Những đơn vị kiến thức Vật lý như quán tính là gì hay lực quán tính là gì, lực này xuất phát từ đâu,… là các lý thuyết quan trọng không chỉ trong sách vở mà còn trong cuộc sống hàng ngày. Để lý giải những hiện tượng tự nhiên xảy ra xung quanh ta như lực hấp dẫn của Trái đất hay sự chuyển động của các hành tinh, người ta sẽ dựa trên khái niệm của quán tính và lực quán tính được phân tích trong bài viết sau.
Quán tính là gì?
Quán tính là loại lực cản của bất cứ vật thể nào đối với sự thay đổi dù lớn hay nhỏ về vận tốc của nó. Điều này gồm có các thay đổi về tốc độ hoặc hướng chuyển động của vật thể đó. Ở khía cạnh nào đó của tính chất này, ta thấy xu hướng của những vật thể sẽ tiếp tục chuyển động theo một đường thẳng với một tốc độ không đổi cho tới khi không có bất cứ lực nào tác động lên chúng.
Khi được lực tác dụng, vận tốc của mọi vật đều có thể thay đổi một cách đột ngột do tất cả chúng đều có quán tính. Có thể nói, tính chất của quán tính chính là giữ nguyên vận tốc và hướng chuyển động của vật.
Lực tác dụng càng lớn bao nhiêu thì chuyển động của vật thể càng nhanh bấy nhiêu.
Ví dụ: Người ngồi trên phương tiện ô tô hay có xu hướng chúi mình về phía trước nếu như ô tô bị phanh gấp do có quán tính.
Hai vật có khối lượng càng lớn bao nhiêu thì quá trình biến đổi chuyển động càng diễn ra càng chậm bấy nhiêu.
Ví dụ: Hai ô tô tuy có khối lượng khác nhau nhưng nếu chuyển động cùng một vận tốc và hãm phanh với lực có cùng độ lớn thì chiếc ô tô có khối lượng lớn hơn sẽ mất nhiều thời gian để dừng lại hơn.
Lực quán tính là gì?
Lực quán tính, hay còn được gọi với cái tên khác là lực ảo. Lực này xuất hiện ở mọi khối lượng trong một hệ quy chiếu phi quán tính. Hay nói cách khác thì lực quán tính là loại lực sinh ra trong một hệ quy chiếu phi quán tính, lực quán tính có thể làm biến dạng và gia tốc cho vật. Lực quán tính không xuất hiện kèm phản lực.
Dựa trên lý thuyết cơ học cổ điển, lực quán tính là loại lực tác động lên vật, có khả năng phụ thuộc hoàn toàn vào trạng thái chuyển động của hệ quy chiếu. Bên cạnh đó, ta luôn nhận biết được phép biến đổi hệ quy chiếu trong một hệ quy chiếu mới, khi đó lực này sẽ biến mất.
Lực quán tính sẽ không thể quy về loại lực cơ bản, vốn là các lực luôn tồn tại dưới phép biến đổi quy chiếu. Các hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều (không có tác động của gia tốc) so với hệ quy chiếu quán tính được gọi là quán tính. Hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc với hệ quy chiếu quán tính gọi là phi quán tính. Lực quán tính sẽ tỷ lệ thuận với khối lượng của vật thể và gia tốc của hệ quy chiếu phi quán tính so với quán tính. Lực này có hướng ngược với hướng của gia tốc.
Hệ quy chiếu và lực quán tính
Theo cơ học cổ điển, lực quán tính lý giải cho hiện tượng cơ học trong một hệ quy chiếu phi quán tính. Nếu ta coi lực quán tính là thành phần thuộc các lực tổng cộng thì định luật cơ học này được thỏa mãn.
Công thức tính lực quán tính
Xét vật thể có khối lượng m thuộc hệ quy chiếu phi quán tính. Ở một thời điểm nhất định thì hệ quy chiếu này sẽ chuyển động với gia tốc a so với hệ quy chiếu quán tính. Lúc này, vật m sẽ chịu sự tác động của lực quán tính. Công thức tính lực quán tính trong trường hợp này như sau:
Trong đó:
- Fqt: ký hiệu của lực quán tính (đơn vị: N)
- m: là khối lượng của vật thể
- a: là gia tốc trong hệ quy chiếu chuyển động (đơn vị: m/s2)
Lực quán tính tồn tại khi 1 hệ quy chiếu có gia tốc lớn hơn so với hệ quy chiếu khác. Một hệ quy chiếu sẽ được gia tốc bằng bất kỳ phương pháp nào, bỏi vậy mà lực quán tính sẽ tùy ý. 4 lực quán tính thường sẽ được định nghĩa theo cách gia tốc xuất hiện, đó là:
- 1 lực được tạo ra bởi 1 gia tốc tương đối bất kỳ theo 1 đường thẳng
- Hai lực được hình thành từ bất kỳ chuyển động quay nào đó (lực quán tính li tâm và lực coriolis).
- Lực cuối, hay còn được gọi là lực Euler, sẽ được tạo ra nhờ sự biến đổi của tốc độ quay.
Xem thêm: Mã lực là gì? Cách quy đổi mã lực
Tìm hiểu lực quán tính trong các hệ quy chiếu
Hệ quy chiếu phi quán tính
-
Hệ quy chiếu chỉ tồn tại gia tốc tịnh tiến:
Gọi K’ là hệ quy chiếu phi quán tính, ta có chuyển động của gia tốc tịnh tiến so với hệ quy chiếu quán tính K. Mọi khối lượng m trong hệ quy chiếu K’ sẽ luôn chịu tác động của lực quán tính tịnh tiến: F inertial = -ma
-
Hệ quy chiếu chỉ tồn tại chuyển động quay:
Trong hệ quy chiếu quay xuất hiện tốc độ góc là hệ quy chiếu quán tính thì mọi khối lượng m sẽ luôn bị 3 lực quán tính tác động của 3 lực, bao gồm:
Ta có, chính là sự thay đổi của vectơ tốc độ góc Ω theo thời gian.
-
Hệ quy chiếu tổng quát:
Xét trong hệ quy chiếu phi quán tính K’, quay với tốc độ Ω , có tịnh tiến gia tốc là a. Nếu xét trong hệ quy chiếu quán tính K’ thì mọi khối lượng m sẽ phải chịu tác động của cả 4 lực quán tính nói trên.
Lực quán tính li tâm
Nếu đã biết lực hướng tâm là gì, chắc hẳn ta không thể bỏ qua khái niệm của lực ly tâm là gì. Lực quán tính li tâm có thể gọi là trường hợp riêng của lực quán tính, chỉ xuất hiện ở hệ quy chiếu văn với vật có chuyển động tròn. Đó chính là hệ quả của trường gia tốc, xuất hiện trong hệ quy chiếu không tồn tại quán tính.
Như vậy, trường hợp này sẽ được gọi là hệ quy chiếu quay. Trong hệ quy chiếu quay, bạn sẽ nhận ra các vật thể vốn chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu quán tính và bị đẩy theo một phương xuyên tâm quay. Lực đẩy vật thể chính là lực ly tâm trong hệ quy chiếu
Lực quán tính li tâm thường sẽ tác động tới vật nằm trong hệ quy chiếu quay, có phương là một đường thẳng, kết nối tâm của đường cong và tâm của chuyển động. Chiều hướng từ tâm của đường cong sẽ chếch ra phía ngoài. Lực ly tâm sẽ có tỷ lệ thuận với khối lượng của vật chuyển động, bình phương tốc độ dài và tỉ lệ nghịch với bán kính của đường cong.
Một số hiện tượng trong thực tế
Lực quán tính nếu chỉ học dựa trên lý thuyết đơn thuần có lẽ hơi khó hiểu với chúng ta, vậy nên thapgiainhietliangchi.com sẽ giúp bạn lấy ví dụ minh họa một cách rõ nét về khái niệm của lực quán tính là gì để bạn không còn mơ hồ về định nghĩa này. Cụ thể:
- Khi ta đóng đinh vào tường thì dù chiếc búa bị dừng lại, cái đinh vẫn bị lún sâu vào tường vì có lực quán tính tác động.
- Thực hiện thao tác giũ bụi bẩn khỏi giẻ lau thì sau khi giũ rồi đột ngột dừng lại, ta sẽ thấy bụi bẩn tiếp tục chuyển động và bay khỏi thảm, đó chính là do lực quán tính.
- Khi bút mực của bạn bị tắc v vẩy mạnh bút rồi dừng lại đột ngột, theo quán tính mực tiếp tục chuyển động về phía trước để cho bút có thể tiếp tục viết được. Khi bút bị tắc mực, ta thường vẩy mạnh bút rồi dừng một cách đột ngột. Mực vẫn có thể chuyển động về phía trước để bút vẫn viết tiếp được là do lực quán tính đã được sinh ra.
- Khi chơi trò kéo co, nếu một đội kéo rồi thả tay ra đột ngột thì đội kia sẽ bị ngã về phía sợi dây bị kéo.
Bài viết trên đã làm rõ về khái niệm lực quán tính là gì cùng những ví dụ minh họa về lực quán tính trong cuộc sống hàng ngày. Hy vọng qua những thông tin được chia sẻ ở trên, bạn đã nắm rõ công thức tính lực quán tính và một số hệ quy chiếu khác nhau để áp dụng làm bài tập. Nếu còn thắc mắc gì, hãy để lại bình luận để cùng trao đổi về không chỉ lực quán tính mà còn cả những đơn vị kiến thức Vật lý khác nữa nhé.
