Quán tính là tính chất vật lý quen thuộc và rất phổ biến trong đời sống nhưng lại có nhiều người không biết về nó. Để hiểu rõ khái niệm quán tính là gì, lực quán tính xuất hiện khi nào, ứng dụng lực quán tính ra sao,… mời các bạn dành chút thời gian theo dõi bài viết này nhé.
Tóm tắt nội dung
Quán tính là gì?
Quán tính là gì lớp 8 đã có học qua cơ bản về khái niệm và tính chất. Theo đó, quán tính là một thuật ngữ trong vật lý được biết đến là tính chất của mọi vật có xu hướng bảo toàn vận tốc cả về phương, chiều và độ lớn.
Quán tính là tính chất đặc trưng cho sự cản trở của các vật chất có khối lượng đối với bất kỳ sự thay đổi nào về vận tốc của chính nó. Sự cản trở này bao gồm cả các thay đổi về tốc độ hoặc hướng dịch chuyển của chính đối tượng đó.
Quán tính là tình chất bảo toàn vận tốc và được đánh giá là một trong những nguyên lý cơ bản trong vật lý cổ điển nhưng vẫn có ứng dụng rộng rãi cho tới hiện tại. Quán tính dùng để mô tả chuyển động của các vật thể và cách chúng bị thay đổi vận tốc do ảnh hưởng từ các lực tác dụng lên nó.
Giải thích sự thay đổi chuyện động của vật do quán tính cụ thể như sau: Khi có lực tác động lên một vật đang chuyển động khiến cho vật bị thay đổi vận tốc di chuyển một cách đột ngột.
Tuy nhiên vật ở bên trong sẽ không có khả năng thay đổi vận tốc đột ngột như thế vì có quán tính, nên vật bên trong sẽ có xu hướng chuyển động ngược lại so với vật bên ngoài. Trường hợp lực tác dụng lên vật bên ngoài càng lớn thì sự biến đổi chuyển động càng nhanh.
Ví dụ minh họa về quán tính
Một chiếc xe ô tô chạy trên đường, quán tính sẽ xuất hiện khi tài xế phanh gấp tức là tác động một lực lớn làm cho xe bị thay đổi vận tốc đột ngột. Lúc này những hành khách ngồi trên xe đang chuyển động với vận tốc v đúng bằng vận tốc ô tô (lúc chưa phanh) so với mặt đường không thể thay đổi vận tốc v’ một cách đột ngột do quán tính nên có xu hướng lao người về phía trước.
Khi xe tăng tốc, hành khách sẽ bị ngửa người ra sau do có quán tính. Có thể hiểu cách đơn giản vì sao khi tăng tốc người trên xe lại bị ngửa ra sau rằng: Khi tăng tốc tức vận tốc dưới chân người sẽ thay đổi kịp theo vận tốc mới, tuy nhiên do quán tính và thời gian quá nhanh nên phần thân trên không kịp đổi vận tốc di chuyển. Do đó phần thân trên của người sẽ chuyển động chậm hơn phần thân dưới nên có xu hướng bị ngửa ra sau.
Tương tự như vậy, khi xe rẽ phải người ngồi trên xe bị nghiêng sang trái và ngược lại.
Lực quán tính là gì?
Khi xuất hiện quán tính, vật sẽ sinh ra lực quán tính. Thực chất lực quán tính là lực ảo, lực này sinh ra trong hệ quy chiếu phi quán tính có khả năng gây biến dạng vật. Lực quán tính không xuất phát từ bất kỳ tương tác vật lý nào, nó được sinh ra từ gia tốc tự xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính.
Lực quán tính tỉ lệ thuận với khối lượng m của vật tác động, gia tốc của hệ quy chiếu phi quán tính và khối lượng của vật thể so với hệ quy chiếu quán tính. Lực quán tính là gì? Đó là lực có phương và chiều ngược lại với gia tốc của hệ quy chiếu phi quán tính.
Trong động lực học của vật rắn, lực quán tính tác động lên vật sẽ bị phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của vật ở hệ quy chiếu phi quán tính (nhưng không được quy về lực cơ bản). Bởi trong chuyển động thẳng đều thì không xuất hiện gia tốc và hệ quy chiếu quán tình đều là quán tính. Ngược lại hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính thì được gọi là phi quán tính.
Công thức tính lực quán tính
Xét một vật m đang nằm trong hệ quy chiếu phi quán tính chuyển động với gia tốc a (m/s2). Ta có công thức tính lực quán tính tác dụng lên vật m như sau:
Độ lớn của lực quán tính: Fqt = m.a
Công thức tính lực quán tính
Trong đó:
- Fqt: là lực quán tính tác dụng lên vật (N)
- m: là khối lượng của vật (kg)
- a: là gia tốc chuyển động của vật trong hệ quy chiếu phi quán tính (m/s2)
Dấu mũi tên (chỉ vectơ) là thể hiện lực và gia tốc đều có hướng
Dấu trừ là để thể hiện lực quán tính và gia tốc chuyển động có chiều ngược nhau (không thể hiện độ lớn)
Hiện nay có 4 lực quán tính thường gặp đó là:
- Lực quán tính trong hệ quy chiếu chỉ có gia tốc tịnh tiến
- Lực Coriolis
- Lực quán tính li tâm
- Lực Euler
Đặc điểm của lực quán tính
Đặc điểm chung của các lực quán tính bao gồm:
- Trong trường hợp lực tác động vào vật càng lớn thì sự biến đổi về trạng thái chuyển động của vật sẽ diễn ra càng mạnh, càng nhanh.
- Đối với một vật có khối lượng càng lớn thì việc thay đổi trạng thái chuyển động khi có tác dụng của lực quán tình diễn ra chậm hơn so với những vật có khối lượng nhỏ.
Ví dụ minh họa: Hai chiếc xe ô tô con và xe container đi trên đường cùng một vận tốc. Nếu cả hai xe hãm phanh cùng lúc với cùng lực và cùng độ lớn thì chiếc xe con sẽ dừng lại nhanh hơn xe container vì nó có trọng lượng nhỏ hơn.
Xem thêm: Điện trường là gì? Phân biệt sự khác nhau giữa điện trường và từ trường
Momen quán tính là gì?
Momen quán tính của một vật là đại lượng xuất hiện khi một vật cứng thực hiện chuyển động quay quanh một trục cố định. Momen quán tính của một vật là lực cản của vật, có khả năng chống lại sự thay đổi của vận tốc trong chuyển động thông thường. Momen quán tính được ký hiệu là I trong các phương trình biểu thị độ lớn.
Công thức chung để tính momen quán tính của một vật phụ thuộc vào khối lượng vật đó:
I = m.r2
Trong đó:
- m là khối lượng vật (kg).
- r là khoảng cách từ vật tới trục quay (m).
Thực tế là momen quán tính của một vật phụ thuộc vào khối lượng, vì nó được tính dựa vào sự phân bố khối lượng vật qua trục quay. Do vậy, momen quán tính đôi khi chưa chắc đã là đại lượng cố định bởi với những sự phân bố khối lượng cũng như vị trí của trục tại các vị trí khác nhau thì chúng ta sẽ xác định được một giá trị của momen lực quán tính khác nhau.
Ngoài ra, momen quán tính của một vật còn phụ thuộc vào hình dạng của vật, sự phân bố khối lượng của vật và vị trí đặt trục quay.
Hai đại lượng tiêu biểu trong chuyển động quay là động năng quay và động lượng góc đều được tính thông qua momen quán tính của một vật. Ta có các công thức tính 2 đại lượng này cụ thể dưới đây:
Động năng quay : K = I.ω2 (J)
Động lượng góc : L = I.ω
Từ hai công thức trên ta có thể thấy sự tương đồng giữa chuyển động quay và trong các trường hợp chuyển đồng tuyến tính. Bạn có thể nhận thấy rằng các phương trình trên có sự tương tự giống với các công thức tính động năng và động lượng tuyến tính, trong đó momen quán tính I thay thế cho khối lượng m và vận tốc góc ω thay cho vận tốc v.
Momen quán tính của hình tròn
Một quả cầu rỗng có khối lượng M, bán kính R, có thành mỏng (không đáng kể) quay trên một trục được đi xuyên qua tâm của quả cầu. Ta có công thức tính momen quán tính của một khối hình cầu rỗng như sau:
I = (2/5).m.r2 (kgm2)
Công thức tính momen quán tính của một quả cầu rắn có khối lượng m, bán kính R quay quanh trục đi xuyên tâm như sau:
I = (2/3).m.r2(kgm2)
Momen quán tính hình chữ nhật
Momen quán tính hình chữ nhật mỏng khối lượng M, có chiều dài và chiều rộng lần lượt là a và b.
Khi hình chữ nhật được quay quanh một trục vuông góc đi qua tâm của tấm hình chữ nhật, ta có công thức tính momen quán tính hình chữ nhật mỏng như sau:
I = (1/12).m.(a2 + b2 ) (kgm2)
Momen quán tính hình chữ nhật khi quay quay trục là một cạnh của hình chữ nhật đó ( trường hợp a là khoảng cách từ vật tới trục quay) được tính theo công thức:
I = ⅓ m.a2 (kgm2)
Momen quán tính của một thanh mảnh có khối lượng M chiều dài L được quay trên một trục xoay đi qua tâm của thanh (vuông góc với chiều dài của nó). Công thức xác định momen quán tính của thanh cụ thể là: I = (1/12) M.L2 (kgm2)
Lực quán tính trong thực tế
Lực quán tính tồn tại trong thực tiễn rất nhiều. Sau đây chúng tôi sẽ đưa ra một số ví dụ về lực quán tính trong thực tế mà chắc hẳn bạn đã từng gặp phải.
Ví dụ 1: Khi đóng đinh vào tường, lực từ chiếc búa tác dụng lên đinh sẽ tạo ra quán tính. Như vậy, khi búa dừng lại không tác dụng lực nữa nhưng chiếc đinh vẫn theo quán tính mà lún vào trong tường.
Ví dụ 2: Khi xe ô tô nổ máy và bắt đầu di chuyển với tốc độ nhanh, người ngồi trong xe vốn đang đứng yên so với mặt đường thì bị thay đổi vận tốc đột ngột khiến cho người bị ngả về sau.
Ví dụ 3: Chiếc bút bị tắc mực người ta hay vẩy mạnh để ra mực. Thực chất là khi bút dừng lại thì mực trong bút vẫn di chuyển theo quán tính nên sẽ chảy về đầu bút.
Trên đây là những thông tin liên quan đến lực quán tính của một vật. Mong rằng qua bài viết các bạn đã có câu trả lời về lực quán tính là gì và đặc điểm của lực quán tính thông qua các ví dụ. hy vọng những kiến thức về quán tính, lực quán tính và momen quán tính có thể giúp bạn trong học tập và công việc.
