Chuyển động tịnh tiến của vật rắn

Chuyển động tịnh tiến của vật rắn là kiến thức trọng tâm trong chương trình Vật lý lớp 10, giúp học sinh phân biệt được các dạng chuyển động của vật rắn, hiểu rõ khi nào toàn bộ vật chuyển động giống nhau về vận tốc và gia tốc. Bài viết này sẽ giúp bạn nắm vững khái niệm chuyển động tịnh tiến, các đặc điểm cơ bản, cũng như cách phân tích lực tác dụng lên vật rắn trong quá trình chuyển động. Ngoài ra, bạn sẽ được luyện tập với ví dụ minh họa, bài tập có lời giải, và ứng dụng thực tế để hiểu bài sâu hơn.

A. Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của vật rắn

+ Chuyển động tịnh tiến của vật rắn là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kì của vật luôn luôn song song với chính nó.

+ Gia tốc chuyển động tịnh tiến của vật rắn được xác định bằng định luật II Niu-tơn: m\(\overset{\rightarrow}{a}\) = \(\overset{\rightarrow}{F_{1}}\)+ \(\overset{\rightarrow}{F_{2}}\)+ … + \(\overset{\rightarrow}{F_{n}}\).

+ Moment lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật.

B. Công thức tính gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến

Biểu thức xác định gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến:

\(\overset{\rightarrow}{F_{1}} +\overset{\rightarrow}{F_{2}} +...+\overset{\rightarrow}{F_{n}} =m\overset{\rightarrow}{a}\)

Phương pháp giải

+ Vẽ hình, xác định các lực tác dụng lên vật.

+ Viết biểu thức định luật II Niu-tơn (dạng véc tơ).

+ Chuyển biểu thức véc tơ về biểu thức đại số bằng phép chiếu.

+ Giải phương trình hoặc hệ phương trình để tìm các ẫn số

C. Bài tập minh họa có hướng dẫn về chuyển động tịnh tiến của vật rắn

Bài tập 1. Một vật có khối lượng m = 40 kg bắt đầu trượt trên sàn nhà dưới tác dụng của một lực nằm ngang F = 200 N. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn nhà là μ = 0,25. Tính vận tốc và quãng đường đi được sau 5 giây kể từ khi bắt đầu trượt.

Hướng dẫn giải

Phân tích lực như hình vẽ:

Phương trình động lực học: \(\overset{\rightarrow}{F}\)+ \(\overset{\rightarrow}{F_{ms}}\)+ \(\overset{\rightarrow}{P}\) + \(\overset{\rightarrow}{N}\)= m\(\overset{\rightarrow}{a}\).

Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ.

Chiếu lên trục Ox, ta có: F – F_ms = ma

Chiếu lên trục Oy, ta có: 0 = N – P

N = P = mg F_ms = μN = μmg.

a = \(\frac{F - \mu mg}{m}\)= 2,5 m/s².

Vận tốc sau 5 giây:

v = v₀ + at = 12,5 m/s.

Quãng đường đi được sau 5 giây:

s = v₀t + \(\frac{1}{2}\)at² = 31,25 m.

Bài tập 2. Một vật có khối lượng m = 4 kg chuyển động trên mặt sàn nằm ngang dưới tác dụng của một lực \(\overset{\rightarrow}{F}\) hợp với hướng chuyển động một góc α = 30⁰. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là μ = 0,3. Lấy g = 10 m/s². Tính độ lớn của lực để:

a) Vật chuyển động với gia tốc bằng 1,25 m/s²;

b) Vật chuyển động thẳng đều.

Hướng dẫn giải

Phân tích lực như hình vẽ:

Phương trình động lực học:

\(\overset{\rightarrow}{F}\)+ \(\overset{\rightarrow}{F_{ms}}\)+ \(\overset{\rightarrow}{P}\) + \(\overset{\rightarrow}{N}\) = m\(\overset{\rightarrow}{a}\)

Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ.

Chiếu lên trục Ox, ta có:

Fcosα – F_ms = ma

Chiếu lên trục Oy, ta có: N + Fsinα - P = 0

N = P - Fsinα = mg - Fsinα F_ms = μN = μ(mg - Fsinα)

ma = Fcosα - μ(mg - Fsinα) = F(cosα + μsinα) - μmg

F = \(\frac{m(a + \mu g)}{\cos\alpha + \mu\sin\alpha}\)

a) Khi a = 1,25 m/s² thì F = \(\frac{m(a + \mu g)}{\cos\alpha + \mu\sin\alpha}\) = 16,7 N.

b) Khi a = 0 (vật chuyển động đều) thì F =\(\frac{m\mu g}{\cos\alpha + \mu\sin\alpha}\)= 11,8 N.

Bài tập 3. Một xe tải không chở hàng đang chạy trên đường. Nếu người lái xe hãm phanh thì xe trượt đi một đoạn đường s thì dừng lại.

a) Nếu xe chở hàng có khối lượng bằng khối lượng của xe thì đoạn đường trượt bằng bao nhiêu?

b) Nếu tốc độ của xe chỉ bằng một nửa lúc đầu thì đoạn đường trượt bằng bao nhiêu? Cho rằng lực hãm không đổi.

Hướng dẫn giải

Ta có: v² - v\(\ _{0}^{2}\) = 2as; khi xe dừng lại v = 0

a = \(\frac{- v_{0}^{2}}{2s} = - \frac{F}{m}\) s = \(\frac{mv_{0}^{2}}{2F}\).

a) Khi m₁ = 2m thì s₁ = \(\frac{2mv_{0}^{2}}{2F}\) = 2s.

b) Khi v₀₂ = \(\frac{1}{2}\)v₀ thì s₂ = \(\frac{m\left( \frac{1}{2}v_{0} \right)^{2}}{2F}\) = \(\frac{1}{4}\)s.

-----------------------------------------------------------------

Qua bài viết này, bạn đã hiểu rõ khái niệm chuyển động tịnh tiến của vật rắn, phân biệt được với các dạng chuyển động khác, đồng thời nắm chắc các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động. Đây là nền tảng quan trọng để học tốt phần động lực học vật rắn và giải nhanh các bài toán liên quan trong chương trình Vật lý 10. Đừng quên ôn luyện thêm bài tập và chia sẻ tài liệu này với bạn bè để cùng nhau học tốt hơn nhé!