VnHocTap.com giới thiệu đến các em học sinh lớp 10 bài viết Cân bằng và chuyển động của vật rắn, nhằm giúp các em học tốt chương trình Vật lí 10.
Nội dung bài viết Cân bằng và chuyển động của vật rắn:
Chủ đề III: CÂN BẰNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN Vấn đề cần nắm: – Cân bằng của một lực, cân bằng của một vật có trục quay cố định. – Quy tắc hợp lực song song cùng chiều Các dạng cân bằng Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Ngẫu lực Chủ đề 3 đề cập đến trạng thái cơ bản nhất của vật chất là trạng thái cân bằng. Ở đây chúng tôi đề cập đến cân bằng của vật rắn trong một trường hợp khác nhau đó là: – Vật chịu tác dụng của hai lực. – Vật chịu tác dụng củ ba lực. – Vật có gía đỡ. – Vật có trục quay cố định. Ngoài ra chủ đề 3 còn đề cập đến trọng tâm của vật, quy tắc hợp lực và quy tắc mô men. Chủ đề 3 là sự nối tiếp chủ đề 2 với nền tảng là định luật I Niu – tơn được áp dụng đa dạng trong các trường hợp cân bằng khác nhau được tác giả tiếp cận theo logic khoa học từ chủ đề 2 nên giúp bạn đọc dễ tiếp cận, có cái nhìn bao quát và tiếp nối liền mạch xuyên suốt của kiến thức.
I. TRỌNG TÂM KIẾN THỨC 1. Cân bằng của một vật chiu tác dụng của hai lực và ba lực không song song 1.1. Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực Muốn cho một vật chịu tác dụng của hai lực ở trạng thái cân bằng thì hai lực đó phải cùng giá, cùng độ lớn và ngược chiều: F F 1 2 1.2. Cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song Qui tắc tổng hợp hai lực có giá đồng qui Muốn tổng hợp hai lực có giá đồng qui tác dụng lên một vật rắn, trước hết ta phải trượt hai véc tơ lực đó trên giá của chúng đến điểm đồng qui, rồi áp dụng qui tắc hình bình hành để tìm hợp lực. Cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song Muốn cho một vật chịu tác dụng của ba lực không song song ở trạng thái cân bằng thì – Ba lực đó phải đồng phẳng và đồng qui. – Hợp lực của hai lực phải cân bằng với lực thứ ba.
2. Cân bằng của một vật có trục quay cố định 2.1. Mômen lực Mômen lực đối với một 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: Momen lực M = F.d 2.2. Quy tắc mômen lực – Muốn cho một vật có trục quay cố định ở trạng thái cân bằng, thì tổng các mômen lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các mômen lực có xu hướng làm vật quay theo chiều ngược lại. – Qui tắc mômen còn được áp dụng cho cả trường hợp một vật không có trục quay cố định nếu như trong một tình huống cụ thể nào đó ở vật xuất hiện trục quay. 3. Quy tắc hợp lực song song cùng chiều 3.1. Quy tắc – Hợp lực của hai lực song song cùng chiều là một lực song song, cùng chiều và có độ lớn bằng tổng các độ lớn của hai lực ấy. – Giá của hợp lực chia khoảng cách giữa hai giá của hai lực song song thành những đoạn tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực ấy.
3.2. Phân tích một lực thành hai lực song song cùng chiều – Là phép làm ngược lại với phép tổng hợp lực. – Lực F phân tích thành hai lực thành phần F F 1 2 thỏa mãn: 3.3. Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực song song Muốn cho một vật chịu tác dụng của ba lực song song ở trạng thái cân bằng thì hợp lực của hai lực cùng chiều phải cùng giá, cùng độ lớn và ngược chiều với lực còn lại: 4. Các dạng cân bằng. Cân bằng của một vật có mặt chân đế 4.1. Các dạng cân bằng + Có ba dạng cân bằng là cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định. + Khi vật bị kéo ra khỏi vị trí cân bằng một chút mà trọng lực của vật có xu hướng: – kéo nó trở về vị trí cân bằng thì đó là vị trí cân bằng bền. – kéo nó ra xa vị trí cân bằng thì đó là vị trí cân bằng không bền. – giữ nó đứng yên ở vị trí mới thì đó là vị trí cân bằng phiếm định.
Chú ý: Nguyên nhân gây ra các dạng cân bằng khác nhau là vị trí trọng tâm của vật: – Cân bằng không bền, trọng tâm ở vị trí cao nhất so với các vị trí lân cận. – Cân bằng bền, trọng tâm ở vị trí thấp nhất so với các vị trí lân cận. – Cân bằng phiếm định, vị trí trọng tâm không thay đổi hoặc ỏ một độ cao không đổi. 4.2. Cân bằng của một vật có mặt chân đế Mặt chân đế Mặt chân đế là hình đa giác lồi nhỏ nhất bao bọc tất cả các diện tích tiếp xúc của vật với mặt đỡ. Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế Giá của trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế (hay trọng tâm “rơi” trên mặt chân đế). Mức vững vàng của sự cân bằng Mức vững vàng của sự cân bằng được xác định bởi độ cao của trọng tâm và diện tích của mặt chân đế. Trọng tâm của vật càng cao và mặt chân đế càng nhỏ thì vật càng dễ bị lật đổ và ngược lại. 5. Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của vật rắn 5.1. Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn a. Định nghĩa Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường nối hai điểm bất kỳ của vật luôn luôn song song với chính nó. b. Gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến – Trong chuyển động tịnh tiến, tất cả các điểm của vật đều chuyển động như nhau. Nghĩa là đều có cùng một gia tốc. Gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến Gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến xác định theo định luật II Newton.
5.2. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định a. Đặc điểm của chuyển động quay. Tốc độ góc – Khi vật rắn quay quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật có cùng một tốc độ góc ω gọi là tốc độ góc của vật. – Nếu vật quay đều thì ω = const. Vật quay nhanh dần thì ω tăng dần. Vật quay chậm dần thì ω giảm dần. b. Tác dụng của mômen lực Mômen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật. c. Mức quán tính trong chuyển động quay – Mọi vật quay quanh một trục đều có mức quán tính. Mức quán tính của vật càng lớn thì vật càng khó thay đổi tốc độ góc và ngược lại. – Mức quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc vào khối lượng của vật và sự phân bố khối lượng đó đối với trục quay. Khối lượng của vật càng lớn và được phân bố càng xa trục quay thì mức quán tính của vật càng lớn và ngược lại. 6. Ngẫu lực 6.1. Định nghĩa Hệ hai lực song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau và cùng tác dụng vào một vật. 6.2. Tác dụng của ngẫu lực đối với một vật rắn – Ngẫu lực tác dụng vào một vật chỉ làm cho vật quay chứ không chuyển động tịnh tiến. – Trường hợp vật không có trục quay cố định: ngẫu lực sẽ làm vật quay quanh trục đi qua trọng tâm và vuông góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực. – Trường hợp vật có trục quay cố định: ngẫu lực sẽ làm vật quay quanh trục cố định đó.