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

a. Khái niệm moment lực

Với: F là độ lớn của lực

        d là khoảng cách từ trục đến quá của lực, gọi là cánh tay đòn

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

- Trong hệ SI, đơn vị của moment lực là N.m

- Ví dụ:

Lực tác dụng lên cờ lê để tháo đai ốc

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

- 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 d1 và d2.

Ta có khoảng cách giữa hai giá của hai lực d = d1 + d2. Lúc đó, d gọi là cánh tay đòn của ngẫu lực

Khi đó, moment của ngẫu lực đối với trục quay đi qua điểm O được xác định

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

- Ngẫu lực xuất hiện ở một số tình huống sau:

a) Vặn khóa cửa                b) Tháo bánh xe                c) Vặn nút ga

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.

b. Vận dụng quy tắc moment

Ví dụ 1: Một xe đẩy chuyển vật liệu có cấu tạo như Hình 14.11. 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.

Hình 14.11. Xe đẩy vật liệu

Hướng dẫn giải:

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.d₁ = P.d₂

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

Ví dụ 2: Một cột truyền tải điện có các dây cáp dẫn điện nằm ngang ở đầu cột và được giữ cân bằng thẳng đứng nhờ dây cáp thép gắn chặt xuống đất như Hình 14.12. Biết dây cáp thép tạo góc 30° so với cột điện, các dây cáp dẫn điện tác dụng lực kéo F = 500 N vào đầu cột theo phương vuông góc với cột. Xác định lực căng của dây cáp thép để cột điện thăng bằng.

Hướng dẫn giải:

Xét trục quay đi qua điểm tựa của cột điện lên mặt đất, lực căng của dây cáp dẫn điện có tác dụng làm cột điện quay ngược chiều kim đồng hồ; lực căng của dây cáp thép có tác dụng chống lại sự quay này.

Áp dụng quy tắc moment lực, ta có:

F.h = T.h.sin30^o (h là chiều cao của cột điện)

Suy ra: T = 2F = 1 000N

c. 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

Bài tập 1: 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 giải:

Áp dụng quy tắc moment ta có:

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

Bai tập 2: 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

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

Bai tập 3: 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 giải:

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.

C. Trắc nghiệm Vật lý 10 bài 14