp dẫn phổ quát, tiếp theo, cung cấp lực thực sự — lực hấp dẫn — giữ cho các hành tinh và vệ tinh chuyển động theo những quỹ đạo tròn hoặc gần như tròn mà lực hướng tâm mô tả.