Chuyển động tròn
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| uniform circular motion/ˈjuːnɪfɔːm ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ | chuyển động tròn đều |
| centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ | gia tốc hướng tâm |
| centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ | lực hướng tâm |
| tangential/tænˈdʒenʃl/ | tiếp tuyến |
Cắt dây và nó bay theo đường thẳng
- Xoay một quả bóng buộc dây theo hình tròn, rồi đột nhiên thả ra.
- Nó không cong ra ngoài -- nó lao đi theo đường thẳng, dọc theo tiếp tuyến.
- Vậy có thứ gì đó đã liên tục bẻ cong quỹ đạo của nó vào bên trong.
- Lực kéo vào bên trong đó là bí mật của mọi chuyển động tròn.
Chuyển động tròn đều
- Trong chuyển động tròn đều, tốc độ là không đổi.
- Nhưng hướng liên tục thay đổi -- nên vận tốc thay đổi, điều đó có nghĩa là vật đang gia tốc.
- Một vật có thể di chuyển với tốc độ ổn định nhưng vẫn đang gia tốc, miễn là nó đang quay.
Một vật chuyển động trên đường tròn với tốc độ không đổi thì đang gia tốc.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Hướng di chuyển thay đổi, nên vận tốc thay đổi -- đó là gia tốc, ngay cả khi tốc độ không đổi.
Gia tốc hướng tâm
- Gia tốc trong chuyển động tròn là gia tốc tâm hướng:
- Nó luôn hướng về phía trung tâm của hình tròn.
- Chuyển động nhanh hơn hoặc hình tròn tighter hơn (bán kính $r$ nhỏ hơn) có nghĩa là gia tốc hướng vào lớn hơn.
Một chiếc xe chạy quanh cung đường bán kính $50\ \text{m}$ với vận tốc $10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Gia tốc hướng tâm của nó là bao nhiêu (đơn vị $\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$)?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$a_c = v^2/r = 100/50 = 2\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$, hướng về phía tâm.
Gia tốc hướng tâm chỉ...
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
"Centripetal" (hướng tâm) nghĩa là tìm kiếm tâm -- luôn hướng về tâm của vòng tròn.
Lực hướng tâm
- Theo $\sum F = ma$, gia tốc hướng vào này cần một lực tâm hướng hướng vào:
- Đây không phải là một loại lực mới -- nó là vai trò được đảm nhận bởi lực căng, trọng lực, ma sát, hoặc lực pháp tuyến.
- Xác định xem lực thực nào hướng về trung tâm; lực đó là lực tâm hướng.
Cái gì tạo ra lực hướng tâm?
Chuyển động tròn đều cần một lực hợp hướng về phía tâm. Ghép mỗi trường hợp với nguồn gốc của nó.
Đối với một chiếc xe quay đầu trên mặt đường phẳng, cái gì tạo ra lực hướng tâm?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Ma sát hướng vào trong và cung cấp lực hướng tâm -- đó là lý do tại sao đường trơn trượt khiến xe trượt ra bên ngoài.
Lực hướng tâm không phải là một loại lực mới -- nó là ____ được đáp ứng bởi một lực thực như lực căng hoặc trọng lực.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Luôn xác định xem lực thực nào hướng vào đang tác động; chính lực đó là lực hướng tâm.
Một quả bóng mass $2\ \text{kg}$ quay trên dây dài $1\ \text{m}$ với tốc độ $3\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Lực căng dây cần thiết là bao nhiêu (đơn vị N)?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$F_c = mv^2/r = (2 \times 9)/1 = 18\ \text{N}$, hướng về phía tâm.
Khi tốc độ cũng thay đổi
- Nếu vật cũng tăng tốc hoặc giảm tốc, lực có hai thành phần.
- Thành phần tiếp tuyến làm thay đổi tốc độ (dọc theo hướng chuyển động).
- Thành phần bán径向 (tâm hướng) vẫn bẻ cong quỹ đạo vào bên trong.
Một quả bóng $0.5\ \text{kg}$ buộc dây dao động trong hình tròn bán kính $2\ \text{m}$ với $4\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
- Gia tốc tâm hướng: $a_c = \dfrac{v^2}{r} = \dfrac{16}{2} = 8\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$.
- Lực căng cần thiết: $F_c = \dfrac{mv^2}{r} = \dfrac{0.5 \times 16}{2} = 4\ \text{N}$, hướng vào trong.
Không có "lực ly tâm" hướng ra ngoài nào đẩy quả bóng ra. Lực thực duy nhất là lực căng hướng vào. Cảm giác hướng ra ngoài đến từ quán tính của cơ thể bạn muốn đi thẳng -- cắt dây và quả bóng chứng minh điều đó bằng cách bay ra theo tiếp tuyến, không phải hướng ra ngoài.
Trong chuyển động tròn đều, tốc độ không đổi nhưng vật vẫn gia tốc -- gia tốc tâm hướng $a_c = v^2/r$ hướng về trung tâm. Một lực thực hướng vào đảm nhận vai trò lực tâm hướng $F_c = mv^2/r$ (lực căng, trọng lực, ma sát...). Nếu tốc độ cũng thay đổi, hãy thêm một thành phần tiếp tuyến.