Tìm hiểu về quán tính

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

159
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quán tính, trong vật lý học, là tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động của một vật. Tính chất này hiểu nôm na là "tính ì" của vật.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tìm hiểu về quán tính

Tìm hiểu về quán tính Quán tính, trong vật lý học, là tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động của một vật. Tính chất này hiểu nôm na là "tính ì" của vật. Khi một vật không chịu tác dụng lực hay các lực tác dụng lên vật cân bằng thì vận tốc của vật không thay đổi (vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều). Tính chất giữ nguyên vận tốc của vật gọi là quán tính (tiếng Anh: Inertia). Do có quán tính nên khi vật chịu tác dụng của lực thì vật không thể lập tức đạt ngay vận tốc cần có mà phải có đủ thời gian để tăng hay giảm vận tốc mà vật đang có. Mức quán tính của mỗi vật phụ thuộc vào khối lượng của vật. Vật có khối lượng càng lớn thì mức quán tính càng lớn. Thí nghiệm vui về quán tính  Hình a Hình b Hình c
Mức độ "ì" của vật gắn liền với khối lượng của vật chất. Vật có khối lượng lớn có sức ì lớn hơn và cần có lực lớn hơn để làm thay đổi chuyển động của nó. Mối liên hệ giữa quán tính với khối lượng được Newton phát biểu trong định luật 2 Newton. Khối lượng hiểu theo nghĩa độ lớn của quán tính, khối lượng quán tính, không nhất thiết trùng với khối lượng hiểu theo nghĩa mức độ hấp dẫn vật thể khác, khối lượng hấp dẫn. Tuy nhiên các thí nghiệm chính xác hiện nay cho thấy hai khối lượng này rất gần nhau và nguyên lý tương đương dùng để xây dựng nên thuyết tương đối rộng của Albert Einstein phát biểu rằng hai khối lượng này là một. Khối lượng quán tính trong chuyển động thẳng đều còn được mở rộng thành khái niệm mô men quán tính trong chuyển động quay. Xu hướng giữ nguyên trạng thái chuyển động của vật chất được phát biểu lần đầu bởi Galileo Galilei và được Isaac Newton tổng kết lại trong định luật 1 Newton (còn được gọi là định luật quán tính). Mọi vật đều có: xu hướng giữ nguyên trạng thái đứng yên xu hướng giữ nguyên trạng thái chuyển động thẳng đều khi không có ngoại lực tác động vào chúng. Đây chính là chuyển động theo quán tính. Trong lý thuyết tương đối rộng, chuyển động theo quán tính là chuyển động theo đường trắc địa trong không thời gian. Các thí nghiệm vui sau đây giúp chúng ta tiếp cận với khái niệm quán tính, và có thể gây bất ngờ cho nhiều người. Các bạn có thể thực hiện trước ở nhà và biểu diễn cho các bạn cùng lớp trong các buổi học ngoại khoá Vật lí. Thí nghiệm 1 : Dùng hai sợi dây mảnh treo quả bóng đá bơm căng (hoặc thay bằng quả cân) và treo như Hình a. Em nêu tình huống trước mọi người : nếu giật nhanh thì sợi dây dưới hay dây trên sẽ đứt ? Thí nghiệm 2 : Trải một tờ giấy mỏng ở mép bàn (Hình b) rồi đặt một nắp bút thẳng đứng lên trên. Em hãy yêu cầu các bạn của mình tìm cách lấy tờ giấy đi mà vẫn giữ nắp bút không đổ. Để trò chơi thêm phần lí thú em có thể thay nắp bút
bằng cốc thủy tinh hoặc vỏ chai nước ngọt, quyển tự điển (Hìnhc) ... Sau khi đã hiểu được khái niệm quán tính, ta có thể vận dụng để giải thích các hiện tượng có liên quan, ví dụ: 1. Một người đứng trên một chiếc thuyền đang chuyển động. Tại sao người ấy lại khó giữ được vị trí cũ của mình nếu thuyền đột ngột dừng lại ? 2. Khi nhổ cỏ dại, không nên bứt đột ngột ? 3. Trong các phim hành động thường có các cảnh rượt đuổi gay cấn. Ví dụ, một ô tô cảnh sát đang đuổi theo một tội phạm lái mô tô. Khi ô tô cảnh sát sắp bắt được kẻ tội phạm ấy, mô tô thình lình rẽ ngoặt sang hướng khác. Tại sao mô tô rẽ như vậy thì cảnh sát khó bắt được kẻ tội phạm ? Hiệu ứng Magnus Hiệu ứng Magnus là một trong những hiện tượng vật lý khá thú vị. Một trong những hiện tượng của hiệu ứng đó chính là đường đi không thẳng của quả bóng đá(quỹ đạo chuyển động của quả bóng có hình vòng cung)
Khí động lực học của trái bóng Sự lệch quỹ đạo của một vật thể quay tròn lần đầu tiên được giải thích bởi Lord Rayleigh dựa trên công trình thực hiện năm 1852 của nhà vật lý Đức Gustav Magnus. Thực ra hồi ấy Magnus muốn nghiên cứu xem tại sao những quả đạn lại bị lệch sang một bên khi vừa quay tròn vừa chuyển động, song sự lý giải của ông cũng được áp dụng rất tốt cho trường hợp quả bóng đá. Ta hãy xét một trái bóng đang quay quanh một trục vuông góc với dòng không khí chuyển động trên bề mặt của nó. Tại một phía mặt bên của bóng, chiều quay của nó cùng chiều với chuyển động của dòng không khí (giả thiết) và như vậy dòng khí ở mặt bên này sẽ đi nhanh hơn so với dòng khí ở phần giữa gần trục quay của bóng. Theo nguyên lý Bernouilli, áp suất tại một mặt bên của bóng, nơi có dòng khí chuyển động nhanh hơn sẽ nhỏ hơn áp suất ở phần giữa. Tại mặt bên kia của bóng thì điều này xảy ra ngược lại, vì tại đó chiều quay của bóng sẽ ngược với chiều chuyển động của dòng khí, làm giảm tốc độ dòng khí và từ đó làm tăng áp suất. Như vậy, có một sự không cân bằng về lực và quả bóng sẽ đi lệch sang một bên. Những hiện tượng như thế này thường được gọi là “hiệu ứng Magnus”. Những lực làm lệch đường đi của quả bóng quay tròn nói chung được chia thành hai loại: một lực nâng và một lực cản. Lực nâng hướng lên trên hoặc hướng sang ngang, đại diện cho hiệu ứng Magnus. Lực cản tác động theo hướng ngược với đường đi của quả bóng. Chúng ta có thể tính được các lực này trong một tình huống đá phạt. Giả sử rằng vận tốc của quả bóng là 25-30m/s và tốc độ quay là khoảng 8-10 vòng mỗi giây, khi đó lực nâng vào khoảng 3,5N. Nếu lấy khối lượng chuẩn của một quả bóng dành cho thi đấu là 410-450g, khi đó nó sẽ có gia tốc là khoảng 8m/s2. Và bởi vì trong một giây, quả bóng có thể đi về phía trước được cỡ 30m nên lực nâng sẽ khiến nó bị lệch khoảng 4m so với quỹ đạo thẳng, quá đủ để gây khó khăn cho bất cứ thủ môn nào.
Lực cản FD (ở đây có thể hiểu là lực cản của không khí) tỷ lệ với bình phương vận tốc v, giả sử rằng mật độ r và tiết diện ngang A của quả bóng không thay đổi : FD = CDrAv2/2. Tuy nhiên, có vẻ như là “hệ số cản” CD cũng phụ thuộc vào vận tốc của bóng. Chẳng hạn, nếu ta vẽ đồ thị hệ số cản theo số Reynold – một tham số không thứ nguyên có giá trị là rvD/µ , trong đó D là đường kính của quả bóng và µ là độ nhớt động học của không khí – ta sẽ thấy rằng hệ số cản giảm đột ngột khi dòng khí ở bề mặt của quả bóng bắt đầu trở nên rối loạn. Khi các dòng khí phân lớp một cách có trật tự , hệ số cản sẽ lớn, lớp không khí trên bề mặt bóng sẽ bị phân tách khi nó vừa đi qua quả bóng, và từ đó những xoáy khí sớm được hình thành ở ngay sau đuôi quả bóng. Tuy nhiên, khi dòng khí trở nên rối loạn, lớp khí trên bề mặt bám vào quả bóng lâu hơn, nó bị phân tách chậm hơn, và do đó hệ số cản sẽ nhỏ. Giá trị số Reynold mà tại đó hệ số cản giảm sẽ phụ thuộc vào độ nhám trên bề mặt quả bóng. Chẳng hạn, với những quả bóng gôn có độ nhám bề mặt cao, hệ số cản sẽ giảm tại một giá trị số Reynold tương đối thấp (cỡ 2.10^4). Tuy nhiên, trong trường hợp quả bóng đá, nó nhẵn hơn bóng gôn nên giá trị số Reynold này lớn hơn nhiều (cỡ 4. 10^5). Kết quả là một quả bóng chuyển động chậm sẽ phải chịu một lực trễ tương đối lớn. Nhưng nếu bạn có thể sút bóng đủ nhanh sao cho dòng khí đi qua nó bị rối, quả bóng sẽ chịu một lực trễ nhỏ Do vậy, một quả bóng chuyển động nhanh sẽ gây khó khăn gấp bội cho thủ môn không chỉ vì tốc độ cao của nó mà còn vì nó không bị chậm lại nhiều như người ta tưởng. Có lẽ những thủ môn hàng đầu hiểu về vật lý theo trực giác nhiều hơn là theo suy luận, mà thực ra chắc cũng không hiểu thế nào là hiệu ứng magnus đâu
Năm 1976, Peter Bearman và các cộng sự ở trường Imperial College, London đã thực hiện một loạt các thí nghiệm đối với quả bóng gôn. Họ thấy rằng việc tăng tốc độ quay của quả bóng sẽ tạo ra một hệ số nâng lớn hơn và từ đó là một lực Magnus lớn hơn. Tuy nhiên, việc tăng vận tốc tịnh tiến ở một tốc độ quay cho trước lại làm giảm hệ số nâng. Điều này có nghĩa là một quả bóng chuyển động chậm nhưng quay nhanh sẽ chịu một một lực làm lệch lớn hơn so với quả bóng chuyển động nhanh có cùng tốc độ quay.