Lực ly tâm – Wikipedia tiếng Việt

Lực li 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.

Chúng ta cảm thấy lực này khi ngồi trong xe xe hơi đang đổi hướng, hay chơi trò cảm xúc mạnh như xe lao vận tốc ở khu vui chơi giải trí công viên. Lực này được ứng dụng để tạo nên một trường tần suất giúp phân loại những thành phần trong hỗn hợp vật chất, như máy nghiên cứu và phân tích ly tâm hay để vắt quần áo trong máy giặt .Trong hệ quy chiếu, khi không có lực gì tác động ảnh hưởng vào những vật thể, chúng giữ hoạt động thẳng đều, theo định luật 1 Newton. Tuy nhiên hoạt động thẳng đều này lệch với hoạt động quay của hệ quy chiếu quay. Ví dụ về một người ngồi trong xe xe hơi đang đổi hướng : nếu không có lực ma sát giữa người và ghế, người sẽ liên tục đi thẳng, còn xe hơi và ghế đổi hướng. Người bị di dời, một cách tương đối, lệch khỏi ghế .

Nhìn trong hê quy chiếu quay, các vật thể, vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính, bị đẩy ra theo phương xuyên tâm quay. Lực đẩy vật thể ra, quan sát trong hệ quy chiếu này, chính là lực ly tâm.

Hệ quy chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính là một dạng của hệ quy chiếu phi quán tính, vì chuyển động của hệ quy chiếu này không thẳng đều. Mọi điểm trong hệ quy chiếu quay với vận tốc góc không đổi w quanh một tâm cố định so với hệ quy chiếu quán tính.

Véctơ vận tốc tại điểm cách tâm quay bán kính r sẽ luôn tiếp tuyến với quỹ đạo tròn của điểm quanh tâm quay, và hướng theo chiều quay. Do sau khi quay hết một góc 2π, điểm hoàn thành một quỹ đạo là đường tròn có chu vi dài 2πr, độ lớn không đổi của véctơ vận tốc là wr.

v(t) = {vx(t), vy(t), vz(t)}

Với :

vz(t) = 0

vx(t) = wrcos(wt)

vy(t) = wrsin(wt)

Nếu lấy trục z song song với trục quay; trục x vuông góc với trục quay và theo phương nối từ tâm quay đến điểm đang xét vào lúc t = 0; trục y vuông góc với hai trục còn lại.

Như vậy tại một thời điểm bất kỳ, gia tốc của điểm cách tâm r là:

a(t) = d v(t)/dt

{ax(t), ay(t), az(t)} = {dvx(t)/dt, dvy(t)/dt, dvz(t)/dt}

Hay :

az(t) = 0

ax(t) = –w2rsin(wt)

ay(t) = w2rcos(wt)

Như vậy véctơ gia tốc cũng quay tròn với vận tốc góc w, luôn vuông góc với véc tơ vận tốc, theo phương luôn hướng vào tâm quay. Nó có độ lớn tỷ lệ với bình phương w và với khoảng cách r. Gia tốc trong công thức trên là gia tốc ly tâm, cũng có thể biểu diễn bằng biểu thức:

a = w × (w × r)

với w là véc tơ vận tốc góc của chuyển động quay của hệ; r là véc tơ vị trí từ tâm quay đến điểm đang xét gia tốc ly tâm; × là phép nhân véc tơ.

Lực quán tính lên vật có khối lượng m tại điểm cách tâm quay r là:

F(t) = – m a(t)

F = –m ω × (ω × r)

với m là khối lượng vật thể.

Độ lớn của lực là

|F| = mw2r

Còn phương của lực luôn ngược chiếu với tần suất nghĩa là luôn theo phương ly tâm. Như vậy độ lớn của lực ly tâm tỷ suất thuận với bình phương của tốc độ góc, và với nửa đường kính quay .Cũng hoàn toàn có thể liên hệ với vận tốc thẳng thay cho vận tốc góc :

|F| = m |v|2 / |r|

Như vậy, độ lớn của lực ly tâm tỷ suất thuận với khối lượng của vật hoạt động, với bình phương của vận tốc thẳng, và tỷ suất nghịch với nửa đường kính của đường cong. Phương của lực ly tâm là đường thẳng nối tâm của đường cong với trọng tâm của vật hoạt động, và chiều là từ tâm của đường cong ra phía ngoài .Công thức trên đúng cho vật thể đứng yên trong hệ quy chiếu quay. Nếu vật thể vận động và di chuyển trong hệ quy chiếu quay, lực quán tính mà vật nhận được sẽ là lực Coriolis .
Hệ quy chiếu quay giúp tất cả chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra trường tần suất tự tạo với độ lớn tinh chỉnh và điều khiển được bằng vận tốc quay và khoảng cách tới tâm quay. Trường tần suất tự tạo hoàn toàn có thể được ứng dụng những trạm thiên hà, như trạm ngoài hành tinh quốc tế, tạo ra một môi trường tự nhiên giúp phi hành gia có cảm xúc về khối lượng biểu kiến, như thiên nhiên và môi trường sống quen thuộc trên Trái Đất. Khả năng tinh chỉnh và điều khiển cảm xúc về khối lượng biểu kiến của trường tần suất ly tâm cũng được ứng dụng trong những game show cảm xúc mạnh như xe lao vận tốc .

Trong trường gia tốc, vật có khối lượng riêng thấp có xu hướng nổi lên trên các vật có khối lượng riêng lớn hơn; giúp phân tích các vật chất thành nhiều thành phần. Đây là ứng dụng trong máy phân tích ly tâm. Trường gia tốc ly tâm mạnh trong máy giặt giúp vắt khô quần áo khi trống vắt quay nhanh.

Một ứng dụng tầm cỡ của lực ly tâm trong cơ khí là bộ điều tốc ly tâm. Khi vận tốc quay của động cơ tăng, những quả nặng ( miêu tả trong hình vẽ ) chịu lực ly tâm lớn hơn, văng xa ra hơn và khép lại đường ống nguyên vật liệu của động cơ ( hoặc, một cách tổng quát, giảm nguồn nguồn năng lượng cho động cơ ) ; điều này dẫn đến vận tốc động cơ giảm lại. Khi vận tốc động cơ xuống thấp, lực ly tâm lên những quả nặng giảm, những quả nặng bị trọng tải kéo xuống và lan rộng ra đường ống nguyên vật liệu ; điều này làm vận tốc động cơ tăng trở lại. Đây là một ví dụ của hoàn ngược âm, giúp điều tiết và giữ vận tốc quay của động cơ không thay đổi. Lực ly tâm cũng được dùng trong bộ ly hợp tự động hóa của một số ít xe máy hay xe hơi. Khi vận tốc quay của động cơ đạt đến ngưỡng thích hợp, lực ly tâm lên những quả nặng trong bộ ly hợp sẽ đủ lớn đến khép chặt những tiếp xúc và chuyển bộ ly hợp sang trạng thái truyền lực khiến xe chuyển bánh. Khi vận tốc động cơ dưới ngưỡng, lực ly tâm không đủ lớn và bộ ly hợp ngắt lực truyền, giúp xe đứng tại chỗ nhưng động cơ vẫn nổ máy .

Giải thích một số hiện tượng trong thực tế:

• Các vệ tinh nhân tạo, mặt trăng có thể chuyển động tròn đều (gần tròn) quanh Trái Đất là nhờ lực hướng tâm (lực hấp dẫn) tuy nhiên mặt trăng và các vệ tinh nhân tạo không rơi vào Trái Đất là nhờ tốc độ chuyển động đủ lớn tạo ra lực quán tính ly tâm cân bằng với lực hút của Trái Đất.
• Các hành tinh chuyển động với quỹ đạo gần tròn quanh mặt trời là nhờ lực hấp dẫn của mặt trời đối với các hành tinh đóng vai trò lực hướng tâm, đồng thời chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời cũng tạo ra lực quán tính ly tâm nhờ đó mà các hành tinh không bị hút về phía mặt trời.
• Vào các khúc cua tròn trên đường, người ta thường làm mặt đường dốc nghiêng ra ngoài để tránh trường hợp các vào cua với tốc độ lớn lực quán tính ly tâm sẽ làm xe bị trượt ra khỏi đường.
• Các vận động viên ném tạ dây trước khi ném thường quay tròn để tạo ra hướng tâm và lực quán tính ly tâm lớn sau đó buông tay để tạ có thể bay xa hơn.
• Các máy giặt hiện đại thường sử dụng chuyển động quay tròn của động cơ để tạo ra chuyển động tròn của lồng giặt, khi quần áo được giặt xong chuyển động tròn tạo ra lực quán tính ly tâm đẩy văng các hạt nước dính trên quần áo ra khỏi lồng giặt thông qua các lỗ nhỏ nhờ đó mà quần áo được vắt khô hơn so với giặt tay. Đây cũng là nguyên lý chung của các loại máy ly tâm.

Source: https://mindovermetal.org
Category: Ứng dụng hay