MỞ ĐẦU

Tại sao Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời? Tại sao những đoạn đường vòng thường phải hạn chế tốc độ của xe và mặt đường thường phải hơi nghiêng về phía tâm?

Giải chi tiết:

- Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời do có lực hấp dẫn của Mặt Trời tác dụng lên Trái Đất, lực hấp dẫn đóng vai trò lực hướng tâm giữ cho Trái Đất chuyển động trên quỹ đạo của nó.

- Trên những đoạn đường vòng thường phải hạn chế tốc độ của xe và mặt đường thường phải hơi nghiêng về phía tâm. Vì:

+ khi xe đi vào đoạn đường cong giống như xe đang chuyển động trên quỹ đạo tròn, khi đó lực ma sát nghỉ giữa xe và mặt đường và thành phần nằm ngang của phản lực đóng vai trò lực hướng tâm.

+ nếu xe đi với tốc độ quá lớn khi đó lực hướng tâm không đủ lớn để giữ được cho xe chuyển động trên quỹ đạo tròn mà sẽ bị văng ra nên người ta phải làm mặt đường hơi nghiêng về phía tâm đồng thời hạn chế tốc độ của xe khi đi trên đoạn đường đó.

I. Lực hướng tâm

Dùng một sợi dây nhẹ không dãn buộc vào một cái tẩy. Quay dây sao cho cái tẩy chuyển động tròn trong mặt phẳng nằm ngang có tâm là đầu dây mà tay giữ (Hình 32.1).

Câu 1: Lực nào sau đây làm cái tẩy chuyển động tròn?

• Trọng lực tác dụng lên cái tẩy.

• Lực cản của không khí.

• Lực căng dây hướng vào tâm quỹ đạo của cái tẩy.

Giải chi tiết:

Đó là lực căng dây hướng vào tâm quỹ đạo của cái tẩy.

Câu 2: Nếu cái tẩy đang chuyển động mà ta buông tay ra thì:

• Cái tẩy tiếp tục chuyển động tròn.

• Cái tẩy sẽ rơi xuống đất theo phương thẳng đứng.

• Cái tẩy văng ra theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo theo hướng vận tốc tại điểm đó.

Giải chi tiết:

Cái tẩy văng ra theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo theo hướng vận tốc tại điểm đó.

Câu 3: Lực nào duy trì chuyển động tròn của Trái Đất xung quanh Mặt Trời?

Giải chi tiết:

Lực duy trì chuyển động tròn của Trái Đất xung quanh Mặt Trời là : Lực hấp dẫn của Mặt Trời lên Trái Đất

Câu 4: Tìm ví dụ về lực hướng tâm

Giải chi tiết:

Rẽ cua trên mặt phẳng nghiêng.

Buộc một vật vào đầu 1 sợi dây, và cầm đầu còn lại của sợi dây quay tròn.

Chiếc máy bay đang lượn vòng. Để chuyển hướng, người phi công làm nghiêng cánh máy bay.

II. Gia tốc hướng tâm

Câu 1: Tính gia tốc hướng tâm của một vệ tinh nhân tạo chuyển động tròn đều quanh trái đất với bán kính quỹ đạo là 7 000km và tốc độ 7,57km/s

Giải chi tiết:

Đổi 7000 km = 7.106m; 7,57 km/s = 7570 m/s

Gia tốc hướng tâm là: 7570²/7.10⁶ = 8,19 (m/s²)

Câu 2: Tính gia tốc hướng tâm của Mặt Trăng trong chuyển động quay quanh Trái đất (coi Mặt Trăng chuyển động tròn đều quanh Trái đất). Biết khoảng cách từ Mặt Trăng đến tâm Trái đất là 3,84x 10⁸m và chu kỳ quay là 27,2 ngày.

Giải chi tiết:

Đổi 27,2 ngày = 2 350 080 s

Gia tốc hướng tâm của Mặt Trăng là: =2,74. 10⁻³

Câu 3: Kim phút của mộtc hiếc đồng hồ dai 8cm. Tính gia tốc hướng tâm của đầu kim

Giải chi tiết:

Chu kỳ của kim hút là 3 600s.

8cm = 0,08m

Vậy gia tốc hướng tâm của nó là :

III. Công thức độ lớn lực hướng tâm

HOẠT ĐỘNG

Vẽ hợp lực của lực căng dây và trọng lực , từ đó xác định lực hướng tâm trong Hình 32.4.

Giải chi tiết

Lực hướng tâm trong trường hợp này chính là hợp lực có độ lớn F = T.sinα

Câu 1: Trong trường hợp ở hình 32.4, dây dài 0.75m

a. Bạn A nói rằng tốc độ quay càng lớn thì góc lệch của dây so với hương thẳng đứng cũng càng lớn. Hãy chứng minh điều đó.

b. Tính tần số quay để dây lệch góc 60∘ so với hướng thẳng đứng. lấy g= 9,8m/s²

Giải chi tiết:

a) Gọi chiều dài dây là ℓ

Tốc độ quay v = ω.r mà

R=1.sin và

Khi tốc độ v càng lớn thì r càng lớn nên góc α cũng càng lớn.

b) Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ:

Chiếu biểu thức định luật 2 Niuton xuống các hệ trục tọa độ tương ứng:

Câu 2: Hình 32.5 mô tả một vệ tinh nhân tạo đang quay quanh Trái Đất.

a. Lực nào là lực hướng tâm?

b. Nếu vệ tinh trên là vệ tinh địa tĩnh ( nằm trong mặt hẳng xích đạo của Trái Đất và có tốc độ góc bằng tốc độ góc tự quay của Trái Đất quanh trục của nó ). Hãy tìm gia tốc hướng tâm của vệ tinh. Cho gần đúng bán kính Trái Đất là 6 400km và độ cao của vệ tinh so với mặt đất là 35 780km.

Giải chi tiết:

a) Lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên vệ tinh là lực hướng tâm.

b)

Chu kì quay của Trái Đất quanh trục của nó là: T = 24 h = 86400 s

Tốc độ góc tự quay của Trái Đất quanh trục của nó là:

ω=2π/T=2π/86400 ≈ 7,27.10⁻⁵ rad/s

Bán kính quỹ đạo chuyển động của vệ tinh là:

r = 6400 + 35780 = 42180 km = 4218.10⁴ m

Gia tốc hướng tâm của vệ tinh là:

(7,27.10^-5)².4218.10⁴ ≈ 0,22 m/s²

HOẠT ĐỘNG

Hình 32.6 mô tả ô tô chuyển động trên quỹ đạo tròn trong hai trường hợp: mặt đường nằm ngang (Hình 32.6a) và mặt đường nghiêng góc θ (Hình 32.6b).

Hãy thảo luận và cho biết:

a) Lực nào là lực hướng tâm trong mỗi trường hợp.

b) Lí do để ở các đoạn đường cong phải làm mặt đường nghiêng về phía tâm.

c) Tại sao các phương tiện giao thông phải giảm tốc khi vào các cung đường tròn?

Giải chi tiết:

a)

• Hình 32.6a: Lực ma sát đóng vai trò là lực hướng tâm.

• Hình 32.6b: Các thành phần theo phương nằm ngang của phản lực N và của lực ma sát đóng vai trò là lực hướng tâm.

b) Vì để đảm bảo sự di chuyển và an toàn của người và phương tiện. Khi xe chạy ở các đoạn đường cong, 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 nên mặt đường phải được thiết kế nghiêng một góc so với phương ngang để hợp lực hướng vào tâm đường tròn và đóng vai trò lực hướng tâm, bảo đảm cho xe chạy vòng theo quỹ đạo tròn.

c) Các phương tiện giao thông phải giảm tốc khi vào các cung đường tròn vì để đảm bảo sự an toàn cho người và phương tiện. Nếu các phương tiện giao thông chuyển động với tốc độ lớn, lực hướng tâm không đủ để giữ cho chúng chuyển động tròn theo quỹ đạo, khi đó xe sẽ bị văng ra khỏi quỹ đạo.

EM CÓ THỂ

Câu 1: Giải thích vì sao trong môn xiếc mô tô bay, diễn viên xiếc có thể đi mô tô trong thành của một cái lồng quay tròn mà không bị rơi (Hình 32.7)

Giải chi tiết:

Trong môn xiếc mô tô bay, diễn viên xiếc có thể đi mô tô trong thành của một cái lồng quay tròn mà không bị rơi đó là vì người diễn viên này đã đi mô tô với vận tốc đủ lớn để có thể tạo ra gia tốc hướng tâm cần thiết, duy trì áp lực của xe lên thành gỗ làm cho ma sát nghỉ đủ lớn để giữ cho xe không bị rơi xuống.

Câu 2: Chuyển động li tâm

Một vật đặt trên mặt chiếc bàn quay. Nếu tăng tốc độ góc của bàn quay đến một giá trị nào đó thì lực ma sát nghỉ cực đại nhỏ hơn lực hướng tâm cần thiết để 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 32.8)

Giải thích tại sao thùng giặt quần áo của máy giặt có nhiều lỗ thủng ở thành xung quanh.

Giải chi tiết:

Vì khi thùng giặt quay nhanh, lực liên kết giữa nước và vải nhỏ hơn lực hướng tâm cần thiết, khi đó nước và chất bẩn tách ra khỏi vải và văng ra ngoài qua lỗ lưới của thùng giặt.