Lực ly tâm

Lực ly tâm có mặt ở khắp nơi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhưng liệu nó có phải như chúng ta nghĩ?

Chúng ta trải nghiệm điều đó khi chúng ta thấy nó trong chu trình quay của máy giặt hoặc khi trẻ em đi đu quay…

Nhưng lực ly tâm thường bị nhầm lẫn với lực hướng tâm của nó, bởi vì chúng có quan hệ mật thiết với nhau – về cơ bản là hai mặt của cùng một đồng xu hay tờ giấy…

Lực hướng tâm được định nghĩa là “lực cần thiết để giữ một vật chuyển động theo đường cong và hướng vào trong về phía tâm quay”, trong khi lực ly tâm được định nghĩa như sau:

“Nếu một vật chuyển động tròn và chịu tác dụng của một lực hướng ra ngoài lớn hơn lực này được gọi là lực li tâm. Tuy nhiên, lực còn phụ thuộc vào khối lượng của vật, khoảng cách từ tâm của vòng tròn và cả tốc độ quay. Nếu vật có khối lượng càng lớn thì lực chuyển động và vận tốc của vật càng lớn. Nếu khoảng cách xa tâm của đường tròn thì lực của chuyển động sẽ nhiều hơn.

Lực ly tâm là lực sinh ra từ quán tính của cơ thể và tác dụng lên một vật thể đang chuyển động theo đường tròn hướng ra xa tâm xung quanh mà cơ thể đang chuyển động.”

Đơn vị lực ly tâm là Newton. Lực ly tâm đẩy vật ra xa tâm. Đó là một lực không được xem là thực.

Lưu ý rằng trong khi lực hướng tâm là một lực thực tế, thì lực ly tâm được định nghĩa là một lực biểu kiến. Nói cách khác, khi quay một khối lượng trên một sợi dây, sợi dây tác dụng một lực hướng tâm vào trong khối lượng, trong khi khối lượng xuất hiện một lực ly tâm hướng ra bên ngoài lên sợi dây.

Lực ly tâm trong tiếng Anh

Trong tiếng Anh lực ly tâm được hiểu với cụm từ hay thuật ngữ: “Centrifugal Force”. Và chúng thường đi theo kèm với một lực nữa gọi là lực hướng tâm với thuật ngữ “Centripetal Force”.

Công thức tính lực ly tâm

Công thức lực ly tâm được đưa ra dưới dạng tích âm của khối lượng (tính bằng kg) và vận tốc tiếp tuyến (tính bằng mét trên giây) bình phương, chia cho bán kính (tính bằng mét). Điều này ngụ ý rằng khi tăng gấp đôi vận tốc tiếp tuyến, lực hướng tâm sẽ tăng lên gấp bốn lần. Về mặt toán học, nó được viết là:

Fc = −mv²/r

Trong đó,

• Fc là lực ly tâm
• m là khối lượng của vật
• v là vận tốc hay tốc độ của vật
• r là bán kính

Lực ly tâm xuất hiện khi nào

Để biết được lực ly tâm xuất hiện khi nào? Chúng ta cần ôn lại một chút về các Định luật của Newton:

Lực hướng ra ngoài biểu kiến ​​này, hay còn gọi là lực ly tâm được mô tả bằng Định luật chuyển động của Newton. Định luật thứ nhất của Newton phát biểu rằng “một vật thể ở trạng thái nghỉ sẽ vẫn ở trạng thái nghỉ, và một vật thể đang chuyển động sẽ vẫn chuyển động trừ khi nó bị tác động bởi một ngoại lực.”

Nếu một vật thể khối lượng lớn đang chuyển động trong không gian theo một đường thẳng, quán tính của nó sẽ khiến nó tiếp tục theo một đường thẳng trừ khi một lực bên ngoài làm cho nó tăng tốc, giảm tốc độ hoặc đổi hướng.

Để nó đi theo một đường tròn mà tốc độ không thay đổi thì phải tác dụng một lực hướng tâm liên tục vuông góc với đường đi của nó. Bán kính (r) của đường tròn này bằng khối lượng (m) nhân với bình phương vận tốc (v) chia cho lực hướng tâm (F),

hay r = mv²/F

Lực có thể được tính toán đơn giản bằng cách sắp xếp lại phương trình, F = mv²/r

Định luật thứ ba của Newton phát biểu rằng “đối với mọi hành động, có một phản ứng ngang bằng và ngược lại”

Cũng giống như trọng lực khiến bạn tác động lên mặt đất, mặt đất dường như tác dụng lực ngang bằng và ngược chiều lên chân bạn. Khi bạn đang ở trong một chiếc ô tô đang tăng tốc, ghế sẽ tác động lên bạn một lực về phía trước cũng giống như bạn có vẻ tác dụng lực lùi lên ghế.

Trong trường hợp một hệ quay, lực hướng tâm kéo khối lượng vào trong theo một đường cong, trong khi khối lượng dường như đẩy ra ngoài do quán tính của nó. Tuy nhiên, trong mỗi trường hợp này, chỉ có một lực thực được tác dụng, còn lực kia chỉ là lực biểu kiến.

Vậy lực ly tâm có thể hiểu chính là lực quán tính của lực hướng tâm. Cụ thể hơn, chúng ta xem tiếp phần lý giải “lực quán tính ly tâm” ngay bên dưới!

Lực quán tính ly tâm

Một hòn đá quay trong mặt phẳng nằm ngang trên đầu sợi dây buộc vào một cột trên mặt đất đang liên tục đổi hướng vận tốc của nó và do đó có gia tốc đối với cột. Gia tốc này bằng bình phương vận tốc của nó chia cho chiều dài của sợi dây. Theo định luật thứ hai của Newton, gia tốc gây ra bởi một lực, trong trường hợp này là lực căng của sợi dây. Nếu hòn đá đang chuyển động với tốc độ không đổi và bỏ qua trọng lực thì lực căng dây hướng vào trong là lực duy nhất tác dụng lên hòn đá. Nếu sợi dây bị đứt, hòn đá, vì quán tính, sẽ tiếp tục đi theo đường thẳng tiếp tuyến với đường tròn trước đó của nó; nó không di chuyển theo hướng ra ngoài như nếu lực ly tâm là thực.

Lực ly tâm là rất thực nếu bạn đang ở trong một hệ quy chiếu quay. Nó làm cho các vật thể trong hệ quy chiếu quay tăng tốc ra khỏi tâm quay. Tuy nhiên, lực ly tâm là một lực quán tính, nghĩa là nó được gây ra bởi chuyển động của chính hệ quy chiếu chứ không phải bởi bất kỳ ngoại lực nào.

Trong hệ quy chiếu quay, các định luật Newton có dạng phức tạp hơn, không trực quan. Nhưng các định luật Newton trong khung quay có thể được tạo ra giống như các định luật Newton thông thường nếu chúng ta coi các phần phụ trong phương trình là lực quán tính. Nói cách khác, bản chất trực quan của lực đẩy và lực kéo trong cuộc sống hàng ngày có thể được mở rộng sang hệ quy chiếu quay nếu chúng ta gọi là tác dụng của lực quán tính quay. Lực ly tâm là một trong những lực quán tính này.

Lực ly tâm và hướng tâm

Andrew A. Ganse, một nhà vật lý nghiên cứu tại Đại học Washington, cho biết: “Sự khác biệt giữa lực hướng tâm và lực ly tâm liên quan đến các ‘hệ quy chiếu’ khác nhau, tức là các góc nhìn khác nhau mà bạn đo lường một thứ gì đó. “Lực hướng tâm và lực ly tâm thực sự là một lực hoàn toàn giống nhau, chỉ ngược chiều nhau vì chúng được trải nghiệm từ các hệ quy chiếu khác nhau.”

Nếu bạn đang quan sát một hệ quay từ bên ngoài, bạn sẽ thấy một lực hướng tâm bên trong tác động để hạn chế vật quay theo một đường tròn. Tuy nhiên, nếu bạn là một phần của hệ thống quay, bạn sẽ trải qua một lực ly tâm rõ ràng đẩy bạn ra khỏi tâm của vòng tròn, mặc dù những gì bạn thực sự cảm thấy là lực hướng tâm bên trong đang ngăn bạn đi theo đúng nghĩa đen.

Sự khác biệt giữa lực hướng tâm và lực ly tâm

Ứng dụng của lực ly tâm

Mặc dù nó không phải là một lực thực theo định luật Newton, nhưng khái niệm lực ly tâm là một lực hữu ích.

Trên thực tế có rất nhiều ứng dụng, thiết vị dựa trên nguyên lý của lực ly tâm này. Ví dụ, khi phân tích hoạt động của chất lỏng trong máy tách kem hoặc máy ly tâm, một thiết bị để nghiên cứu hành vi của chất lỏng bằng lực ly tâm; và, để các định luật Newton có thể áp dụng trong hệ quy chiếu quay như vậy, thì lực quán tính hoặc lực ly tâm, bằng và ngược chiều với lực hướng tâm, phải được đưa vào phương trình chuyển động.

Lực ly tâm có thể được tăng lên bằng cách tăng tốc độ quay hoặc khối lượng của vật thể hoặc giảm bán kính, là khoảng cách của vật thể từ tâm của đường cong. Tăng khối lượng hoặc giảm bán kính làm tăng lực ly tâm theo tỷ lệ thuận hoặc nghịch, nhưng tăng tốc độ quay thì lực ly tâm sẽ tăng theo tỷ lệ bình phương của tốc độ; nghĩa là, tốc độ tăng lên 10 lần, từ 10 đến 100 vòng/phút, làm tăng lực ly tâm lên 100 lần. Lực ly tâm được biểu thị bằng bội số của g, ký hiệu cho lực hấp dẫn thông thường (nói đúng ra, gia tốc do trọng trường). Một loại cánh bằng đồng có khối lượng hơn 1.000.000.000g đã được sản xuất trong phòng thí nghiệm bằng thiết bị gọi là máy ly tâm.

Máy giặt, máy ly tâm làm giàu uranium, và máy ly tâm phòng thí nghiệm sinh học đều phụ thuộc vào thực tế của lực ly tâm.

Ngoài ra, trong công nghiệp chế tạo, có một thiết bị vô cùng phổ biến sử dụng lực ly tâm, đó chính là dòng máy bơm ly tâm. Một thiết bị xuất hiện rất nhiều trong đời sống cũng như sản xuất.

Qua bài viết này, Hải Nam tin chắc rằng các bạn sẽ nắm rõ được như thế nào là lực ly tâm. Và do đó, dễ dàng tìm hiểu về các dòng thiết bị dùng nguyên lý lực ly tâm này. Đặc biệt là các dòng bơm ly tâm.