Lực ly tâm không phải lực thật nếu bạn đứng ngoài quan sát: không có gì đẩy vật ra xa tâm cả, vật chỉ đang cố đi thẳng theo quán tính. Nhưng nếu bạn đứng trong hệ đang quay — trên đu quay, trong lồng máy giặt — thì lực ly tâm là một lực quán tính rất hữu ích để tính toán, và cảm giác "bị văng ra" là thật. Lực thật trong chuyển động tròn là lực hướng tâm, kéo vật vào trong.
Hai cái tên hay bị lẫn: hướng tâm và ly tâm
| Lực hướng tâm | Lực ly tâm | |
|---|---|---|
| Hướng | Vào tâm quỹ đạo | Ra xa tâm |
| Có trong hệ quán tính (đứng ngoài nhìn) | Có — là lực thật | Không |
| Có trong hệ quay (đứng trên vật quay) | Có | Có — là lực quán tính |
| Do vật nào gây ra | Dây căng, ma sát lốp, hấp dẫn, thành lồng máy giặt… | Không vật nào |
| Độ lớn | m·v²/r | m·v²/r (cùng độ lớn, ngược chiều) |
Chữ "centrifugal" (ly tâm, chạy trốn khỏi tâm) do nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens đặt ra trong một bản thảo năm 1659. Newton về sau đặt chữ "centripetal" (hướng tâm, tìm về tâm) cho lực thật kéo vật đi vòng.
Vì sao không có lực nào đẩy ra ngoài
Hãy quay một hòn đá buộc dây trên đầu. Tay bạn thấy dây căng, như thể hòn đá muốn bay ra xa. Bây giờ cắt dây. Nếu có lực ly tâm thật đẩy ra ngoài, hòn đá sẽ bay thẳng ra xa tâm theo đường bán kính. Nhưng thực tế hòn đá bay theo đường tiếp tuyến — đường thẳng đi tiếp hướng vận tốc tại lúc dây đứt.
Đó là định luật I Newton: không còn lực, vật đi thẳng. Trước khi dây đứt, dây liên tục kéo hòn đá vào trong để bẻ cong đường đi của nó. Cảm giác căng dây là cảm giác của tay bạn đang cung cấp lực hướng tâm, và hòn đá kéo ngược tay bạn theo định luật III. Lực mà hòn đá kéo tay bạn là thật, nhưng nó đặt lên tay bạn, không phải lên hòn đá.
Bánh xe đạp lăn qua vũng bùn cũng cho thấy điều này: bùn bắn ra theo phương tiếp tuyến với vành bánh, vì thế người ta gắn chắn bùn ở trên và phía sau bánh xe.
Khi nào nên dùng lực ly tâm
Đứng trong hệ quay, dùng lực ly tâm giúp bài toán gọn hơn nhiều. Kỹ sư thiết kế máy ly tâm, nhà khí tượng tính gió, phi hành gia tính trọng lực nhân tạo đều làm vậy. Nó chỉ là cách nhìn khác, không phải cách nhìn sai.
Quy tắc: chọn một chỗ đứng và giữ nguyên. Đứng ngoài thì chỉ có lực hướng tâm. Đứng trong thì có thêm lực ly tâm cân bằng với lực hướng tâm, và vật đứng yên trong hệ quay. Trộn lẫn hai cách — vừa có lực hướng tâm vừa có lực ly tâm mà vẫn để vật quay — là lỗi hay gặp nhất trong bài làm.
Lực hướng tâm ở đâu ra: mỗi chuyển động tròn một "người kéo"
- Hòn đá buộc dây: lực căng dây.
- Ô tô vào cua: ma sát nghỉ giữa lốp và mặt đường. Đường trơn thì ma sát không đủ, xe trượt ra ngoài — không phải vì bị "văng", mà vì không đủ lực để bẻ cong đường đi.
- Mặt Trăng quanh Trái Đất: lực hấp dẫn.
- Quần áo trong lồng máy giặt: thành lồng đẩy vào trong. Nước thì lọt qua lỗ thành lồng, không có gì giữ nên đi thẳng ra ngoài.
- Người trên đu quay ghế xích: thành phần nằm ngang của lực căng xích.
- Xe đạp nghiêng khi rẽ: ma sát mặt đường, kết hợp với tư thế nghiêng để cân bằng.
Lực ly tâm làm việc: những ứng dụng thật
Máy ly tâm trong phòng xét nghiệm
Ống máu quay hàng nghìn vòng mỗi phút. Trong hệ quay, các tế bào máu nặng hơn chịu "lực ly tâm" lớn hơn, lắng xuống đáy ống, huyết tương nhẹ nổi lên trên. Một quá trình lắng có thể mất hàng giờ dưới trọng lực thường được rút xuống vài phút.
Rổ quay rau
Quay rổ nhựa có lỗ: lá rau bị thành rổ giữ, giọt nước lọt qua lỗ đi thẳng ra ngoài. Cùng nguyên lý với máy giặt vắt.
Bộ điều tốc ly tâm
Máy hơi nước của James Watt (cuối thế kỷ 18) dùng hai quả cầu quay: máy chạy nhanh thì quả cầu văng rộng ra, kéo van đóng bớt hơi. Đây là một trong những cơ cấu điều khiển tự động sớm nhất.
Trọng lực nhân tạo
Các thiết kế trạm vũ trụ hình bánh xe quay để người ở vành ngoài thấy "sàn" đẩy mình như trọng lực. Với bán kính 100 m, quay khoảng 3 vòng mỗi phút là đủ tạo gia tốc gần bằng g. Ý tưởng có từ đầu thế kỷ 20 (Konstantin Tsiolkovsky, rồi Hermann Noordung), đến nay chưa có trạm nào như vậy được xây.
Trái Đất phình ở xích đạo
Trái Đất quay khiến vật chất ở xích đạo "muốn" văng ra xa hơn. Qua hàng tỷ năm, Trái Đất thành hình hơi dẹt: bán kính xích đạo khoảng 6.378 km, bán kính tới cực khoảng 6.357 km, chênh nhau khoảng 21 km. Gia tốc trọng trường ở xích đạo (khoảng 9,78 m/s²) cũng nhỏ hơn ở cực (khoảng 9,83 m/s²), một phần do quay, một phần do xa tâm hơn. Một người 60 kg đứng trên cân điện tử ở xích đạo sẽ thấy số chỉ ít hơn ở Bắc Cực chừng 0,3 kg.
Góc nhìn hôm nay: cách nói đúng trong bài thi
- Viết "vật chuyển động tròn cần lực hướng tâm F = m·v²/r" — luôn đúng.
- Chỉ viết "lực ly tâm" khi bài đã nói rõ xét trong hệ quy chiếu quay.
- Câu "ô tô vào cua bị lực ly tâm đẩy ra ngoài" nên sửa thành "ma sát không đủ cung cấp lực hướng tâm nên xe trượt ra ngoài theo quán tính".
Thử ở nhà: đặt một viên bi vào chiếc đĩa có thành, xoay đĩa tròn trên mặt bàn để bi chạy vòng theo thành đĩa, rồi nhấc một phần thành đi (dùng đĩa giấy cắt một đoạn mép). Viên bi lăn ra theo đường tiếp tuyến chứ không theo bán kính. Đây là thí nghiệm kinh điển trong các bài nghiên cứu về hiểu lầm vật lý.
Câu hỏi thường gặp
Lực ly tâm có thật không?
Đứng ngoài quan sát thì không có lực ly tâm, vật chỉ có xu hướng đi thẳng theo quán tính. Đứng trong hệ đang quay thì lực ly tâm là một lực quán tính dùng để tính toán, và cảm giác bị đẩy ra ngoài là có thật.
Lực hướng tâm và lực ly tâm khác nhau thế nào?
Lực hướng tâm là lực thật kéo vật vào tâm để nó đi vòng, do dây, ma sát hay hấp dẫn tạo ra. Lực ly tâm là lực quán tính hướng ra ngoài, chỉ xuất hiện khi xét trong hệ quay, cùng độ lớn m·v²/r nhưng ngược chiều.
Vì sao máy giặt vắt được nước?
Lồng máy giặt quay nhanh, thành lồng đẩy quần áo vào trong để chúng đi vòng. Nước lọt qua lỗ nhỏ trên thành lồng nên không bị giữ lại, nó đi thẳng ra ngoài theo quán tính và tách khỏi quần áo.
Dây đứt thì vật quay bay theo hướng nào?
Vật bay theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo tròn tại điểm dây đứt, tức đi thẳng theo hướng vận tốc lúc đó, rồi rơi xuống do trọng lực. Nó không bay thẳng ra xa tâm theo bán kính.
Vì sao ô tô vào cua nhanh dễ bị văng?
Lực hướng tâm cần để vào cua tăng theo bình phương tốc độ. Khi ma sát giữa lốp và đường không đủ lớn, xe không bẻ cong được quỹ đạo và trượt ra ngoài theo quán tính.