- Nêu được lực hướng tâm trong chuyển động tròn đều là hợp lực tác dụng lên vật và viết được công thức Fht= mv2
r = mω2r
- Xác định được lực hướng tâm và giải được bài toán về chuyển động tròn đều khi vật chịu tác dụng của một hoặc hai lực.
- Hiểu được chuyển động ly tâm và cách phòng tránh.
- Biết cách xác định lực hướng tâm và giải được bài toán: Hợp lực của trọng lực và phản lực đóng vai trò lực hướng tâm khi tàu hoả đi vào khúc lượn cong, ô tô chuyển động trên cầu cong ...
2. Liên hệ thực tế về giao thông
Khi đi xe đạp, xe máy vào các đường cua đường vòng, một cách tự nhiên ta phải làm xe nghiêng so với mặt đường một góc nào đó. Bản thân các đoạn đường vòng người ta thường làm hơi nghiêng để tạo ra lực hướng tâm làm cho xe chuyển động cua dễ dàng. Vậy lực hướng tâm ảnh hưởng như thế nào cho các phương tiện khi đến đường vòng.
Lực ly tâm (lực quán tính ly tâm) là một lực quán tính xuất hiện trên mọi vật nằm yên trong hệ quy chiếu quay so với một hệ quy chiếu quán tính. Nó là hệ quả của trường gia tốc, xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính mà trong trường hợp này là hệ quy chiếu quay.
Cũng có thể hiểu lực ly tâm là phản lực của lực hướng tâm tác động vào vật đang chuyển động theo một đường cong (thành phần lực vuông góc với vận tốc và làm đổi hướng vận tốc), để giữ cho vật nằm cân bằng trong hệ quy chiếu quay.
Công thức tính lực quán tính ly tâm: Fq = Fht = mv2/ R= m ω2R
3. Lực ly tâm ảnh hưởng đến chuyển động của các xe tham gia giao thông như thế nào?
1. Đối với đoạn đường cong trên mặt phẳng nằm ngang
Khi xe chạy trên đoạn đường cong, sẽ xuất hiện một lực ly tâm:
+ Có điểm gốc là trọng tâm xe; Phương nằm ngang + Chiều hướng từ tâm của đoạn cong ra ngoài.
+ Độ lớn F = mv2/R , tỉ lệ thuận với m, với bình phương v và tỉ lệ nghị với R Mỗi xe có trọng lượng cố định, vì thế để giảm lực này phải giảm vận tốc khi vào cua hoặc phải tăng bán kính (tức là phải cua rộng ra, dễ gây tai nạn khi đi vào làn đường khác mất an toàn).
Để không tăng bán kính cong mà vẫn đảm bảo vận tốc xe chạy, tại các đoạn cong người ta thường làm đường nghiêng về phía trong để một phần trọng lực của xe tác dụng như lực hướng tâm, đối ngược lại tác động của lực ly tâm.
Hình ảnh: Ô tô bị văng ra khỏi làn đường khi vào khúc cua Hình ảnh: Xe máy bị trượt ngã khi đi qua khúc cua
Ví dụ: Một xe có khối lượng là m = 5 tấn = 5000 kg, chạy trên đoạn đường cong có bán kính cong là 50 m. Tốc độ xe chạy v = 50 km/h = 13,89 m/s. Lực ly tâm khi đó sẽ là: F = 19 290 N, đẩy vào trọng tâm xe theo phương nằm ngang, theo chiều từ tâm của đoạn đường cong hướng ra ngoài. Ngoài lực ly tâm, xe còn có trọng lực. P = mg = 50 000 N. Lực ly tâm và trọng lực tạo thành một hợp lực làm xa chuyển động luôn có xu hướng văng ra ngoài đường cong của khúc cua.
Lực ly tâm cũng có thể là một phần nguyên nhân gây tai nạn ở một số trường hợp đi xe đi xe máy, xe đạp điện khi rẽ ở ngã ba, ngã tư với tốc độ cao.
Có thể đưa ra 4 yếu tốc tác động tới hiện tượng lật xe. Thứ nhất, tốc độ càng cao càng nguy hiểm. Thứ hai, bán kính cong của đoạn đường càng nhỏ càng bất lợi. Thứ ba, xe càng chất nặng, xếp cao càng nguy hiểm, vì trọng tâm xe càng cao so với mặt đường. Cuối cùng, chiều rộng đế càng hẹp xe càng dễ đổ.
Điều này giải thích tai nạn đổ tàu E1 năm 2005 tại Lăng Cô – Thừa Thiên Huế, vì tuy bán kính cong của đường sắt thường không nhỏ hơn 100 m, nhưng khoảng cách giữa hai thanh ray tức là chiều rộng của mặt đế lại hẹp, thường không quá 1,2 m, nên hợp lực của trọng lực và lực ly tâm dễ kéo ra ngoài mặt đế, gây đổ tàu. Do đó, ở đoạn đường ray có bán kính cong 100 m, thường phải hạn chế tốc độ dưới 60 km/h. Nếu chạy quá 60 km/h thì tai nạn xảy ra là khó tránh khỏi.
Hình ảnh: Đoàn tàu E1 bị lật và đứt lìa các toa tại Lăng Cô – Thừa Thiên Huế 2. Đoạn đường cong theo mặt phẳng đứng
Đây là đoạn đường có tuyến thẳng trên mặt bằng, nhưng bị uốn vồng lên hoặc lõm xuống, trường hợp này lực ly tâm vẫn tính như trên và xuất phát từ trọng tâm xe, nhưng có phương thẳng đứng, có chiều từ dưới lên trên nếu đường cong vồng lên. Còn chiều từ trên xuống dưới, nếu đường cong lõm xuống.
Ví dụ: Xe có khối lượng m = 5000 kg, chạy với tốc độ v = 60 km/h trên đoạn đường cong theo mặt phẳng đứng, vồng lên, với bán kính cong R = 50 m. Trường hợp này, lực ly tâm F = 27 750 N, nhưng có chiều thẳng đứng từ dưới lên trên.
Trọng lực xe vẫn tính như trên bằng 50.000 N. Do lực ly tâm và trọng lực ngược chiều nên trọng lực xe còn 22 250 N, tức là xe nhẹ đi quá nửa, xe sẽ có hiện tượng như đi trên đường trơn, hệ số ma sát nhỏ đi quá nửa, dễ bị trượt sang ngang do tay lái đột nhiên nhẹ bỗng. Cũng trường hợp này, nếu xe chạy với tốc độ 80 km/h, lực ly tâm sẽ bằng 49 327 N, nghĩa là xấp xỉ bằng trọng lực. Lúc này hầu như xe không bám đường nữa, giống như bị nhấc bỗng lên, tay lái mất tác dụng và xe hoàn toàn bất định, bị lăng sang ngang theo quán tính.
Bài tập vận dụng: Xe có khối lượng 10 tấn đi qua cầu vồng. Cầu có bán kính cong là 50m. Giả sử xe chuyển động đều với vận tốc 10 m/s.
1. Tính lực nén của xe lên cầu
a. Tại điểm A cao nhất của cầu (đỉnh cầu)
b. Tại điểm B nơi bán kính cong hợp với phương thẳng đứng góc 300. Lấy g = 10m/s2.
2. Với vận tốc của xe bằng bao nhiêu thì khi lên đến điểm cao nhất không có lực nén lên cầu, khi đó thì xe chuyển động như thế nào?
- Hướng dẫn:
1. Khi ô tô qua cầu, hợp lực của urP
và Qur
, gây ra gia tốc hướng tâm:
Độ lớn: Pcosα – Q = maht = mv2
R
=> Q = m(gcosα - v2
R )
a. Tại A góc α = 0 => Q = m(g - v2
R ) = 80000( N) b. Tại B góc α = 300 => Q = m(gcosα - v2
R ) = 66602,5 (N)
Phản lực Q có độ lớn bằng áp lực N của xe nén lên cầu. Luôn nhỏ hơn trọng lượng của xe
2. Khi không có lực nén lên cầu nghĩa là: Q = 0 Tại điểm cao nhất: Q = m(g - v2
R ) = 0 => g - v2
R = 0 => v = Rg = 10 5 (m/s) Khi đó xe chuyển động giống như bay khỏi mặt đường, rất khó điều khiển và có thể gây tai nạn trên cầu.