Công thức lực hướng tâm - kiến thức Vật lý lớp 10

Công thức lực hướng tâm là một kiến thức vô cùng quan trọng trong chương trình Vật lý lớp 10. Lực hướng tâm là lực (hợp lực của các lực) tác động lên một vật chuyển động tròn đều, tạo cho vật một gia tốc hướng tâm. Bản chất thực sự của lực hướng tâm không phải là một lực mới, mà là hợp lực của các lực đã tác động vào vật, giữ cho vật chuyển động tròn đều và gây ra một gia tốc hướng tâm cho vật đó. Cụ thể như thế nào, các bạn hãy cùng Dự báo thời tiết 15 ngày tới tìm hiểu nhé.

Khái niệm công thức lực hướng tâm là gì?

Lực hướng tâm công thức là gì?

Lực hướng tâm là lực (hợp lực của các lực) tác động lên một vật chuyển động tròn đều, tạo cho vật một gia tốc hướng tâm.

Đơn vị của công thức lực hướng tâm

Giống như các lực khác, lực hướng tâm cũng có đơn vị là N

Các đặc điểm của lực hướng tâm

• Bản chất thực sự của lực hướng tâm không phải là một lực mới, mà là hợp lực của các lực đã tác động vào vật, giữ cho vật chuyển động tròn đều và gây ra một gia tốc hướng tâm cho vật đó.
• Chiều của lực hướng tâm hướng vào tâm quay và có phương của bán kính quỹ đạo, với điểm đặt ngay tại vật.

Công thức lực hướng tâm

Công thức tính lực hướng tâm

Fht = m.aht = m.v² /r = m.w².r

Trong đó:

• Fht: lực hướng tâm (đơn vị N)
• m: khối lượng của vật (đơn vị kg)
• aht: gia tốc hướng tâm (đơn vị m/s²)
• V: tốc độ dài của vật chuyển động tròn đều (đơn vị m/s)
• r: bán kính quỹ đạo tròn (đơn vị m)
• w: tốc độ góc của vật chuyển động tròn đều (đơn vị rad/s)

Một số ví dụ về lực hướng tâm

• Trong hệ quy chiếu gắn với trái đất được xem là đứng yên, lực hấp dẫn sẽ giữ cho vệ tinh không bị văng khỏi quỹ đạo chuyển động tròn xung quanh trái đất, có thể hiểu lực hấp dẫn đóng vai trò như là lực hướng tâm.
• Khi một vật được gắn chặt vào đầu của một sợi dây sau đó quay nhanh đều sợi dây đó, thì ta sẽ thấy vật chuyển động tròn xung quanh quỹ đạo, nếu buông tay vật sẽ bị văng khỏi quỹ đạo tròn, điều đó chứng tỏ rằng lực căng của sợi dây đã giữ cho vật chuyển động tròn đều, suy ra, lực căng đóng vai trò là lực hướng tâm.
• Khi đặt một vật lên trên bàn và bắt đầu quay tròn đều với vận tốc vừa đủ, vật vẫn nằm im nhờ vào lực ma sát nghỉ, suy ra, lực ma sát nghỉ đóng vai trò là lực hướng tâm.

Bài tập công thức lực hướng tâm có lời giải

Bài tập lực hướng tâm lớp 10

Bài tập dạng 1: Tính lực hướng tâm

Áp dụng công thức chuyển động tròn đều:

• Chu kỳ: T = 2π/ω
• Tần số: f=1/T=ω/2π
• Tốc độ góc: ω=v/r=2π/T=f/2π
• Lực hướng tâm: Fht=m.aht
• Gia tốc hướng tâm:  aht =v2r=r.ω2
• Công thức liên hệ giữa tốc độ dài với tốc độ góc: v=rω

Ví dụ 1: Xe đạp của một VĐV chuyển động thẳng đều với vận tốc v = 36km / h. Giả sử bán kính của lốp xe là 40 cm. Hãy tính vận tốc góc với gia tốc hướng tâm ở một điểm ở trên lốp.

• Vận tốc của xe đạp cũng chính là tốc độ dài của một điểm ở trên lốp xe: v = 36km/h = 10m/s
• Tốc độ góc: ω=vr=10/0,4=25rad/s
• Gia tốc hướng tâm tại một điểm của lốp bánh xe là: aht=v2r=250m/s2

Bài tập dạng 2: Tính áp lực của một vật ở điểm cao nhất của vòng cầu

Bước 1: Xác định vectơ của lực hướng tâm.

• Vẽ hình, sau đó tìm tất cả các lực đã tác dụng lên vật chuyển động tròn.
• Tổng hợp các lực theo phương bán kính đồng thời hướng vào tâm đó là lực hướng tâm.

Bước 2: Viết biểu thức và tính độ lớn của lực hướng tâm theo m và aht

Bước 3: Đồng nhất biểu thức lực và biểu thức độ lớn tìm ẩn số.

Với bài toán tính áp lực vật  tại điểm cao nhất của vòng cầu thì:

Cầu vồng lên:

• P − N = maht ⇔ N = P − Fht

Cầu vồng xuống (cầu lõm):

• N − P = maht ⇔ N = P + Fht
• N − P = V ⇔ N = P + Fht

Bài tập dạng 3: Tính độ biến dạng lò xo khi vật chuyển động tròn xung quanh 1 điểm cố định

Công thức tính lực hướng tâm đóng vai trò như là một lực đàn hồi. Áp dụng công thức: Fđh = Fht hoặc Fms = Fht

Bài tập 1: Một vật có khối lượng là 100g gắn với đầu lò xo có chiều dài tự nhiên l = 20cm, k = 20 N/m. Cho hệ lò xo và vật quay đều trên một mặt phẳng nằm nghiêng và không ma sát v = 60 vòng/phút. Bỏ qua mọi ma sát và tính độ biến dạng của lò xo.

Hướng dẫn làm bài:

Ta có tốc độ góc: ധ = 60×2π/60 = 2π rad/s

Lực đàn hồi đóng vai trò lực hướng tâm: Fđh = Fht

⇒ kΔl = m.ω2(l + Δl)

Vậy Δl = 6.3 .10-3 m

Bài tập 2: Hệ số ma sát nhỏ giữa đồng xu với mặt bàn là 0.3. Bàn được quay quanh một trục cố định với thời gian 33.3 vòng/phút. Khoảng cách cực đại giữa trục quay của bàn cùng với đồng xu là bao nhiêu để vật đứng yên? Lấy g = 10 m/s2

Hướng dẫn:

Ta có tốc độ góc ധ = 33.3×2π/60 = 1.11π rad/s

Để vật có thể đứng yên thì lực hướng tâm phải cân bằng với lực ma sát nên: Fms = Fht suy ra μmg = m.ω2.R

Vậy R = 0.86 m

Xem thêm: Công thức phép quay - tổng hợp kiến thức đầy đủ nhất 2022

Với bài viết hôm nay, Dự báo thời tiết 15 ngày tới hi vọng các bạn đã nắm được lực hướng tâm là gì? Công thức lực hướng tâm như thế nào? Hãy rèn luyện dạng bài tập này thật nhiều để đạt được những điểm số cao trong quá trình học tập nhé!