Lực ly tâm có mặt khắp nơi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhưng đó có phải là những gì chúng ta nghĩ?
Chúng ta trải nghiệm nó khi chúng ta đi một góc trong xe hơi hoặc khi một chiếc máy bay rẽ vào một ngã rẽ. Chúng ta thấy nó trong chu kỳ quay của máy giặt hoặc khi trẻ em đi xe đạp vui vẻ. Một ngày nào đó nó thậm chí có thể cung cấp trọng lực nhân tạo cho tàu không gian và trạm vũ trụ.
Nhưng lực ly tâm thường bị nhầm lẫn với đối tác của nó, lực hướng tâm, bởi vì chúng có liên quan mật thiết với nhau - về cơ bản là hai mặt của cùng một đồng tiền.
Lực hướng tâm được định nghĩa là "lực cần thiết để giữ cho một vật chuyển động theo một đường cong và hướng vào trong tâm quay", trong khi lực ly tâm được định nghĩa là "lực rõ ràng được cảm nhận bởi một vật đang chuyển động theo một đường cong uốn cong ra khỏi trung tâm của vòng quay, "theo Merriam Webster Dictionary.
Lưu ý rằng trong khi lực hướng tâm là một lực thực tế, lực ly tâm được định nghĩa là một lực rõ ràng. Nói cách khác, khi xoay một khối lượng trên một chuỗi, chuỗi đó tác dụng một lực hướng tâm vào khối lượng, trong khi khối lượng xuất hiện để tác dụng một lực ly tâm ra bên ngoài trên chuỗi.
Andrew A. Ganse, nhà vật lý nghiên cứu tại Đại học Washington, cho biết: "Sự khác biệt giữa lực hướng tâm và lực ly tâm có liên quan đến" các khung tham chiếu "khác nhau, nghĩa là, các quan điểm khác nhau mà bạn đo lường một cái gì đó. "Lực hướng tâm và lực ly tâm thực sự là cùng một lực, chỉ ngược hướng nhau vì chúng có kinh nghiệm từ các khung tham chiếu khác nhau."
Nếu bạn đang quan sát một hệ thống quay từ bên ngoài, bạn sẽ thấy một lực hướng tâm hướng vào trong có tác dụng hạn chế cơ thể quay thành một đường tròn. Tuy nhiên, nếu bạn là một phần của hệ thống quay, bạn gặp phải một lực ly tâm rõ ràng đẩy bạn ra khỏi trung tâm của vòng tròn, mặc dù điều bạn thực sự cảm thấy là lực hướng tâm hướng vào trong khiến bạn không thể tiếp tục đi vào một tiếp tuyến .
Các lực lượng tuân theo Định luật về chuyển động của Newton
Lực lượng bên ngoài rõ ràng này được mô tả bởi Định luật về chuyển động của Newton. Định luật thứ nhất của Newton tuyên bố rằng "một cơ thể khi nghỉ ngơi sẽ vẫn ở trạng thái nghỉ ngơi và một cơ thể đang chuyển động sẽ vẫn chuyển động trừ khi nó bị tác động bởi một lực bên ngoài."
Nếu một vật thể lớn đang di chuyển trong không gian theo một đường thẳng, quán tính của nó sẽ khiến nó tiếp tục theo một đường thẳng trừ khi một lực bên ngoài làm cho nó tăng tốc, giảm tốc hoặc đổi hướng. Để nó đi theo một đường tròn mà không thay đổi tốc độ, một lực hướng tâm liên tục phải được đặt ở một góc vuông với đường đi của nó. Bán kính (r) của vòng tròn này bằng khối lượng (m) nhân với bình phương vận tốc (v) chia cho lực hướng tâm (F), hoặc r = mv ^ 2 / F. Lực có thể được tính bằng cách đơn giản sắp xếp lại phương trình, F = mv ^ 2 / r.
Định luật thứ ba của Newton nói rằng "đối với mọi hành động, có một phản ứng bình đẳng và ngược lại." Giống như trọng lực khiến bạn tác dụng một lực lên mặt đất, mặt đất dường như tác dụng một lực bằng nhau và ngược chiều lên chân bạn. Khi bạn đang ở trong một chiếc xe đang tăng tốc, ghế sẽ tác dụng lực về phía trước giống như bạn xuất hiện để tác dụng lực lùi vào ghế.
Trong trường hợp hệ thống quay, lực hướng tâm kéo khối lượng vào trong để đi theo một đường cong, trong khi khối lượng dường như đẩy ra ngoài do quán tính của nó. Tuy nhiên, trong mỗi trường hợp này, chỉ có một lực thực sự được áp dụng, trong khi trường hợp kia chỉ là một lực rõ ràng.
Ví dụ về lực hướng tâm trong hành động
Có rất nhiều ứng dụng khai thác lực hướng tâm. Một là mô phỏng sự tăng tốc của một vụ phóng vũ trụ để huấn luyện phi hành gia. Khi một tên lửa được phóng lần đầu tiên, nó chứa đầy nhiên liệu và chất oxy hóa đến mức nó hầu như không thể di chuyển. Tuy nhiên, khi nó lên cao, nó đốt cháy nhiên liệu với tốc độ khủng khiếp, liên tục mất khối lượng. Định luật thứ hai của Newton nói rằng lực bằng với gia tốc khối lượng, hoặc F = ma.
Trong hầu hết các tình huống, khối lượng vẫn không đổi. Tuy nhiên, với một tên lửa, khối lượng của nó thay đổi mạnh mẽ, trong khi lực, trong trường hợp này lực đẩy của động cơ tên lửa, vẫn gần như không đổi. Điều này làm cho gia tốc về cuối giai đoạn tăng sẽ tăng lên gấp nhiều lần so với trọng lực thông thường. NASA sử dụng máy ly tâm lớn để chuẩn bị các phi hành gia cho sự tăng tốc cực độ này. Trong ứng dụng này, lực hướng tâm được cung cấp bởi lưng ghế đẩy vào trong phi hành gia.
Một ví dụ khác về ứng dụng của lực hướng tâm là máy ly tâm trong phòng thí nghiệm, được sử dụng để tăng tốc độ kết tủa của các hạt lơ lửng trong chất lỏng. Một ứng dụng phổ biến của công nghệ này là để chuẩn bị mẫu máu để phân tích. Theo trang web Khoa học sinh học thực nghiệm của Đại học Rice, "Cấu trúc độc đáo của máu giúp dễ dàng tách các tế bào hồng cầu khỏi huyết tương và các yếu tố hình thành khác bằng cách ly tâm khác biệt."
Dưới lực hấp dẫn bình thường, chuyển động nhiệt gây ra sự trộn lẫn liên tục, ngăn không cho các tế bào máu thoát ra khỏi toàn bộ mẫu máu. Tuy nhiên, một máy ly tâm thông thường có thể đạt được gia tốc gấp 600 đến 2.000 lần so với trọng lực thông thường. Điều này buộc các tế bào hồng cầu nặng phải lắng xuống đáy và phân tầng các thành phần khác nhau của dung dịch thành các lớp theo mật độ của chúng.
Bài viết này được cập nhật vào ngày 10 tháng 5 năm 2019 bởi Người đóng góp Khoa học trực tiếp, Jennifer Leman.
