Lực quán tính là gì? Công thức tính lực quán tính chính xác nhất

Lực quán tính là gì? Lực quán tính là một thuộc tính của một vật thể vật lý để chống lại bất kỳ thay đổi nào về vận tốc của nó. Lực này hiện diện trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày của chúng ta nhưng không phải ai cũng biết nó là gì. Đọc để tìm hiểu thêm về loại đại lượng vật lý này trong bài viết dưới đây.

1. Quán tính là gì

Quán tính là một lực chống lại bất kỳ thay đổi nào về vận tốc của một vật thể. Bất cứ khi nào một vật thể tăng hoặc giảm tốc độ, nó sẽ chịu một lượng quán tính cụ thể.

Lực quán tính ngăn cản sự thay đổi tốc độ và hướng chuyển động của một vật chuyển động với vận tốc v. Mặt khác, tính chất này có xu hướng giữ cho một vật chuyển động trên một đường thẳng với tốc độ không đổi và giữ nguyên hướng của nó khi không có ngoại lực.

Khi có một lực trực tiếp tác dụng lên một vật, tất cả các vật đều tăng dần tốc độ do có lực quán tính. Nói cách khác, quán tính duy trì vận tốc và hướng chuyển động của vật thể.

Tốc độ thay đổi càng nhanh thì lực quán tính về sức mạnh và lực càng lớn.
Ví dụ, một người ngồi trong ô tô sẽ có cảm giác đầu của họ chúi về phía trước và cơ thể của họ di chuyển về phía trước xe khi ô tô phanh đột ngột do quán tính. Để đảm bảo an toàn, những chiếc xe hiện đại được trang bị túi khí để ngăn ngừa thương tích trong trường hợp xảy ra tai nạn.

Vật có khối lượng càng lớn thì quán tính càng lớn.
Ví dụ, hai ô tô có khối lượng khác nhau chuyển động với cùng vận tốc. Nếu cả hai đều chịu cùng một lực khi phanh thì xe có khối lượng lớn hơn sẽ mất nhiều thời gian hơn để dừng lại.

2. Lực quán tính là gì

Lực quán tính là một loại lực ảo – gọi là ảo vì nó không xuất hiện trực tiếp mà biểu hiện qua chuyển động của một vật có khối lượng.

Lực được coi là tác dụng lên bất kỳ vật nào có khối lượng trong hệ quy chiếu quán tính. Nói cách khác, lực quán tính là một lực được tạo ra trong hệ quy chiếu quán tính và có thể khiến một vật bị biến dạng và gia tốc. Nó không có lực phản ứng.

Trong cơ học cổ điển, quán tính là lực tác dụng lên vật và chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ quy chiếu quán tính. Hơn nữa, chúng ta có thể thay đổi hệ quy chiếu sang một hệ quy chiếu mới, trong đó lực sẽ biến mất.

Lực quán tính không tương đương với lực cơ bản (lực cơ bản bao gồm lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu), lực cơ bản duy trì sự hiện diện của chúng dưới bất kỳ sự thay đổi nào của hệ quy chiếu. Hệ quy chiếu trong đó vật chuyển động với vận tốc không đổi so với hệ quy chiếu quán tính được gọi là hệ quy chiếu quán tính. Hệ quy chiếu trong đó vật chuyển động với gia tốc khác 0 so với hệ quy chiếu quán tính được gọi là hệ quy chiếu phi quán tính.

Lực quán tính tỷ lệ thuận với khối lượng và ngược với hướng của gia tốc.

Lực quán tính lần đầu tiên được đưa vào cơ học cổ điển để giải thích các hiện tượng vật lý trong các hệ quy chiếu phi quán tính. Nếu coi lực quán tính là một trong các lực thì thỏa mãn các định luật vật lý.

3. Công thức tính lực quán tính

Xét một vật có khối lượng m nằm trong hệ quy chiếu phi quán tính. Tại một thời điểm , hệ quy chiếu sẽ chuyển động với gia tốc a so với hệ quy chiếu quán tính. Vật m thời điểm này sẽ chịu tác lựa quán tính, công thức tính sẽ là:

Trong đó:

Fqt: lực quán tính (N) – Newton
m: khối lượng của vật
a: là gia tốc vật (m/s²)

Quán tính xuất hiện khi một hệ quy chiếu có gia tốc cao hơn hệ quy chiếu khác. Một hệ quy chiếu có thể có gia tốc theo nhiều cách, do đó quán tính sẽ thay đổi tương ứng. Bốn lực quán tính được xác định theo gia tốc thường xảy ra là:

• Quán tính xuất hiện khi gia tốc thay đổi theo đường thẳng.
• Hai lực quán tính được tạo ra từ bất kỳ chuyển động quay nào (lực Coriolis và lực hướng tâm). Lực Coriolis là lực dẫn hướng của dòng chảy xoay tròn, dễ dàng quan sát thấy khi xả bồn cầu hay xả bồn tắm, lực này làm cho nước xoay chuyển.
• Lực cuối cùng là lực Euler – sinh ra dưới sự thay đổi tốc độ quay của vật.

4. Lực quán tính ly tâm

Lực hướng tâm là trường hợp đặc biệt của lực quán tính, chỉ xuất hiện trong hệ quy chiếu có vật chuyển động tròn đều. Đây là kết quả của trường gia tốc và xuất hiện trong hệ quy chiếu phi quán tính, trong trường hợp này được gọi là hệ quy chiếu quay.

Trong hệ quy chiếu quay, vật chuyển động thẳng đều sẽ vẫn nằm trong hệ quy chiếu quán tính và sẽ bị đẩy theo phương của tâm quay. Lúc này lực tác dụng lên vật là lực hướng tâm.

Lực quán tính ly tâm tác dụng lên một vật trong hệ quy chiếu quay và có phương trùng với đường thẳng nối tâm của chuyển động tròn đều với khối tâm của vật chuyển động. Hướng ra ngoài từ tâm của đường tròn.

Lực hướng tâm tỷ lệ thuận với khối lượng của vật chuyển động và bình phương vận tốc tuyến tính của nó và tỷ lệ nghịch với bán kính của đường tròn.

5. Ví dụ về lực quán tính

Khái niệm quán tính hiện diện xung quanh chúng ta, nhưng tìm hiểu sâu hơn về bản chất của nó không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Để giúp bạn hiểu rõ hơn, Valve Encyclopedia cung cấp các ví dụ rõ ràng về khái niệm quán tính.

• Chẳng hạn, khi hai ô tô va chạm, người ngồi trong ô tô sẽ di chuyển theo hướng ô tô chuyển động trước đó.
• Khi quét bụi hoặc mảnh vụn khỏi bề mặt, việc dừng đột ngột sẽ khiến mảnh vụn tiếp tục chuyển động và bay đi do quán tính.
• Tương tự, khi bút bi bị chặn, tác dụng một lực rồi dừng đột ngột, mực bên trong sẽ tiếp tục chuyển động tịnh tiến theo chuyển động của nó khiến bút viết được.
• Cuối cùng, khi xe máy và ô tô tăng tốc nhanh, người ta sẽ cảm thấy bị đẩy lùi vào trong ghế.