CHỦ ĐỀ 2 BÀI 6 MÔMENT LỰC. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA VẬT

Mở đầu: Khi dùng dụng cụ tháo bánh ô tô như hình 6.1, một người thợ học việc tác dụng hai lực cùng độ lớn và cùng hướng lên dụng cụ. Phép cộng vectơ hai lực đó cho kết quả khác 0 nhưng đụng cụ lại đứng yên. Vậy, tông hợp lực của hai lực song song này được xác định như thế nào mà không làm dụng cụ chuyên động?

Đáp án chuẩn: 

Lực tổng hợp (F') bằng tổng 2 lực tại A và C 

F'= 2F

Lực F' được đặt tại B và cân bằng với lực nâng của chiếc dụng cụ, vậy nên dụng cụ không chuyển động.

I. TỔNG HỢP LỰC SONG SONG

Câu 1: Hãy thảo luận để thiết kế thí nghiệm và tiến hành kiểm chứng công thức (1).

Đáp án chuẩn:

Dụng cụ: 1 thước cứng, mảnh, đồng chất; các quả cân có trọng lượng bằng nhau và xác định

Tiến hành: Treo thước bởi hai sợi dây đàn hồi, treo các quả cân ở hai vị trí xác định trên thước, xác định lực của các vị trí treo quả cân.

Câu 2: Số quả cân phải treo tại O trong hình 6.4 là bao nhiêu để công thức (1) được nghiệm đúng

Đáp án chuẩn: 

Ta cần phải treo 5 quả cân tại O

Câu 3: Cho vật là miếng bìa phẳng như hình 6.5. Hãy vận dụng quy tắc tổng hợp hai lực song song, cùng chiều để xác định trọng tâm của vật. Nghiệm lại bằng phương án xác định trọng tâm của vật phẳng.

Đáp án chuẩn: 

II. MÔMENT LỰC

Câu 1: Viết biểu thức tính mômen lực M₁ , M₂ của mỗi lực F₁ , F₂ đối với trục quay theo các đại lượng cho trên hình.

Đáp án chuẩn: 

Ở hình 6.7a, M₁ = F₁ . l₁ = F₁ . d₁

Ở hình 6.7b,  M₂ = M_2y = F_2y .l₁ = F₂ .l₁ .sinθ

Câu 2: Nếu lực tác dụng không đổi thì người thợ cầm vào cờ lê ở A hay ở B (hình 6.8) sẽ dễ làm xoay đai ốc hơn?

Đáp án chuẩn: 

Người thợ cầm vào cờ lê ở vị trí B sẽ dễ làm xoay đai ốc hơn.

Câu 3: Thành phần F_2y có xu hướng làm thanh quay theo chiều nào? Có giống với xu hướng làm quay của F₂ với thanh không?

Đáp án chuẩn: 

F_2y  làm thanh quay theo chiều từ trên xuống

F_2x không có tác dụng làm quay vì khoảng cách từ trục quay đến giá của thành phần lực này bằng 0, nên F_2y giống với xu hướng làm quay của F₂ với thanh.

III.NGẪU LỰC. MÔMEN NGẪU LỰC

Câu 1: Tính mômen của từng lực trong hình 6.10 đối với trục quay của vô lăng. Mỗi mômen lực này có tác dụng làm vô lăng quay theo chiều nào?

Đáp án chuẩn: 

M₁ = 3 (N.m); M₂ = 3 (N.m)

Hai mômen lực này có tác dụng làm vô lăng quay theo chiều cùng chiều kim đồng hồ

Câu 2: Chứng tỏ rằng tổng mômen của các lực trong ngẫu lực bằng M = F.d

Đáp án chuẩn: 

Mômen của lực      là: M₁=F₁.d₁     (1)

Mômen của lực là: M₂=F₂.d₂    (2)

Mômen của ngẫu lực là: M = F.d  

Từ (1) và (2): M₁+M₂=F₁.d₁+F₂.d₂

Do F₁ = F₂ = F và d₁ + d₂ = d nên M₁+M₂=F(d₁+d₂)=F.d

=> Tổng mômen của các lực trong ngẫu lực bằng M = F

IV. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA VẬT

Câu 1: Chỉ ra chiều tác dụng làm quay của mỗi lực F₁ , F₂ lên vật trong hình 6.11 đối với trục quay O. Từ đó, thảo luận để rút ra điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định.

Đáp án chuẩn: 

Giả sử F₁ quay ngược chiều kim đồng hồ, F₂ quay cùng chiều kim đồng hồ để vật có xu hướng cân bằng

Khi đó ta có M ₁₂>0

Khi cân bằng thì M = 0 hay -M₁ + M₂ = 0

=> M₁ = M₂ =>F₁.d₁=F₂.d₂ => F₁/F₂=d₂/d₁

Câu 2: Chứng tỏ rằng vật ở hình 6.11 sẽ cân bằng khi:

Đáp án chuẩn: 

Giả sử F₁ quay ngược chiều kim đồng hồ, F₂ quay cùng chiều kim đồng hồ để vật có xu hướng cân bằng

Khi đó ta có M ₁₂>0

Khi cân bằng thì M = 0 hay -M₁ + M₂ = 0

=> M₁ = M₂ => F₁.d₁=F₂.d₂ =>

Câu 3: Thảo luận để rút ra điều kiện cân bằng của vật. 

Đáp án chuẩn: 

Hợp lực tác dụng lên vật bằng không

Tổng mômen của các lực tác dụng lên vật đối với trục quay bất kì bằng không.

Câu 4: Mô tả xu hướng chuyển động của vật như trong hình 6.12 nhưng với hai lực F₁ và F₂ không cùng độ lớn.

Đáp án chuẩn: 

Hai lực song song, ngược chiều và F₁ = F₂ nên hợp lực bằng 0. Khi đó, mômen lực của hai lực cùng chiều, tổng mômen lực đối với trục quay bất kì khác 0 nên vật quay, vật không cân bằng.

Tìm hiểu thêm: Không chỉ nổi tiếng với phát hiện về lực đẩy của chất lỏng lên các vật, Archimedes còn nổi tiếng với câu nói: “Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi có thể nhấc bổng quả đất lên”. Đó là vì ông muốn khẳng định tính đúng đắn của định luật về đòn bẩy đã được kiểm chứng trong cuộc sống. Cho đến hiện tại, sau Archimedes hàng nghìn năm, chúng ta dễ dàng giải thích cơ sở khoa học của quy tắc đòn bẩy qua các khái niệm lực và mômen lực. Đây là một trong số nhiều trường hợp mà kĩ thuật đã đi trước khoa học. Rất nhiều kĩ thuật cổ xưa đã được con người biết đến nhờ kinh nghiệm nhưng chỉ đến khi khoa học bắt kịp, xây dựng cơ sở hiểu biết đầy đủ cho kĩ thuật ấy thì nó mới có thể phát triển mạnh mẽ, được áp dụng và đem lại hiệu quả tốt hơn. Các hoạt động không ngừng nghỉ của xã hội loài người làm nảy sinh nhu cầu có các kĩ thuật mới. Đòi hỏi này khiến khoa học nói chung và vật lí nói riêng có động lực và luôn xuất hiện các vấn đề nghiên cứu mới. Các nghiên cứu này hoàn thành sẽ quay lại giúp cải tiến, nâng tầm kĩ thuật.

Có thể thấy rõ điều này khi ta đi tìm câu trả lời cho câu hỏi đã đặt ra ở đầu chủ đề về việc giảm thời gian tăng tốc của ô tô. Ta có thể dễ dàng chỉ ra rằng để tăng gia tốc của xe thì cần tăng lực tác dụng. Tuy nhiên, chuyển động của trục động cơ, của bánh xe là chuyển động quay nên thực tế thì mômen lực (mômen xoắn) của động cơ sẽ ảnh hưởng tới khả năng tăng tốc của xe. Ngoài ra, để ô tô đạt tới tốc độ cao thì còn phụ thuộc tốc độ quay của trục động cơ và công suất – đại lượng sẽ được tìm hiểu ở phần sau.

Hãy tìm hiểu thông tin và kể tên một số loại xe thường có mômen xoắn lớn.

Đáp án chuẩn: 

Mômen xoắn được xem là đại lượng đặc trưng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ xe hơi. Đây là đại lượng có hướng, nên giá trị thu về còn tùy thuộc vào hệ quy chiếu. Thông số càng cao thì lực quay của bánh xe càng mạnh. 

Ví dụ một số loại xe thường có mômen xoắn lớn: Đối với mẫu xe Fiat Oltre, công suất 185 mã lực, tốc độ tối đa là 130 km/h, mômen xoắn 456 Nm thì sẽ thích hợp với các địa hình đồi núi hơn