B. ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC QUÁN TÍNH VÀO CÁC HIỆN TƯỢNG TRONG ĐỜI SỐNG
IV. MỘT VÀI HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ KHÁC
1.Hiện tượng quen thuộc khi hành khách di chuyển trên các phương tiện giao thoâng.
Giả sử một hành khách ngồi trong toa tàu hoả, mặt quay về phía tàu chạy. Trong khi tàu chuyển động thẳng đều thì người này không cảm thấy chuyển động.
- Khi tàu hỏa tăng tốc : lúc đó anh ta cảm thấy mình bị một lực đẩy về phía sau.
Điều này được giải thích :
- Đối với HQC không quán tính gắn với tàu : anh ta chịu tác dụng của lực quán tính
Fqt = - m a hướng về phía sau (với a là gia tốc của tàu).
- Đối với HQC quán tính : Người trong toa tàu gắn với ghế bởi lực ma sát, chính lực ma sát này giữ anh ta trên ghế. Phần trên của cơ thể có khuynh hướng giữ nguyên chuyển động thẳng đều sẽ đi chậm hơn cái ghế đang chuyển động nhanh dần cho nên người bị ngả về phía sau… Theo cách giải thích này thì không có lực quán tính đặt vào người gây ra chuyển động tương đối của anh ta mà do khuynh hướng giữ nguyên chuyển động theo quán tính khi tàu chuyển động nhanh dần.
Đó cũng là hai cách giải thích khác nhau, nhưng chúng ta nhận thấy rằng việc đưa vào lực quỏn tớnh để giải thớch cỏc chuyển động tương đối sẽ thuận lợi và rừ ràng hơn.
- Khi tàu hỏa giảm tốc: lực quán tính F = − m a xuất hiện hướng về phía trước. Lúc đó anh ta cảm thấy mình bị một lực đẩy về phía trước.
- Khi tàu chuyển động theo đường vòng :
Ta biết rằng, một chuyển động theo đường tròn ngay cả với tốc độ không đổi cũng là chuyển động có gia tốc. Gia tốc hướng tâm
R
aht = v2 sẽ càng lớn nếu tàu hỏa chuyển động càng nhanh và bán kính chỗ vòng cáng nhỏ. Trong trường hợp này, HQC gắn với tàu trong thời gian tàu vòng là HQC không quán tính có chuyển động tròn nên xuất hiện lực quán tính ly tâm tác dụng lên hành khách trong tàu hoả Flt = mw2. R. Dưới
tác dụng của lực này hành khác có cảm giác như bị đẩy về phía ngoài đường vòng.
Thông thường, tác dụng của lực ly tâm trong tàu hỏa tàu điện, ô tô là tương đối nhỏ, gây ít khó chịu. Tuy nhiên, khi chuyển động nhanh trên đường vòng, lực ly tâm có thể đạt đến giá trị lớn và gây nguy hiểm đến tính mạng. Xảy ra trong các trường hợp máy bay bay vòng gấp ngoặc.
2.Hiện tượng định vị thăng bằng ở tai người
Bình thường cơ thể của chúng ta giữ được thăng bằng cũng như định vị trong không gian là nhờ một bộ phận chức năng gọi là tiền đình ốc tai. Trong tai có ba vành khuyên (bố trí theo ba chiều không gian), bên trong có chất dịch chuyển động. Nhờ vào đó mà cơ thể giữ được thăng bằng, tư thế định vị trong không gian.
Nếu như ta làm động tác “xoay bồ bồ” nghĩa là quay vòng tròn xung quanh mình vài vòng, ta sẽ thấy mọi vật đều quay, sau đó không giữ được thăng bằng nữa và ngã nhào, kèm theo cảm giác chóng mặt, đau đầu. Lý do là khi ta quay, HQC gắn với ta là HQC không quán tính, nên làm xuất hiện lực quán tính ly tâm tác dụng lên hệ thống dịch trong ốc tai. Dưới tác dụng của lực này, hệ thống dịch trong ốc tai có xu hướng bị đẩy ra ngoài, gây rối loạn tiền đình ốc tai. Lúc này cơ thể không còn định hướng được nữa và bị ngã nhào.
Trường hợp với động tác “thụt dầu” nghĩa là ta đứng lên, ngồi xuống nhiều lần với tốc độ nhanh, khi ấy HQC gắn với ta là HQC không quán tính có chuyển động thẳng.
Trong HQC này, hệ thống dịch chịu tác dụng của lực quán tính có phương không đổi nhưng chiều thay đổi liên tục. Triệu chứng xảy ra tương tự như trên nhưng trường hợp này là hiệu ứng chuyển động theo chiều thẳng đứng.
3. Chuyển động ly tâm
Chuyển động ly tâm là chuyển động có thực dù xét trong HQC quán tính hay xét trong HQC quay.
Ta hãy xét thí dụ : một vật đặt trên bàn quay. Khi bàn quay nhanh đến một mức nào đó thì vật sẽ văng ra ngoài , tức là chuyển động ly tâm. Cả người quan sát trên mặt đất lẫn người quan sát đứng trên bàn đều thấy vật chuyển động ly tâm. Chỉ có sự giải thích chuyển động ly tâm của hai người quan sát là khác nhau :
- Người quan sát đứng trên mặt đất giải thích : vật chuyển động ly tâm là do lực ma sát nghỉ cực đại nhỏ hơn lực hướng tâm cần thiết để giữ cho vật chuyển động tròn cùng với bàn. Đối với người quan sát này thì vật không chịu lực ly tâm và lực ly tâm không tồn tại.
- Còn người quan sát đứng trên bàn quay giải thích : vật chuyển động ly tâm là do lực ly tâm tác dụng vào vật lớn hơn lực ma sát nghỉ cực đại.
Tuy nhiên vẫn có người hiểu sai là bất kỳ vật nào chuyển động tròn đều cũng chịu lực ly tõm. Sai ở chỗ người đú khụng chỉ rừ vật được xột trong HQC nào, HQC quỏn tính hay HQC quay.
* Chuyển động ly tâm có nhiều ứng dụng:
- Máy vắt ly tâm rảy nước (thí dụ: trong máy giặt): lực ly tâm tác dụng vào các giọt nước làm chúng lọt qua các lỗ nhỏ trên thành máy và văng ra xa.
- Máy ly tâm lắng : lực ly tâm tác dụng vào các hạt chất rắng rất nhỏ lơ lửng trong nước là chúng lắng thành cạn ở đáy bình, đáy ống nghiệm.
- Trò chơi trong công viên : “Bánh xe cười”
Khách bước vào cái bàn tròn, ai muốn đứng hay nằm, ngồi tuỳ ý. Một động cơ đặt ngầm ở bên dưới quay sàn nhè nhẹ quanh trục thẳng đứng. Đầu tiên quay chậm rồi sau càng ngày càng quay nhanh dần và lúc ấy dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm F
=mw2 R tất cả mọi người ở trên sàn đều bắt đầu tụt ra mép sàn. Đầu tiên, chuyển động ấy khụng rừ rệt nhưng càng ngày cỏc hành khỏch càng xa dần trung tõm của sàn và đến những đường tròn có bán kính ngày càng lớn. Hành khách không còn cách nào giữ nguyên tại chỗ được và bị hắt văng ra khỏi “bánh xe cười”.
4. Hiện tượng thủy triều
Là hiện tượng dâng lên hay hạ xuống kế tiếp nhau của mực nước trong đại dương dưới tác dụng của lực tương tác hấp dẫn giữa Mặt Trăng và Trái Đất.
Để đơn giản cho việc khảo sát ta giả thiết vỏ Trái Đất là một mặt cầu nhẵn được bao phủ một lớp nước. Giả sử dưới tác dụng hấp dẫn của Mặt Trăng, Trái Đất thu được một gia tốc A : A = r2
m . G
m : khối lượng Mặt Trăng
r : khoảng cách từ Mặt Trăng đến tâm Trái Đất
Rừ ràng, lớp nước ở vựng 1 gần Mặt Trăng thu được gia tốc a1 lớn hơn, cũn lớp nước ở vùng 2 phía xa Mặt Trăng thì thu được gia tốc a2 bé hơn.
a1 = ( r R )2 m . G
− a2 = ( r R )2 m . G
+
a1 < A < a2
Với R : bán kính Trái Đất
Để biết nước dịch chuyển như thế nào so với quả đất, ta tìm gia tốc của nước trong hệ quy chiếu gắn với quả đất. Khi đó,nếu chọn hệ quy chiếu gắn với Mặt Trăng là cố định thì ta có định lý cộng vận tốc :
MT / Tẹ Tẹ
/ nước MT
/
nước V V
V = +
Lấy đạo hàm theo thời gian t :
MT / Tẹ Tẹ / nước MT
/
nước a a
a = +
Hay a = a ' + A
Vậy, gia tốc nước đối với quả đất (gia tốc thủy triều) là : Hay a = a ' − A
- Đối với điểm ở gần Mặt Trăng nhất :
A a '
a1 = 1 − > 0
Véctơ gia tốc này hướng từ Trái Đất đến Mặt Trăng nên nước ở đây được nâng leõn (vuứng 1)
- Và với điểm xa mặt trăng nhất :
A a '
a2 = 2 − < 0
Véctơ gia tốc này hướng ra xa mặt trăng, kết quả nước ở vùng 2 cũng được nâng leân.
Như vậy, nước ở quả đất dâng lên không chỉ ở phía gần Mặt Trăng mà cả ở phía xa Mặt Trăng nữa. Vì vậy, mà thủy triều có thể được quan sát hai lần trong một ngày, cách nhau 12 giờ.
Hiện tượng thủy triều trên đây chỉ có tính chất lý thuyết.
Trong thực tế chế độ thủy triều ở từng nơi diễn ra phức tạp do cấu tạo địa thế và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác do xuất hiện lực ly tâm do Trái Đất quay quanh trục của nó, vị trí tương đối giữa Trái Đất với Mặt trăng, Mặt trời …
5. Veọ tinh thoõng tin (veọ tinh ủũa túnh)
Người ta dùng những vệ tinh đứng yên trong HQC quay của Trái Đất (vệ tinh địa tĩnh) làm vệ tinh thông tin. Trong HQC này, vệ tinh chịu hai lực : lực hấp dẫn và lực ly tâm. Muốn cho hai lực này cân bằng nhau thì vệ tinh thông tin phải ở trên quỹ đạo nằm trong mặt phẳng xích đạo và ở độ cao cách tâm Trái Đất 42.000km. Vì các vệ tinh thông tin ở rất cao so với bầu khí quyển nên chúng không bị sức cản của không khí và có thể ở mãi trên quỹ đạo. Và vì chúng đứng yên ở một điểm ở phía trên xích đạo, nên từ một máy phát đặt trên mặt đất có thể phát một chùm sóng vô tuyến cực ngắn luôn luôn hướng về vệ tinh. Vệ tinh tách chùm sóng và phát chùm sóng thứ hai về trạm thu trên mặt đất.
Khi tìm bán kính qũy đạo của vệ tinh địa tĩnh ta xuất phát từ : Fhd = Flt 2
VT ẹ
R m
GM = mw2 R = mVT .R. 2
2
T 4π
Suy ra : R3 = 2
2 . ẹ
4 T GM
π
Với: G = 6,67.10-11 2
2
kg Nm
Mẹ = 6,0.1024 kg T = 24h = 86400s Tìm được : R = 42.000 km
− A
'2
a
a2 M A C
− A a '1 a1 MT
C. HỆ QUY CHIẾU KHÔNG QUÁN TÍNH TRONG THUYẾT TƯƠNG