Lớp 10 Vật lí 10 - Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lý 10 bài 14: Moment - Điều kiện cân bằng của vật CTST

Chúng tôi xin giới thiệu bài Lý thuyết Vật lý lớp 10 bài 14: Moment - Điều kiện cân bằng của vật được Khoahoc sưu tầm và tổng hợp các câu hỏi lí thuyết và trắc nghiệm có đáp án đi kèm nằm trong chương trình giảng dạy môn Vật lý lớp 10 sách chân trời sáng tạo. Mời quý thầy cô cùng các bạn tham khảo tài liệu dưới đây.

1. Moment lực – Moment ngẫu lực

a. Khái niệm moment lực

Đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực là moment lực, có định nghĩa như sau:

  • Moment lực đối với trục quay là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực và được đo bằng tích của lực với cánh tay đòn của nó.

M = F.d

 

Với  F là độ lớn của lực, d là khoảng cách từ trục đến quá của lực, gọi là cánh tay đòn.

  • Trong hệ SI, đơn vị của moment lực là N.m (Niutơn mét).

Mô tả tác dụng làm quay của lực đối với trục quay O

Ví dụ minh họa

Lực tác dụng lên cờ lê để tháo đai ốc

a) Vặn khóa cửa

b) Tháo bánh xe

c) Vặn nút ga

b. Khái niệm moment ngẫu lực

Một vài ví dụ về ngẫu lực trong thực tiễn:

a) Lực của tay tác dụng khi vặn vòi nước

b) Lực tác dụng vào vô lăng ô tô

c) Lực tác dụng vào một thanh tự do
  • Hai hệ lực song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau và cùng tác dụng vào một vật được gọi là ngẫu lực.
  • Dưới tác dụng của ngẫu lực tác dụng lên một vật chỉ làm cho vật quay chứ không tịnh tiến.
  • Tác dụng làm quay của cặp lực trên được gọi là moment của ngẫu lực và có thể tính được bằng tổng các moment của mỗi lực với trục quay.

Ví dụ: Lực tác dụng vào vô lăng ô tô

Trong đó: {\vec F_1},{\vec F_2} đều có tác dụng làm vô lăng quay ngược chiều kim đồng hồ và có cánh tay đòn lần lượt là d_1 và d_2.

Ta có khoảng cách giữa hai giá của hai lực d = d_1 + d_2. Lúc đó, d gọi là cánh tay đòn của ngẫu lực. Khi đó ta có kết luận như sau:

Moment của ngẫu lực đối với trục quay đi qua điểm O được xác định:

M = {F_1}.{d_1} + {F_2}.{d_2} = F.d

2. Quy tắc moment

a. Quy tắc moment

Thanh chắn đường tàu

- Để hỗ trợ cho tàu hỏa di chuyển an toàn qua các nơi giao nhau với đường bộ, người ta thường sử dụng thanh chắn như hình trên. Xét trục quay đi qua khớp nối giữa thanh chắn với trụ đỡ và vuông góc với mặt phẳng thẳng đứng (P) (chứa thanh chắn và trụ đỡ).

- Ở trạng thái cân bằng, chuyển động xoay của thanh chắn trong mặt phẳng (P) cần phải được loại bỏ. Khi đó, điều kiện phải có chính là quy tắc moment lực.

Quy tắc moment lực (hay điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định)

  • Muốn cho một vật có trục quay cố định ở trạng thái cân bằng, thì tổng các moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các moment lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.

{M_1} + {M_2} + ... = {M_1}' + {M_2}' + ...

  • Nếu chọn một chiều quay làm chiều dương thì điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định là: Tổng các moment lực tác dụng lên vật (đối với một điểm bất kì) bằng 0.

\sum {M = 0}

Ví dụ: Khi vật rắn không có trục quay cố định chịu tác dụng của moment ngẫu lực thì vật sẽ quay quanh yếu tố nào?

Hướng dẫn

Khi vật rắn không có trục quay cố định chịu tác dụng của moment ngẫu lực thì vật sẽ quay quanh một trục đi qua trọng tâm và vuông góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực. Trường hợp này ngẫu lực không gây ra một tác dụng nào đối với trục quay nghĩa là có trục quay qua tâm cũng như không có.

b. Vận dụng quy tắc moment

Ví dụ: Một người dùng chiếc búa dài 25 cm để nhổ một cây đinh đóng thẳng đứng ở một tấm gỗ. Biết lực tác dụng vào cây búa 180 N song song với mặt đất là có thể nhổ được cây đinh. Hãy tìm lực cản của gỗ tác dụng lên cây đinh, biết trục quay tạm thời của búa cách đinh một khoảng 9 cm.

Hướng dẫn:

Áp dụng quy tắc moment ta có:

{F_1}.{d_1} = {F_2}.{d_2} \Rightarrow 180.0,25 = {F_2}.0,09 \Rightarrow {F_2} = 500N

Ví dụ: Một xe đẩy chuyển vật liệu có cấu tạo như hình vẽ. Tổng khối lượng vật liệu và xe là 100 kg. Áp dụng quy tắc moment, tính lực nâng đặt vào tay cầm để giữ xe thăng bằng. Lấy g = 9,8 m/s2.

Hướng dẫn:

Xét trục quay đi qua trục bánh xe. Lực nâng của tay có tác dụng làm xe quay cùng chiều kim đồng hồ trong khi trọng lực của vật liệu có tác dụng làm xe quay ngược chiều kim đồng hồ.

Áp dụng quy tắc moment lực, ta có: F.d_1 = P.d_2

Suy ra: F = \frac{{m.g.{d_2}}}{{{d_1}}} = \frac{{100.9,8.0.6}}{{1,4}} = 420N

3. Điều kiện cân bằng của vật

- Các vật được xét trong các ví dụ minh hoạ trong bài đều không thể xem như là chất điểm bởi có hình dạng và kích thước xác định. Khi khoảng cách giữa hai điểm bất kì trên vật không đổi, vật được gọi là vật rắn.

- Khối lượng và vị trí trọng tâm là hai đại lượng đặc trưng cho vật rắn, Chuyển động của trọng tâm đại diện cho chuyển động tịnh tiến của vật rắn.

Hệ vật cân bằng trên nêm

Khi vật rắn ở trạng thái cân bằng, lực tác dụng vào vật phải có hai điều kiện sau:

  • Lực tổng hợp tác dụng lên vật bằng không.
  • Tổng moment lực tác dụng lên vật đối với một điểm bất kì bằng không.

\begin{matrix} \overrightarrow {{F_1}} + \overrightarrow {{F_2}} + ... + \overrightarrow {{F_n}} = \overrightarrow 0 \hfill \\ {M_1} + {M_2} + ... + {M_n} = 0 \hfill \\ \end{matrix}

  • Trong điều kiện về moment lực, ta cần quy ước các moment lực có xu hướng làm vật quay theo một chiều có giá trị dương. Từ đó các moment lực có xu hướng quay theo chiều ngược với chiều dương quy ước sẽ có giá trị âm.

Ví dụ: Một thanh sắt AB dài, đồng chất, tiết diện đều, được đặt trên bàn sao cho 1/4 chiều dài của nó nhô ra khỏi bàn. Tại đầu nhô ra B, người ta đặt một lực có độ lớn F hướng thẳng đứng xuống dưới. Khi lực đạt tới giá trị 40 N thì đầu kia của thanh bắt đầu bênh lên. Tính khối lượng của thanh. Lấy g=10m/s2

Hướng dẫn giải:

Gọi O là điểm bắt đầu nhô ra của thanh sắt, O chính là trục quay của thanh, G là trọng tâm của thanh.

Khi đầu A của thanh bắt đầu bênh lên, ta có

\begin{array}{l}{M_F} = {M_P} \Rightarrow F.OB = P.OG\\ \Rightarrow F.OB = m.g.OG\\ \Rightarrow m = \dfrac{F}{g}.\dfrac{{OB}}{{OG}} = \dfrac{{40}}{{10}}.\dfrac{{\dfrac{{AB}}{4}}}{{\dfrac{{AB}}{4}}} = 4kg\end{array}

  • 1.543 lượt xem
Sắp xếp theo
🖼️
Xóa Gửi bình luận

Vật Lí 10 CTST