Cân bằng của một vật chịu tác dụng của các lực không song song
Vật lý 10: Bài tập cân bằng vật chịu nhiều lực
Cân bằng của một vật chịu tác dụng của các lực không song song là kiến thức trọng tâm trong chương trình Vật lý lớp 10, thuộc phần Tĩnh học. Đây là nội dung giúp học sinh hiểu rõ hơn về điều kiện để một vật đứng yên hoặc chuyển động đều, khi chịu tác dụng của nhiều lực khác phương. Trong bài viết này, bạn sẽ được tìm hiểu chi tiết về định nghĩa cân bằng lực, điều kiện cân bằng, cách biểu diễn lực, cũng như cách vẽ và phân tích giản đồ lực thông qua các ví dụ minh họa thực tế và bài tập có lời giải.
A. Điều kiện cân bằng của vật
Điều kiện cân bằng của vật chịu tác dụng của các lực không song song;
\(\overset{\rightarrow}{F_{1}} +\overset{\rightarrow}{F_{2}} +...+\overset{\rightarrow}{F_{n}} =\overset{\rightarrow}{0}\)
B. Phương pháp giải bài toán cân bằng của một vật chịu tác dụng của các lực
+ Vẽ hình, xác định các lực tác dụng lên vật;
+ Viết phương trình (véc tơ) cân bằng;
+ Dùng phép chiếu để chuyển phương trình véc tơ về phương trình đại số;
+ Giải phương trình hoặc hệ phương trình để tìm các lực cần tìm.
C. Bài tập cân bằng của một vật chịu tác dụng của các lực không song song
| Bài tập 1. Một vật có khối lượng m = 2 kg được giữ yên trên một mặt phẳng nghiêng bởi một sợi dây song song với đường dốc chính. Biết góc nghiêng α = 300, g = 9,8 m/s2 và ma sát không đáng kể. Xác định lực căng của sợi dây và phản lực của mặt phẳng nghiêng lên vật. |  |
Hướng dẫn giải
Phân tích lực như hình vẽ :
Vật chịu tác dụng của các lực: Trọng lực \(\overset{\rightarrow}{P}\), phản lực \(\overset{\rightarrow}{N}\) và sức căng \(\overset{\rightarrow}{T}\) của sợi dây.
Điều kiện cân bằng: \(\overset{\rightarrow}{P}\) + \(\overset{\rightarrow}{N}\) + \(\overset{\rightarrow}{T}\) = \(\overset{\rightarrow}{0}\).
Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ.
Chiếu lên trục Ox, ta có:
Psinα - T = 0
T = P.sinα = m.g.sinα = 9,8 N.
Chiếu lên trục Oy, ta có:
P.cosα - N = 0 N = P.cosα = m.g.cosα = 17 N.
| Bài tập 2. Một quả cầu đồng chất có khối lượng 5 kg được treo vào tường nhờ một sợi dây. Dây làm với tường một góc α = 200. Bỏ qua ma sát ở chỗ tiếp xúc giữa quả cầu với tường. Hãy xác định lực căng của dây và phản lực của tường tác dụng lên quả cầu. Lấy g = 9,8 m/s2. | |
Hướng dẫn giải
Phân tích lực như hình vẽ :
Quả cầu chịu tác dụng của các lực: Trọng lực \(\overset{\rightarrow}{P}\), phản lực \(\overset{\rightarrow}{N}\) và sức căng \(\overset{\rightarrow}{T}\) của sợi dây (điểm đặt của các lực được đưa về trọng tâm của vật).
Điều kiện cân bằng: \(\overset{\rightarrow}{P}\) + \(\overset{\rightarrow}{N}\) + \(\overset{\rightarrow}{T}\) = \(\overset{\rightarrow}{0}\). Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ.
Chiếu lên trục Oy, ta có:
P - T.cosα = 0 T = \(\frac{P}{\cos\alpha} =
\frac{mg}{\cos\alpha}\)= 52 N.
Chiếu lên trục Ox, ta có:
N - T.sinα = 0 N = T.sinα = 17,8 N.
| Bài tập 3. Trên một cái giá ABC có treo một vật nặng m có khối lượng 12 kg như hình vẽ. Biết AC = 30 cm, AB = 40 cm. Lấy g = 10 m/s2. Tính lực đàn hồi của thanh AB và thanh BC. | |
Hướng dẫn giải
Phân tích lực như hình vẽ :
Điểm B chịu tác dụng của các lực: Trọng lực \(\overset{\rightarrow}{P}\), lực đàn hồi \(\overset{\rightarrow}{T_{AB}}\) của thanh AB và lực đàn hồi \(\overset{\rightarrow}{T_{BC}}\)của thanh BC.
Điều kiện cân bằng: \(\overset{\rightarrow}{P}\) + \(\overset{\rightarrow}{T_{AB}}\) + \(\overset{\rightarrow}{T_{BC}}\)= \(\overset{\rightarrow}{0}\).
Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ.
Chiếu lên trục Oy, ta có:
P - TBCsinα = 0 TBC = \(\frac{P}{\sin\alpha} =
\frac{mg}{\frac{AC}{BC}}\) = 200 N.
(với BC = \(\sqrt{AB^{2} + AC^{2}}\) = 50 cm)
Chiếu lên trục Ox, ta có:
TAB - TBCcosα = 0
TAB = TBCcosα = TBC.\(\frac{AB}{BC}\) = 160 N.
C. Bài tập tự rèn luyện có đáp án chi tiết
Bài tập 1. Một quả cầu nhỏ khối lượng m = 5 g được treo ở đầu một sợi chỉ mảnh. Quả cầu bị nhiễm điện nên bị hút bởi một thanh thủy tinh nhiễm điện, lực hút của thanh thủy tinh lên quả cầu có phương nằm ngang và có độ lớn F = 2.10-2 N. Lấy g = 10 m/s2. Tính góc lệch α của sợi dây so với phương thẳng đứng và sức căng của sợi dây.
Bài tập 2. Một sợi dây cáp khối lượng không đáng kể, được căng ngang giữa hai cột thẳng đứng cách nhau 8 m. Ở điểm giữa của dây người ta treo một vật nặng khối lượng 6 kg, làm dây võng xuống 0,5 m. Lấy g = 10 m/s2. Tính lực căng của dây.
---------------------------------------------
Bài viết đã giúp bạn hiểu rõ bản chất của cân bằng lực, đặc biệt trong trường hợp các lực không song song tác dụng lên vật. Việc nắm chắc điều kiện cân bằng, biết cách vẽ và phân tích giản đồ lực sẽ giúp bạn tự tin giải các bài toán trong chương trình Vật lý lớp 10 và các đề thi học kỳ, thi tốt nghiệp. Hãy thường xuyên ôn luyện với các bài tập minh họa để củng cố kiến thức và chia sẻ bài viết này nếu bạn thấy hữu ích nhé!
