Buzz
Khái niệm quỹ đạo chuyển động của một vật là gì?
Chuyển động cơ học là sự thay đổi vị trí của một vật theo thời gian so với một vật khác, gọi là vật mốc. Một vật được coi là đứng yên khi vị trí của nó không thay đổi theo thời gian so với vật mốc. Ví dụ, khi đoàn tàu rời ga, nó di chuyển so với nhà ga, nghĩa là đoàn tàu đang chuyển động so với nhà ga.
Một vật có thể chuyển động so với một vật mốc nhưng lại đứng yên so với một vật mốc khác. Do đó, khái niệm chuyển động hay đứng yên là tương đối, phụ thuộc vào vật được chọn làm mốc.
Thông thường, người ta hay chọn Trái Đất hoặc các vật gắn liền với Trái Đất như nhà cửa, cây cối, xe cộ làm vật mốc. Ví dụ, nếu một người quan sát ô tô trên đường, vị trí giữa ô tô và người quan sát thay đổi, nghĩa là ô tô đang chuyển động so với người đó. Ngược lại, vị trí của người đó với cột điện bên đường không thay đổi, vậy người đó đứng yên so với cột điện.
Quỹ đạo chuyển động của một vật là con đường mà vật thể có khối lượng vạch ra trong không gian theo thời gian. Ví dụ quen thuộc bao gồm đường đi của viên đạn hoặc quả bóng bị ném hoặc đá. Những vật thể này di chuyển dưới ảnh hưởng của trọng trường, và trong mô hình đơn giản, quỹ đạo có thể có dạng parabol. Để xác định chính xác quỹ đạo, cần cân nhắc đến lực hấp dẫn không đồng nhất và sức cản không khí. Đây là cốt lõi của định luật đạn đạo.
Trong thiên văn học và cơ học cổ điển, quỹ đạo có thể là quỹ đạo của hành tinh, tiểu hành tinh hoặc sao chổi khi di chuyển xung quanh một thiên thể trung tâm, chẳng hạn như quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời. Johannes Kepler đã phát triển ba định luật nổi tiếng về quỹ đạo của các hành tinh, bao gồm:
- Định luật Kepler I (hay định luật về quỹ đạo của các hành tinh): Mọi hành tinh di chuyển theo quỹ đạo hình elip quanh Mặt Trời, với Mặt Trời nằm tại một tiêu điểm. Quỹ đạo của các hành tinh là kết quả của lực hấp dẫn từ Mặt Trời.
- Định luật Kepler II (hay định luật về tốc độ diện tích quét): Trong chuyển động của một hành tinh, vectơ bán kính từ Mặt Trời đến hành tinh quét ra những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.
- Định luật Kepler III (hay định luật chu kỳ chuyển động) nêu rằng: Bình phương chu kỳ quay của mỗi hành tinh tỉ lệ với lũy thừa ba của bán trục lớn của quỹ đạo hành tinh đó và là một hằng số, không phụ thuộc vào hành tinh.
2. Phân loại quỹ đạo
Các quỹ đạo được phân loại dựa trên hình dạng của chúng, dẫn đến các dạng chuyển động khác nhau:
- Chuyển động thẳng, như trong trường hợp của tàu vũ trụ di chuyển theo đường thẳng.
- Chuyển động cong, ví dụ như chuyển động của quả bóng bàn hoặc con lắc theo quỹ đạo cong.
- Chuyển động tròn, chẳng hạn như chuyển động của chiếc đu quay hoặc đầu cánh quạt khi quay. Quỹ đạo của đầu van xe đạp vừa theo hình cong so với trục bánh xe, vừa di chuyển thẳng cùng với xe đạp trên đường.
3. Ý nghĩa của việc xác định quỹ đạo của một vật
Trong đời sống, xác định quỹ đạo của một vật giúp chúng ta thực hiện các công việc như thống kê, so sánh, nghiên cứu, chế tác cơ khí và thiết lập dữ liệu liên quan đến chuyển động. Nếu vật A thay đổi vị trí so với vật B, thì ngược lại, vật B cũng thay đổi vị trí so với vật A. Nói cách khác, nếu vật A chuyển động so với vật B, thì vật B cũng chuyển động so với vật A. Để mô tả chuyển động cơ học, cần phải xác định rõ đối tượng đang được nghiên cứu.
Trong nghiên cứu và giảng dạy, xác định quỹ đạo của một vật giúp chúng ta tìm ra phương trình chuyển động, xây dựng hàm số liên quan đến thời gian, vận tốc, gia tốc và xác định các giá trị của các đại lượng còn lại trong phương trình chuyển động.
Do đó, việc xác định quỹ đạo của một vật đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực Vật lý.
4. Một số bài tập ứng dụng
Để giải các bài tập liên quan đến quỹ đạo, cần xác định: (1) vật mốc, coi là vật đứng yên và (2) hình dạng chuyển động của vật cần xét so với vật mốc đó.
Bài tập 1: Một người quan sát xe ô tô đang di chuyển.
a) Nêu ví dụ về bộ phận của xe ô tô chuyển động theo quỹ đạo thẳng.
b) Nêu ví dụ về bộ phận của xe ô tô chuyển động theo quỹ đạo cong.
Hướng dẫn trả lời:
a) Các bộ phận di chuyển theo quỹ đạo thẳng: ghế ngồi, đèn chiếu sáng, gương chiếu hậu.
b) Các bộ phận di chuyển theo quỹ đạo cong: bánh xe, vô lăng.
Bài tập 2: Hãy khảo sát chiếc xe đạp hoặc xe máy ở nhà bạn: xác định bộ phận điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe; bộ phận giúp bánh xe quay; và bộ phận làm giảm tốc độ (hãm) khi xe đang di chuyển.
Hướng dẫn trả lời:
- Bộ phận giúp người lái xe điều khiển quỹ đạo di chuyển của xe theo ý muốn: Vô lăng
- Bộ phận làm cho bánh xe quay: Sên xe
- Bộ phận giúp giảm tốc độ hoặc dừng xe khi đang di chuyển: Phanh
Bài tập 3: Một người đang đi xe đạp trên đường thẳng. Trong các bộ phận dưới đây, hãy xác định bộ phận nào của xe đạp chuyển động theo hình tròn và so với vật mốc nào?
a) Bàn đạp xe so với mặt đường. b) Van xe đạp so với trục bánh xe.
c) Khung xe đạp so với mặt đường. d) Bánh xe so với mặt đường.
Hướng dẫn trả lời:
Chọn 2 đáp án: a) Bàn đạp xe so với mặt đường và d) Bánh xe so với mặt đường.
Khi chọn mặt đường làm vật mốc, các bộ phận của xe có hình tròn (như bánh xe) hoặc xoay quanh một trục cố định với bán kính không đổi (như bàn đạp xe) sẽ chuyển động theo quỹ đạo tròn.
Bài tập 4: Một hành khách đang ngồi trên xe buýt từ Thủy Phù đến Huế. Hành khách này đang chuyển động so với:
A. Tài xế
B. Một hành khách khác trên xe buýt
C. Một người đi xe đạp trên đường và hành khách trên xe buýt
D. Cột mốc và người đi xe đạp trên đường.
Hướng dẫn trả lời:
Chọn đáp án D. Cột mốc và người đi xe đạp trên đường.
Bài tập 5: Nhận xét nào dưới đây của hành khách trên đoàn tàu đang chuyển động là không chính xác?
A. Cột đèn bên đường di chuyển so với đoàn tàu.
B. Đầu tàu chuyển động so với các toa tàu.
C. Hành khách ngồi trên tàu không di chuyển so với đầu tàu.
D. Người soát vé di chuyển trên tàu có sự chuyển động so với đầu tàu.
Hướng dẫn trả lời:
Nhận xét sai là đáp án B. Đầu tàu không chuyển động so với các toa tàu.
Vì đầu tàu và các toa tàu giữ nguyên vị trí tương đối, nên đầu tàu không chuyển động so với toa tàu.
