SGK Vật Lí 10 - Bài 14. Lực hướng tâm

Lực HƯỚNG TÂM
Tại sao đường ô tô ớ những đoạn cong thường phái làm nghiêng ?
Tại sao ở chỗ rẽ bằng phắng cần đặt biển chí dẫn tốc độ cho ô tô ?
Tại sao vệ tinh nhân tạo bay được vòng quanh Trái Đất ?
- LỰC HƯỚNG TÂM
Định nghĩa
Như đã biết, vật chuyển động tròn đều có gia tốc hướng tâm. Theo định luật II Niu-tơn thì phải có lực tác dụng lên vật để gây ra gia tốc đó.
Lực (hay hợp lực của các lực) tác dụng vào một vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tám gọi là lực hướng tấm.
Cộng thúc
Fht = fflđht =^— = mai2 r	(14.1)
Ví dụ
a) Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vệ tinh nhân tạo đóng vai trò lực hướng tâm. Lực này gây ra cho vệ tinh gia tốc hướng tâm, giữ cho nó chuyển động tròn đều quanh Trái Đất (Hình 14.1).
b) Đặt một vật lên một chiếc bàn quay. Khi bàn chưa quay, vật đứng yên dưới tác dụng của hai lực cân bằng, đó là trọng lực P và phản lực N của mặt bàn.
Cho bàn quay từ từ, ta thấy vật quay theo. Khi bàn quay, bàn tác dụng thêm vào vật một lực ma sát nghỉ hướng vào tâm. Lực này gây ra cho vật gia tốc hướng tâm, giữ vật chuyển động tròn đều (Hình 14.2). Ớ ví dụ này, lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực hướng tâm.
Đường ô tô và đường sắt ở những đoạn cong thường phải làm nghiêng về phía tâm cong (Hình 14.3). Khi xe ô tô, tàu hoả đi đến đoạn cong, phản lực N của mặt đường không cân bằng với trọng lực p nữa. Hợp lực của hai lực này nằm ngang hướng vào tâm của quỹ đạo, làm ô tô, tàu hoả chuyển động được dễ dàng.
- CHUYỂN ĐỘNG LI TÂM
Hla) Lực nào đã gây ra gia tốc hướng tâm cho vật ?
b) Tại sao khi bàn quay nhanh đến một mức nào đó thì vật sẽ văng ra ngoài bàn ?
Hình 14.3. Đoạn đường sắt nghiêng.
Trở lại ví dụ một vật trên bàn quay (Hình 14.2). Nếu tăng tốc độ góc co của bàn quay đến một giá trị nào đó thì lực ma sát nghỉ cực đại nhỏ hơn lực hướng tâm cán thiết (Fht = m(O2-r) giữ cho vật chuyển động tròn. Khi ấy, vật trượt trên bàn ra xa tâm quay, rồi văng ra khỏi bàn theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo. Chuyển động như vậy của vật được gọi là chuyển động li tâm (Hình 14.4).
Hình 14.5
Fmsn (max)
o
msn (max)
<mofr
Hình 14.6
Chuyển động li tâm có nhiều ứng dụng thực tế. Máy vắt li tâm là một ví dụ. Đặt vải ướt vào trong cái lồng làm bằng lưới kim loại của máy vắt (Hình 14.5). Khi cho máy quay nhanh, lực liên kết giữa nước và vải không đủ lớn để đóng vai trò lực hướng tâm. Khi ấy, nước tách ra khỏi vải thành giọt và bắn ra ngoài theo lỗ lưới.
Chuyển động li tâm cũng có khi phải tránh. Nếu đến chỗ rẽ bằng phẳng mà ô tô chạy nhanh quá, thì lực ma sát nghỉ cực đại không đủ lớn để đóng vai trò lực hướng tâm giữ cho ô tô chuyển động tròn. Ô tô sẽ trượt li tâm, dễ gây ra tai nạn giao thông (Hình 14.6).
Lực (hay họp lực cùa các lực) tác dụng vào một vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc huóng tâm gọi la'luc huóng tâm.
mv2
Công thức của lực huóng tâm : Fht = —— = mco	Phát biểu và viết công thức của lực hướng tâm.
 	a) Lực hướng tâm có phải là một loại lực mới như lực hấp dẫn hay không ?
b) Nếu nói (trong ví dụ b sách giáo khoa) vật chịu 4 lực là p, N, Fmsn và Fht thì đúng hay sai ? Tại sao ?
 	Nêu một vài ứng dụng của chuyển động li tâm.
r
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Một vật có khối lượng m = 20 g đặt ở mép một chiếc bàn quay. Hỏi phải quay bàn với tần số vòng lớn nhất bằng bao nhiêu để vật không văng ra khỏi bàn ? Cho biết mặt bàn hình tròn, bán kính 1 m. Lực ma sát nghỉ cực đại bằng 0,08 N.
Một ô tô có khối lượng 1 200 kg chuyển động đều qua một đoạn cầu vượt (coi là cung tròn) với tốc độ 36 km/h. Hỏi áp lực của ô tô vào mặt đường tại điểm cao nhất (Hình 14.7) bằng bao nhiêu ? Biết bán kính cong của đoạn cầu vượt là 50 m. Lấy g= 10 m/s2.
A. 11 760 N;	B. 11 950 N;
c. 14 400 N;	D. 9 600 N.
’P
Hình 14.7
Một vệ tinh nhân tạo bay quanh Trái Đất ở độ cao h bằng bán kính R của Trái Đất. Cho R = 6 400 km và lấy g = 10 m/s2. Hãy tính tốc độ và chu kì quay của vệ tinh.
Hãy giải thích các hiện tượng sau đây bằng chuyển động li tâm :
Cho rau đã rửa vào rổ rồi vẩy một lúc thì rau ráo nước.
Thùng giặt quần áo của máy giặt có nhiêu lỗ thủng nhỏ ở thành xung quanh (Hình 14.8). ở công đoạn vắt nước, van xả nước mở ra và thùng quay nhanh làm quần áo ráo nước.
Oo o o o o o o°°^ L^°°o o o o ° °°° J ị^Ooo o o o o oO® . ^°oo o o o o o°° < ^°Oo o o o 0°°0J
.	[^°°o o o o o o°° ,
o o o o o o
•Hinh 14.8
Hình 14.9
•iffiTOwragdL	
VỆ TINH NHẢN TẠO CỦA TRÁI ĐẤT Niu-tơn đã nêu ý tướng như sau :
Nếu đặt được một khấu súng đại bác lên đính cúa một ngọn núi rất cao, vượt ra ngoài tầng khí quyển cúa Trái Đất và nếu súng đủ mạnh, thì nó có thế phóng viên đạn đại bác vào quỹ' đạo vòng quanh Trái Đất. Thật vậy, nếu vận tốc của đạn còn nhó thì nó đi theo quỹ đạo A và rơi xuống đất. Nếu vận tốc của đạn lớn hơn thì nó đi theo quỹ đạo B hoặc c và rơi xuống đất. Nếu vận tốc cúa đạn đú lớn thì nó bay vòng quanh Trái Đất theo quỹ đạo D. Khi ấy nó trớ thành vệ tinh nhân tạo của Trái Đất (Hình 14.9).
TÓC ĐỘ VŨ TRỤ - VỆ TINH VIỄN THÔNG
Tốc độ vũ trụ cấp I
Núi
Khi vệ tinh chuyển động tròn đều quanh Trái Đất, lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên vệ tinh đóng vai trò lực hướng tâm :
ôid = 5if	I
GmM mv2 (R + h)2 = R + h
trong đó m là khối lượng của vệ tinh. Từ phương trình trên,
suy ra :
I GM
R +h
Đối với các vệ tinh nhân tạo được phóng ở gần mặt đất (/) « Rì, ta có :
Thay g = 9,8 m/s2, R = 6,4.1 o6 m, ta được V = 7,9 km/s. Đó là tốc độ ném ngang cần gây ra cho một vật đế nó không rơi trở lại mặt đất, mà trớ thành vệ tinh của Trái Đất. Người ta gọi íốc độ 7,9 km/s là tốc độ vũ trụ cấp I.
Nàm 1957, lần đầu tiên trong lịch sứ loài người, Liên Xô (cũ) đã dùng tên lứa phóng thành công vệ tinh nhân tạo của Trái Đất. Vệ tinh đầu tiên này có khối lượng 85 kg, bay một vòng quanh Trái Đất hết 96 phút.
Vệ tinh viễn thông
Người ta dùng những vệ tinh địa tĩnh làm vệ tinh viễn thông. Vệ tinh địa tĩnh c.ó quỹ đạo chuyển động nằm trong mặt phẳng của xích đạo và ớ cách tâm Trái Đất 42 000 km.
Ở độ cao này, chúng có chu kì quay đúng bằng chu kì quay của Trái Đất quanh trục của nó, tức là bằng 24 giờ. Vì thế chúng đứng yên tương đối so với Trái Đất. Do đó, từ một máy phát ở trên mặt đất có thể phát một chùm sóng vô tuyến cực ngắn luôn hướng tới vệ tinh. Vệ tinh thu chùm sóng và phát về trạm thu trên mặt đất (Hình 14.10). Vì các vệ tinh địa tĩnh ở rất cao so với bầu khí quyển, nên vùng phủ sóng là rất rộng. Thêm nữa, chúng không bị sức cán của không khí nên có thể ở lâu dài trên quỹ đạo .đó.
Vệ tinh chuyển động một vòng mất 24 giờ
Vệ tinh
Hình 14.10