Vật lí 10 Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn
Mục tiêu và kiến thức nền
Tính moment với cánh tay đòn vuông góc; vận dụng điều kiện cân bằng và đề xuất phép kiểm chứng.
Chuẩn bị: đọc đơn vị, đổi đơn vị SI và tính toán với số, vectơ đơn giản.
Vì sao đẩy cửa xa bản lề dễ hơn?
Khả năng làm quay của lực phụ thuộc độ lớn lực và khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá của lực. Khoảng cách này gọi là cánh tay đòn d, không nhất thiết bằng khoảng cách từ trục đến điểm đặt. Lực có giá đi qua trục quay có moment bằng không.
Cân bằng quay và cân bằng tịnh tiến
Vật có trục quay cố định cân bằng khi tổng moment theo chiều kim đồng hồ bằng tổng moment ngược chiều. Với vật rắn tự do cân bằng phẳng, cần đồng thời hợp lực bằng không và tổng moment bằng không. Ngẫu lực gồm hai lực song song, ngược chiều, bằng độ lớn, khác giá; hợp lực bằng không nhưng vẫn có tác dụng làm quay.
Thực hành với thanh cân bằng
Đặt thanh có trục quay ổn định; cân chỉnh thanh ngang trước, treo các quả cân nhỏ và đo khoảng cách vuông góc đến giá lực. So sánh F₁d₁ và F₂d₂. Nếu trọng lượng thanh có moment thì phải tính vào, không bỏ qua chỉ vì thanh nằm ngang. Giữ vùng dưới vật treo trống và dùng tải trong giới hạn giá đỡ.
Công thức và điều kiện áp dụng
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Cân bằng đòn bẩy
Lực 20 N có cánh tay đòn 0,30 m tạo moment 6 N·m. Muốn cân bằng bằng lực đặt phía kia với cánh tay đòn 0,20 m, cần F = 6/0,20 = 30 N, giả sử các moment khác bằng 0.
Ví dụ 2. Lực đặt nghiêng
Dùng tay đòn dài r = 0,40 m, lực 10 N tạo góc 30° với tay đòn. d = r sin30° = 0,20 m; M = 2 N·m, không phải 4 N·m.
Lỗi thường gặp
- Cánh tay đòn là khoảng cách vuông góc đến giá lực.
- Hợp lực bằng 0 chưa đủ cân bằng vật rắn.
- N·m của moment không gọi là công trong bài toán quay tĩnh.
Tự kiểm tra và vận dụng
Thử trả lời trước khi mở lời giải. Để nhập đáp án, làm từng ý đúng/sai và luyện cả chủ đề, chọn bộ luyện ở cuối bài.
Câu 1. Lực 10 N có cánh tay đòn 0,3 m tạo moment
Xem đáp án và lời giải
Đáp án B. M = Fd = 10×0,3 = 3 N·m.
Câu 2. Moment 8 N·m do lực 20 N gây ra. Cánh tay đòn bằng bao nhiêu mét?
Xem đáp án và lời giải
Đáp án: 0.4. d = M/F = 8/20 = 0,4 m.
Câu 3. Về moment và ngẫu lực.
- Giá lực đi qua trục thì moment bằng 0.
- Ngẫu lực có hợp lực bằng 0.
- Ngẫu lực không thể làm vật quay.
- Cánh tay đòn đo vuông góc với giá lực.
Xem đáp án và lời giải
a) Đúng: d = 0. b) Đúng: hai vectơ lực đối nhau. c) Sai: ngẫu lực có moment khác 0. d) Đúng theo định nghĩa.
Câu 4. Thanh nhẹ cân bằng: lực 15 N cách trục 0,4 m và lực F phía kia cách 0,3 m, đều vuông góc thanh. Tìm F.
Xem đáp án và lời giải
15×0,4 = F×0,3 nên F = 20 N. Các lực tạo moment ngược chiều; giả sử không có moment khác.
Câu 5. Hai lực ngẫu lực mỗi lực 5 N, khoảng cách hai giá 0,12 m. Tính moment ngẫu lực.
Xem đáp án và lời giải
M = Fd = 5×0,12 = 0,60 N·m. Không nhân thêm 2 vì d đã là khoảng cách giữa hai giá lực.
Câu 6. Tại sao nên đặt lực vuông góc tay đòn khi muốn mở cửa dễ nhất với cùng F và cùng vị trí?
Xem đáp án và lời giải
M = Fr sinα. Với F và r cố định, sinα lớn nhất bằng 1 khi α = 90°. Khi đó cánh tay đòn bằng r và moment lớn nhất.
Sơ đồ ghi nhớ
- Xác định trục
- Tìm cánh tay đòn
- Chọn chiều moment
- Cân bằng cả lực và moment
Học tiếp và luyện tập
Biên soạn: Gia Sư SV.