BÀI 21 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CHUYỂN ĐỘNG TRÒN ĐỀU. LỰC HƯỚNG TÂM

Câu 1: Em có nhận xét gì về mặt đường đua trong Hình 21.1? Tại sao người ta phải xây dựng mặt đường ở một số đoạn vòng cung có độ nghiêng so với phương ngang như vậy?

Giải nhanh: 

Tránh cho lực ma sát giữa các bánh xe và mặt đường không đủ để tạo lực hướng tâm, do đó phải tồn tại lực hướng tâm để xe có thể thực hiện chuyển động tròn, mặt đường phải thiết kế nghiêng một góc so với phương ngang để lực hướng vào tâm đường tròn và đóng vai trò lực hướng tâm, đảm bảo cho xe chạy theo quỹ đạo tròn.

1. Lực hướng tâm

Câu 1: Trong hệ mặt trời, chuyển động của một số hành tinh như Trái Đất được xem gần đúng là chuyển động tròn đều xung quanh Mặt Trời (Hình 21.3). Lực nào đóng vai trò là lực hướng tâm trong chuyển động này của Trái Đất?

 Giải nhanh: 

Lực nào đóng vai trò là lực hướng tâm trong chuyển động này của Trái Đất là lực hấp dẫn

Câu 2: Vinasat-1 là vệ tinh viễn thông địa tĩnh (có vị trí cố định trong không gian so với Trái Đất) đầu tiên của Việt Nam được phóng vào vũ trụ năm 2008. Biết khối lượng vệ tinh là m = 2,7 tấn và vệ tỉnh có quỹ đạo chuyển động nằm trong mặt phẳng xích đạo cách tâm Trái Đất 42.000 km. Hãy xác định độ lớn lực hướng tâm do Trái Đất tác dụng lên vệ tinh.

Giải nhanh: 

Đổi 2,7 tấn =2700 kg

Đổi 1 ngày = 86 400 s

Đổi 42 000 km = 42 000 000 m

Chu kỳ của Trái Đất là: 86400 s

Độ lớn lực hướng tâm do Trái Đất tác dụng lên vệ tinh là: 

2. Ứng dụng trong thực tế của chuyển động tròn

Câu 1: Khi ô tô chạy theo đường vòng cung, tài xế cần lưu ý những điều gì để tránh xảy ra tai nạn?

Giải nhanh: 

 Khi ô tô chạy theo đường vòng cung, tài xế cần lưu ý để tránh xảy ra tai nạn thì ô tô phải đi rất chậm.

Câu 2: Cho bán kính cung tròn mà xe chạy theo bằng 35,0 m. Hệ số ma sát nghỉ giữa mặt đường và bánh xe bằng 0,523. Xác định tốc độ tối đa để xe có thể đi vào đoạn đường cung tròn an toàn.

Giải nhanh: 

Ta có μ.g.R=0,523.9,8.35 = 13.39 (m/s)

Vậy tốc độ tối đa để xe có thể đi vào đoạn đường cung tròn an toàn là 13,39 m/s

  Câu 3: Khi xe chạy theo đường vòng cung nằm ngang, tốc độ tối đa của xe để giữ an toàn phụ thuộc như thế nào vào ma sát nghỉ và bán kính đường tròn? Tốc độ này có phụ thuộc vào trọng lượng xe hay không? Từ đó hãy đề xuất những yếu tôc quan trọng cần lưu ý khi thiết kế cầu đường có hình vòng cung.

Giải nhanh: 

Khi xe chạy theo đường vòng cung nằm ngang, tốc độ tối đa của xe để giữ an toàn phụ thuộc rất lớn vào hệ số ma sát nghỉ và bán kính đường tròn. Nếu hệ số ma sát nghỉ và bán kính đường tròn càng lớn thì vận tốc tối đa của xe để giữ an toàn càng lớn. Tốc độ này không phụ thuộc vào trọng lượng của xe. 

Một số lưu ý khi thiết kế cầu đường có hình vòng cung là tăng bán kính và độ nhám của cung đường và làm mặt đường nghiêng 1 góc nhất định với phương ngang để tạo lực hướng tâm.

Câu 4: Một đầu của dây nhẹ dài 0,80m được buộc một vật có khối lượng 3,00 kg. Vật chuyển động tròn đều quanh đầu kia của dây trên bàn nằm ngang( Hình 21P.1). Giả sử không có ma sát giữa vật và mặt bàn. Khi tốc độ của dây là 1,60 vòng /s thì dây đứt. Tính lực căng dây lớn nhất.

Giải nhanh: 

Lực căng dây đóng vai trò là lực hướng tâm

Tốc độ góc của viên đá là:  =1,6 .2= 3,2

Lực căng dây lớn nhất là: F= m.a_ht = m.2 .R = 3.(3,2)². 0,8= 242,55 (N)

Câu 5: Mô hình đơn giản của nguyên tử hydrogen giả sử rằng ecletron chuyển động tròn đều quanh hạt nhân với tốc độ 2,2.10⁶m/s. Quỹ đạo chuyển động có bán kính bằng 0,53.10^-10 m. Hãy tính độ lớn của lực tương tác giữa electron và hạt nhân.

Giải nhanh: 

Lực tương tác giữa electron và hạt nhân đóng vai trò là lực hướng tâm

ta có F= m.a_ht= m.v²/R = 9,1.10^-31. ( 2,2.10⁶)² /(0,53.10^-10) =8,3.10^-8 (N)

Câu 6: Một vật nặng có kích thước nhỏ, có khối lượng 0,50kg, được buộc vào đầu một dây có chiều dài 1,5m. Vật chuyển động đều trên đường tròn nằm ngang ( Hình 21P.2). Cho biết dây chỉ chịu được lực căng tối đa bằng 50N. Hãy tính tốc độ quay lớn nhất của vật để dây không bị đứt.

Giải nhanh: 

Tốc độ quạt tối đa để dây không bị đứt là