Góc tò mò: Quán tính là gì? Những lưu ý nào khi nhắc đến quán tính?

Quán tính là thuật ngữ được sử dụng rất nhiều trong môn Vật lý. Quán tính được áp dụng để giải rất nhiều bài tập. Ngoài ra, quán tính cũng được áp dụng để giải thích một số hiện tượng trong cuộc sống. Vậy quán tính là gì? Hãy cùng lessonopoly tìm hiểu qua bài viết sau đây nhé!

Lực quán tính là một loại lực xuất hiện và tác động lên mọi đối tượng trong một hệ quy chiếu phi quán tính
Lực quán tính là một loại lực xuất hiện và tác động lên mọi đối tượng trong một hệ quy chiếu phi quán tính

 

Lực quán tính là gì?

Lực quán tính hay được được gọi là lực ảo là một loại lực xuất hiện và tác động lên mọi đối tượng trong một hệ quy chiếu phi quán tính, ví dụ như hệ quy chiếu quay. 

Lực quán tính  quan tinh la gi 02 hông xuất phát từ bất kỳ tương tác vật lý nào mà nó được sinh ra từ gia tốc  quan tinh la gi 03 tự xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính. Dựa vào định luật Newton 2  quan tinh la gi 04 mà ta biết lực quán tính luôn tỉ lệ thuận với khối lượng m tác động vào. Lực quán tính tỉ lệ thuận với khối lượng của vật thể và gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính so với hệ quy chiếu quán tính và có hướng ngược lại với gia tốc của hệ quy chiếu không quán tính. 

Xét một vật có khối lượng m nằm trong hệ quy chiếu không quán tính. Tại thời điểm này, nhất định hệ quy chiếu không quán tính sẽ chuyển động với gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính thì vật m sẽ chịu thêm tác dụng của lực quán tính như sau:  quan tinh la gi 05

Như vậy, ta không thể quy lực quán tính về các lực cơ bản – là các lực không bao giờ biến mất dưới phép biến đổi của hệ quy chiếu. 

Hãy tham khảo video sau đây để trả lời câu hỏi quán tính là gì, hãy cùng theo dõi các bạn nhé!

 

Một lực quán tính xuất hiện khi một hệ quy chiếu có gia tốc cao hơn so với hệ quy chiếu khác. Một hệ quy chiếu có thể được gia tốc theo bất kỳ phương pháp nào nên lực quán tính cũng rất tùy ý (tuy nhiên nó lại phải phụ thuộc vào gia tốc của hệ quy chiếu). 

Bốn lực quán tính được định nghĩa theo những cách gia tốc thường xảy ra đó là:

Một lực gây ra bởi một gia tốc tương đối bất kỳ theo một đường thẳng (lực quán tính tịnh tiến)

Hai lực được tạo ra bất kỳ từ chuyển động quay nào đó (lực quán tính ly tâm và lực Coriolis) 

Lực cuối hay còn được gọi là lực Euler được sinh ra bởi sự thay đổi của tốc độ quay. 

Một lực gây ra bởi một gia tốc tương đối bất kỳ theo một đường thẳng
Một lực gây ra bởi một gia tốc tương đối bất kỳ theo một đường thẳng

Lực quán tính trong các hệ quy chiếu phi quán tính lực quán

Hệ quy chiếu chỉ có gia tốc tịnh tiến

Tại đây, ta sẽ gọi hệ quy chiếu K’ là hệ quy chiếu phi quán tính chuyển động có gia tốc tịnh tiến là  so với hệ quy chiếu quán tính K. Mà mọi khối lượng m trong hệ quy chiếu K’ phải chịu tác động của lực quán tính tịnh tiến là 

quan tinh la gi 07

Hệ quy chiếu chỉ có chuyển động quay

Trong một hệ quy chiếu quay có tốc độ góc là thì hệ quy chiếu quán tính, mọi khối lượng m phải chịu tác động của ba lực quán tính còn lại đó là:

Lực Coriolis 

Công thức để tính lực Coriolis trong hệ quy chiếu chuyển động quay 
Công thức để tính lực Coriolis trong hệ quy chiếu chuyển động quay

Lực quán tính ly tâm

quan tinh la gi 09

Lực Euler

Công thức tính lực Euler trong hệ quy chiếu chuyển động quay
Công thức tính lực Euler trong hệ quy chiếu chuyển động quay

quan tinh la gi 11

Hệ quy chiếu tổng quát

Với một hệ quy chiếu phi quán tính K’, quay với tốc độ góc là  và có tịnh tiến gia tốc là  so với hệ quy chiếu quán tính K’ thì mọi khối lượng m phải chịu tác động của 4 lực quán tính kể trên. 

Lực quán tính ly tâm

Lực quán tính ly tâm là trường hợp riêng của lực quán tính nó chỉ xuất hiện khi 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 mà trong trường hợp này là hệ quy chiếu quay. Nhìn trong hệ quy chiếu quay ta sẽ thấy các vật thể vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính và bị đẩy ra theo phương xuyên tâm quay. Và lực đẩy vật thể ra trong hệ quy chiếu này chính là lực ly tâm. 

Lực quán tính ly tâm tác dụng lên vật nằm bên trong hệ quy chiếu quay, có phương là đường thẳng nối tâm của đường cong với trọng tâm của vật chuyển động. Chiều hướng từ tâm của đường cong ra phía ngoài. 

Lực ly tâm thường có tỷ lệ với khối lượng của vật chuyển động, bình phương tốc độ dài và tỷ lệ nghịch với bán kính của đường cong.

quan tinh la gi 12

Một số bài tập về lực quán tính, hệ quy chiếu phi quán tính

Câu 1: Một vật có khối lượng 200g được treo vào lực kế trong một thang máy chuyển động biến đổi đều. Hãy xác định hướng chuyển động của thang máy khi số chỉ của lực kế là 1,6N. Lấy g= 10m/s2. Hãy tính gia tốc chuyển động của thang máy.

Hướng dẫn giải:

Chọn hệ quy chiếu gắn với thang máy

m=0,2kg; g= 10m/s2

=> P=mg=2N

Ta có, Lực kế chỉ F=1,6N < 2N => Thang máy đang đi xuống nhanh dần với gia tốc a (hoặc đi lên chậm dần với gia tốc a)

Căn cứ vào vật nằm cân bằng trong thang máy, ta có:

P=F + Fqt => Fqt = P – F =ma => a=2m/s2

Câu 2: Tính áp lực của một vật có khối lượng 40kg  được đặt cố định trên sàn thang máy trong các trường hợp sau, (lấy g=10m/s2):

a, Thang máy đi lên thẳng đều

b, Thang máy đi lên nhanh dần đều với gia tốc là 2m/s2

c, Thang máy đi lên chậm dần đều với gia tốc là 3m/s2

d, Thang máy bị đứt cáp treo và rơi tự do.

Phân tích bài toán:

Ta có hệ quy chiếu gắn với thang máy là:

m= 40kg; g=10m/s2; a1= 2m/s2; a2= 3m/s2; a3=g.

Giải bài:

a, N=P=mg=400N

b, N=P + Fqt1= mg +ma1 = 480N

c, N=P – Fqt2= mg – ma2= 280N

d, N=P – Fqt3= mg – ma3 = 0

quan tinh la gi 13

Câu 3: Ta có một dây không giãn chịu lực căng tối đa là 7,5N. Một đầu của nó được gắn vào trần thang máy, một đầu gắn với vật có khối lượng là 500g. Lấy g=10m/s2, thì thang máy sẽ có chuyển động như thế nào khi đứt dây. 

Phân tích bài toán:

Ta chọn hệ quy chiếu gắn với thang máy:

m=0,5kg, g=10m/s2, Tmax= 7,5N

P= mg = 5N => Thang máy phải chuyển động với gia tốc sao cho lực quán tính cùng chiều với trọng lực.

Giải bài tập:

Tmax = P + Fqt = mg + ma => 5m/s2

=> Thang máy sẽ có chuyển động nhanh dần đều đi lên với gia tốc > 5m/s2

Hoặc chuyển động chậm dần đều đi xuống với gia tốc >5m/s2 thi dây sẽ bị đứt. 

Xem thêm: Phép vị tự là gì? Các dạng bài tập phép vị tự lớp 11

Xem thêm: Tổng hợp lý thuyết Hệ thức lượng trong tam giác vuông lớp 9, kèm bài tập vận dụng

Giải thích một số hiện tượng trong thực tế

Trong thực tế có một số hiện tượng xảy ra tự nhiên mà rất nhiều người thắc mắc về cơ sở và nguồn gốc của hiện tượng đó từ đâu mà ra và tại sao lại xuất hiện hiện tượng đó. Dưới đây sẽ là mực giải mã cho một số hiện tượng tự nhiên.

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

Các hành tinh chuyển động với quỹ đạo gần tròn ổn định quanh mặt trời là nhờ vào lực hấp dẫn của mặt trời đối với các hành tinh có vai trò là lực hướng tâm. Đồng thời sự chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời cũng tạo ra lực quán tính ly tâm nhờ vào đó mà các hành tinh không bị hút về phía mặt trời.

Quán tính được áp dụng để giải thích các hiện tượng trong đời sống
Quán tính được áp dụng để giải thích các hiện tượng trong đời sống

Vào các khúc cua vòng tròn trên đường, người ta thường thiết kế mặt đường dốc nghiêng ra ngoài để tránh trường hợp các xe vào cua với tốc độ lớn thì lực quán tính ly tâm sẽ làm xe bị trượt ra khỏi đường.

Các vận động viên ném tạ dây trước khi thực hiện cú ném thường quay tròn để tạo ra hướng tâm và lực quán tính ly tâm lớn sau đó mới buông tay để tạ có thể bay xa hơn.

Hầu hết các dòng máy giặt hiện đại thường sử dụng chuyển động quay tròn của động cơ để tạo ra chuyển động tròn trong lồng giặt. Khi quần áo được giặt xong thì các chuyển động tròn sẽ tạo ra lực quán tính ly tâm đẩy văng các hạt nước bám trên vải ra khỏi lồng giặt thông qua các lỗ nhỏ nhờ đó mà quần áo được vắt khô nhanh hơn so với giặt tay. Đây cũng chính là nguyên lý chung của các loại máy ly tâm.

Bài viết trên đã gửi đến bạn những kiến thức thú vị cũng như các dạng bài tập về quán tính là gì. Hy vọng bài viết trên có thể giúp ích được cho bạn. Quán tính là gì là câu hỏi rất quan trọng và hay xuất hiện trong các đề thi nên các bạn hãy lưu ý nhé!

Trả lời