Quán tính là gì? Lực quán tính là gì?

Quán tính là gì?

Quán tính là tính chất của mọi vật có xu hướng bảo toàn vận tốc cả về hướng và độ lớn.

Quán tính là tính chất đặc trưng cho sự cản trở của các đối tượng có khối lượng đối với bất kỳ sự thay đổi nào về vận tốc của nó. Điều này bao gồm những thay đổi đối với tốc độ hoặc hướng chuyển động của đối tượng.

Khi có lực tác động, vật không thể thay đổi vận tốc đột ngột vì có quán tính. Vật bên trong sẽ chuyển động ngược chiều với chuyển động của vật bên ngoài. Lực tác động càng lớn thì sự biến đổi chuyển động càng nhanh.

Một khía cạnh của tính chất này là xu hướng của các vật thể tiếp tục chuyển động trên một đường thẳng với tốc độ không đổi, khi không có lực nào tác động lên chúng. Ngoài ra, khía cạnh khác của tính chất này là khi không có lực nào tác động lên chúng thì xu hướng của các vật thể sẽ tiếp tục chuyển động trên một đường thẳng với tốc độ không đổi.

Trong lý thuyết tương đối rộng, chuyển động theo quán tính là chuyển động theo đường trắc địa trong không thời gian. Ngoài ra, khi có một vật bên trong một vật: Theo quán tính,vật ở bên trong sẽ chuyển động ngược hướng với chiều chuyển động của vật bên ngoài.

Nguyên lý quán tính là một trong những nguyên lý cơ bản trong vật lý cổ điển vẫn được sử dụng cho đến ngày nay để mô tả chuyển động của các vật thể và cách chúng bị ảnh hưởng bởi các lực tác dụng lên chúng.

Ví dụ về quán tính

– Khi ô tô đột ngột rẽ phải, phần thân trên của hành khách trên xe có xu hướng chuyển động tiếp theo hướng của vận tốc cũ, do đó hành khách bị nghiêng về bên trái.

– Khi nhảy từ bậc cầu thang cao xuống, chân ta bị gập lại. Vì khi nhảy từ trên cao, người và chân chuyển động cùng vận tốc, khi chạm đất, bàn chân dừng lại nhưng toàn thân và cẳng chân vẫn tiếp tục chuyển động xuống dưới theo quán tính, chân bị gập lại.

– Sau khi giặt quần áo xong, trước khi phơi, người ta thường giũ mạnh quần áo cho nước văng ra. Vì lúc đầu, quần áo và nước trong quần áo cùng chuyển động, khi quần áo dừng lại đột ngột, những giọt nước trong quần áo vẫn duy trì vận tốc cũ, theo quán tính.

Lực quán tính là gì?

Lực quán tính (hay còn gọi là lực ảo) – xuất hiện và tác động lên mọi đối tượng trong 1 hệ quy chiếu phi quán tính. Lực quán tính không xuất phát từ bất kỳ tương tác vật lý nào, mà nó được sinh ra từ gia tốc tự xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính.

Lực quán tính tỷ lệ thuận với khối lượng m tác động, gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính và khối lượng của vật thể so với hệ quy chiếu quán tính. Và chúng có hướng ngược lại với gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính.

Xét 1 vật có khối lượng m nằm trong hệ quy chiếu không quán tính. Tại thời điểm này, hệ quy chiếu không quán tính sẽ chuyển động với gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính thì vật m sẽ phải chịu thêm tác dụng của lực quán tính như sau:

Trong đó:

• Fqt là lực quán tính (N)
• a là gia tốc của hệ quy chiếu chuyển động (m/s2)
• m là khối lượng của vật.

Lực quán tính sẽ xuất hiện khi 1 hệ quy chiếu có gia tốc cao hơn so với các hệ quy chiếu khác. Và 1 hệ quy chiếu có thể được gia tốc theo bất kỳ phương pháp nào vì thế lực quán tính cũng rất tùy ý. 4 lực quán tính thường được định nghĩa theo các cách gia tốc thường xảy ra đó là:

• 1 lực gây ra bởi 1 gia tốc tương đối bất kỳ theo 1 đường thẳng
• Hai lực được tạo ra bất kỳ từ chuyển động quay nào đó
• Lực cuối (lực Euler) được sinh ra bởi sự thay đổi của tốc độ quay.

Lực quán tính ly tâm

Lực quán tính ly tâm là trường hợp đặc biệt của lực quán tính. Nó chỉ xuất hiện nếu ta chọn hệ quy chiếu gắn với vật chuyển động tròn. Đây là hệ quả của trường gia tốc xuất hiện trong hệ quy chiếu không quán tính và trường hợp này là hệ quy chiếu quay.

Lúc này, trong hệ quy chiếu quay ta sẽ nhìn thấy các vật thể vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính sẽ bị đẩy ra theo phương xuyên tâm quay. Và lực đẩy vật thể ra trong hệ quy chiếu này được gọi là lực ly tâm.

Lực quán tính ly tâm sẽ tác dụng lên vật nằm bên trong hệ quy chiếu quay, có phương thẳng nối tâm của đường cong với trọng tâm của vật chuyển động. Và chiều hướng từ tâm của đường cong ra phía ngoài. Lực ly tâm thường tỷ lệ với khối lượng của vật chuyển động, bình phương tốc độ dài và tỷ lệ nghịch với bán kính của đường cong.

Đặc điểm của lực quán tính

– Khi lực tác động càng lớn thì sự biến đổi về trạng thái chuyển động diễn ra càng mạnh, càng nhanh.

– Đặc điểm của quán tính còn được thể hiện đó là khi hai vật có khối lượng càng lớn thì việc biến đổi trạng thái chuyển động càng diễn ra chậm hơn.

Ví dụ trường hợp xe ô tô con và xe bán tải chuyển động cùng vận tốc, tuy nhiên, khi hãm phanh lại với lực cùng độ lớn thì xe bán tải sẽ có thời gian dừng lại lâu hơn.

Sự cân bằng lực quán tính

Sự cân bằng lực quán tính xảy ra khi vật chịu tác dụng của hai lực cân bằng. Khi vật chịu đồng thời hai lực cân bằng, vật không hề dừng lại. Vật vẫn tiếp tục chuyển động theo vận tốc và hướng lúc đầu. Đây chính là quán tính của vật tạo ra sự chuyển động. Không chỉ vậy, vật có khối lượng càng lớn thì sự biến đổi chuyển động của vật diễn ra càng chậm. Hay nói cách khác, vật có khối lượng càng lớn thì quán tính càng lớn.

Lấy một ví dụ đơn giản, khi chúng ta đi xe ô tô lớn. Chúng ta phanh xe lại. Xe sẽ mất khoảng vài giây để dừng hẳn chuyển động dù đã chịu lực cản. Điều này cho thấy, khối lượng của xe lớn dẫn đến quán tính của xe cũng lớn. Xe vẫn tiếp tục chuyển động về phía trước dù đã được phanh lại. Sự cân bằng lực quán tính, chúng ta có thể nhận ra khi đi xe với vận tốc đều. Mặc dù lúc này xe đang chịu tác dụng của trọng lực và lực nâng của trái đất. Tuy nhiên, xe vẫn chuyển động đều mà không có thay đổi.

Tìm hiểu lực quán tính trong các hệ quy chiếu

• Hệ quy chiếu chỉ tồn tại gia tốc tịnh tiến

Gọi K’ là hệ quy chiếu phi quán tính, ta có chuyển động của gia tốc tịnh tiến so với hệ quy chiếu quán tính K. Mọi khối lượng m trong hệ quy chiếu K’ sẽ luôn chịu tác động của lực quán tính tịnh tiến: F inertial = -ma

• Hệ quy chiếu chỉ tồn tại chuyển động quay

Trong hệ quy chiếu quay xuất hiện tốc độ góc là hệ quy chiếu quán tính thì mọi khối lượng m sẽ luôn bị 3 lực quán tính tác động của 3 lực, bao gồm:

Ta có, chính là sự thay đổi của vectơ tốc độ góc Ω theo thời gian.

• Hệ quy chiếu tổng quát

Xét trong hệ quy chiếu phi quán tính K’, quay với tốc độ Ω , có tịnh tiến gia tốc là a. Nếu xét trong hệ quy chiếu quán tính K’ thì mọi khối lượng m sẽ phải chịu tác động của cả 4 lực quán tính nói trên.

Giải thích 1 số hiện tượng trong thực tế

Trong thực tế, có rất nhiều hiện tượng xảy ra tự nhiên và có rất nhiều người đã thắc mắc về nguồn gốc, cơ sở của hiện tượng đó từ đâu mà có. Dưới đây là lời giải mã cho một số hiện tượng tự nhiên:

Hành tinh chuyển động với quỹ đạo gần tròn, ổn định quanh mặt trời. Nhờ lực hướng tâm mà các hình tinh đã chuyển động theo quỹ đạo gần giống hình tròn quanh mặt trời. Đồng thời, sự chuyển động này cũng tạo ra lực quán tính ly tâm, nên các hành tinh sẽ không bị hút về phía mặt trời.

Mặt trăng chuyển động xung quanh Trái Đất. Nhờ có lực hướng tâm (lực hấp dẫn), mà mặt trăng có thể chuyển động xung quanh Trái Đất. Tuy vậy, mặt trăng và các vệ tinh nhân tạo vẫn không rơi vào Trái Đất nhờ tốc độ chuyển động của chúng đủ lớn để tạo ra lực quán tính ly tâm giúp cân bằng với lực hút của Trái Đất.

Các khúc cua vòng tròn trên đường thường được thiết kế mặt đường dốc nghiêng ra ngoài để tránh trường hợp khi xe đi vào khúc cua với tốc độ lớn thì lực quán tính ly tâm sẽ làm xe trượt ra khỏi đường.

Máy giặt thường sử dụng chuyển động quay tròn của động cơ nhằm tạo ra chuyển động tròn trong lồng giặt. Khi quần áo được giặt xong chính những chuyển động tròn này sẽ tạo ra lực quán tính ly tâm làm đẩy văng các hạt nước bám trên vải ra khỏi lồng giặt nhờ đó mà quần áo được vắt khô nhanh hơn.

********************

Đăng bởi: THPT Ngô Thì Nhậm

Chuyên mục: Giáo Dục