Giải SGK Vật Lí 10 Bài 21 (Kết nối tri thức): Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Giải bài tập Vật Lí lớp 10 Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Video bài giảng Moment lực. Cân bằng của vật rắn – Kết nối tri thức

Giải vật lí 10 trang 83 Tập 1 Kết nối tri thức

Khởi động trang 83 Vật Lí 10: Nếu dùng tay để siết chặt một đai ốc thì việc đó rất khó, tuy nhiên với dụng cụ thích hợp như cờ lê thì việc siết chặt đai ốc trở nên dễ dàng.

Tác dụng của dụng cụ này thay đổi thế nào nếu ta tăng độ lớn của lực hoặc sử dụng cờ lê dài hơn?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức trong KHTN 8 về tác dụng làm quay của lực

Trả lời:

Nếu ta tăng độ lớn của lực hoặc sử dụng cờ lê dài hơn thì việc siết chặt đai ốc càng trở nên dễ dàng.

I. Moment lực

Câu hỏi 1 trang 83 Vật Lí 10:1. Mô tả thao tác dùng búa để nhổ đinh.

2. Lực nên đặt vào đâu trên cán búa để nhổ đinh được dễ dàng? Khi đó cánh tay đòn (d) của lực lớn hay nhỏ?

3. Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc những yếu tố nào?

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ, vận dụng kiến thức đã học

Trả lời:

1.

Cho đinh vào đầu búa, tay cầm vào đuôi cán búa, càng cách xa đầu búa thì càng nhổ dễ, dùng một lực từ cánh tay hướng xuống dưới và nhổ đinh lên.

2.

Lực $\overrightarrow{F}$ nên đặt vào đuôi cán búa để nhổ đinh được dễ dàng. Khi đó cánh tay đòn (d) của lực lớn.

3.

Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc vào những yếu tố:

+ Cánh tay đòn (d)

+ Độ lớn của lực

+ Vị trí của trục quay.

Câu hỏi trang 83 Vật Lí 10: Hình 21.2 mô tả một chiếc thước mảnh OA, đồng chất, dài 50 cm, có thể quay quanh trục quay cố định ở đầu O.

1. Trong các tình huống ở Hình 21.2a, b, thước OA quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ?

2. Tính moment lực ứng với mỗi tình huống trong Hình 21.2.

Phương pháp giải:

1. Quan sát hình vẽ

2.

Biểu thức tính moment lực: M = F.d

Trong đó:

+ M: moment lực F (N.m)

+ F: lực tác dụng lên vật làm vật quay (N)

+ d: khoảng cách từ tâm quay đến giá của lực F (cánh tay đòn của lực F) (m)

Trả lời:

1.

– Hình 21.2a, thước OA quay theo chiều kim đồng hồ

– Hình 21.2b, thước OA quay ngược chiều kim đồng hồ

2.

– Hình 21.2a:

Ta có F = 4 N; d = 50 cm = 0,5 m

=> Moment lực trong hình 21.2a là: M = F.d = 4.0,5 = 2 (N.m)

– Hình 21.2b:

Ta có F = 2 N; d = 50.cos200 cm = 0,5. cos200 m

=> Moment lực trong hình 21.2b là: M = F.d = 2.0,5.cos200 = 0,94 (N.m)

Giải vật lí 10 trang 84 Tập 1 Kết nối tri thức

II. Quy tắc moment lực

Câu hỏi trang 84 Vật Lí 10: 1. Nếu bỏ lực F1 thì đĩa quay theo chiều nào?

2. Nếu bỏ lực F2 thì đĩa quay theo chiều nào?

3. Khi đĩa cân bằng lập tích F1 .d1 và F2 .d2 rồi so sánh.

Phương pháp giải:

Quan sát hình

Biểu thức tính moment lực: M = F.d

Trong đó:

+ M: moment lực F (N.m)

+ F: lực tác dụng lên vật làm vật quay (N)

+ d: khoảng cách từ tâm quay đến giá của lực F (cánh tay đòn của lực F) (m)

Trả lời:

1.

Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_1}$ thì đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ.

2.

Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_2}$ thì đĩa quay theo chiều kim đồng hồ

3.

Moment lực $\overrightarrow{F_1}$ là: M1 = F1 .d1

Moment lực $\overrightarrow{F_2}$ là: M2 = F2 .d2

Do vật cân bằng nên M1 = M2 => F1 .d1 = F2 .d2

Câu hỏi trang 84 Vật Lí 10: a) Sử dụng kiến thức về moment lực giải thích vì sao chiếc bập bênh đứng cân bằng.

b) Cho biết người chị (bên phải) có trọng lượng P2 = 300 N, khoảng cách d2 = 1 m, còn người em có trọng lượng P1 = 200 N. Hỏi khoảng cách d1 phải bằng bao nhiêu để bập bênh cân bằng nằm ngang?

Phương pháp giải:

Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định: Tổng các moment lực tác dụng lên vật (đối với một điểm bất kì) bằng 0.

F1 .d1 = F2 .d2

Trả lời:

a) Chiếc bập bênh đứng cân bằng do moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ bằng moment lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.

b) Lực của người em và người chị tác dụng lên bập bênh là trọng lực P

Do bập bênh cân bằng nên ta có:

$\begin{array}{l}{F}_1.d_1=F_2.d_2\iff P_1.d_1=P_2.d_2\\ \Rightarrow d_1=\frac{P_2}{P_1}.d_2=\frac{300}{100}.1=3(m)\end{array}$

Giải vật lí 10 trang 85 Tập 1 Kết nối tri thức

III. Ngẫu lực

IV. Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn

Hoạt động 1 trang 85 Vật Lí 10: Đặt một chiếc thước dài trên bàn. Cho một bạn nâng một đầu thước lên và giữ yên (Hình 21.7). Hỏi:

– Khi thay đổi lực nâng $\overrightarrow{F}$ta thấy thước quay quanh trục nào?

– Khi thước đang đứng yên ở vị trí như Hình 21.7, ta có thể áp dụng quy tắc moment lực được không và áp dụng như thế nào?

 

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Trả lời:

– Khi thay đổi lực nâng $\overrightarrow{F}$ta thấy thước quay quanh trục AB

– Khi thước đang đứng yên ta có thể áp dụng được quy tắc moment lực được. Cách áp dụng:

+ Buộc dây vào đầu B và treo vào một điểm cố định, khi đó thước sẽ đứng yên

Hoạt động 2 trang 85 Vật Lí 10: Khi một vật không có điểm tựa cố định. Ví dụ, thanh cứng tựa vào bức tường nhẵn, đầu dưới của thanh đặt trên bàn nhám (Hình 21.8). Khi đó ta có thể áp dụng được quy tắc moment lực được không và áp dụng như thế nào?

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Trả lời:

Ta có thể áp dụng được quy tắc moment lực. Cách áp dụng:

+ Cách 1: Để thẳng thanh cứng và cho thanh tựa vào tường, khi đó thanh sẽ đứng yên

+ Cách 2: Để thanh nằm ngang trên mặt bàn nhám.

Câu hỏi trang 85 Vật Lí 10: Áp dụng điều kiện cân bằng tổng quát vào thanh cứng tựa tường (Hình 21.8).

a) Viết điều kiện cân bằng thứ nhất

b) Viết điều kiện cân bằng thứ hai đối với trục quay A.

Phương pháp giải:

Điều kiện cân bằng của một vật rắn:

+ Tổng các lực tác dụng lên vật bằng 0.

+ Tổng các moment lực tác dụng lên vật đối với một điểm bất kì bằng 0 (nếu chọn một chiều quay là chiều dương).

Trả lời:

a) Điều kiện cân bằng thứ nhất: Tổng các lực tác dụng lên vật bằng 0.

=> $\overrightarrow{N_A}+\overrightarrow{N_B}+\overrightarrow{P}+\overrightarrow{F_{msn}}=\overrightarrow{0}$

b) Điều kiện cân bằng thứ hai đối với trục quay A. Chọn chiều quay theo kim đồng hồ là chiều dương

+ Tại G:  $\overrightarrow{P}$làm thanh có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ: $M_G>0$

+ Tại B: $\overrightarrow{N_B}$làm thanh có xu hướng quay ngược chiều kim đồng hồ: $M_B<0$

=> Điều kiện cân bằng đối với trục quay A: $M_G-M_B=0\iff M_G=M_B$.

Xem thêm các bài giải SGK Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 20: Một số ví dụ về cách giải các bài toán thuộc phần động lực học

Bài 22: Thực hành: Tổng hợp lực

Bài 23: Năng lượng. Công cơ học

Bài 24: Công suất

Lý thuyết Moment lực. Cân bằng của vật rắn

I. Moment lực

1. Tác dụng làm quay của lực

– Cánh tay đòn là khoảng cách từ trục quay đến giá của lực kí hiệu d

Ví dụ: Cánh tay đòn d là khoảng cách từ vị trí điểm tì của búa đến phương tác dụng lực bàn tay lên cán búa.

2. Moment lực

– Moment lực đối với 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.

$\text{M = F. d}$

– Đơn vị của moment lực là Niutơn mét (N.m)

II. Quy tắc moment lực

1. Thí nghiệm

Dùng một đĩa tròn có trục quay đi qua tâm O, trên mặt đĩa có những lỗ dùng để treo những quả cân

Tác dụng vào đĩa những lực $\overrightarrow{{\text{F}}_1}$ và $\overrightarrow{{\text{F}}_2}$ nằm trong mặt phẳng của đĩa sao cho đĩa đứng yên.

Khi đó moment của lực $\overrightarrow{{\text{F}}_1}$ đã cân bằng với moment của lực $\overrightarrow{{\text{F}}_2}$

Về độ lớn ta có ${\text{F}}_{\text{1}}{\text{.d}}_{\text{1}}{\text{= F}}_{\text{2}}{\text{.d}}_{\text{2}}$

2. Quy tắc moment lực (điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định)

– Muốn cho một vật có trục quay cố định ở trạng thái cân bằng thì tổng các moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các momet lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.

– Nếu chọn một chiều quay làm chiều dương thì điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định là: Tổng các moment lực tác dụng tác dụng lên vật (đối với một điểm bất kì) bằng 0.

$\sum \mathrm{M}=0$

Thanh bập bênh ở trạng thái cân bằng, tổng moment bằng không

III. Ngẫu lực

1. Ngẫu lực là gì?

Ngẫu lực là hệ hai lực song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau và cùng đặt vào một vật.

Ngẫu lực tác dụng lên một vật chỉ làm cho vật quay chứ không tịnh tiến.

Các cặp lực ${\text{F}}_1$ và ${\text{F}}_2$ tạo thành một ngẫu lực

2. Moment của ngẫu lực

Vì hai lực $\overrightarrow{{\text{F}}_1}$ và ${\text{F}}_2$ đều làm cho vật quay theo một chiều nên moment của ngẫu lực M được xác định

${\text{M = F}}_{\text{1}}{\text{.d}}_{\text{1}}{\text{ + F}}_{\text{2}}{\text{.d}}_{\text{2}}$ hay $\text{M = F.d}$

Trong đó

+ F: là độ lớn của mỗi lực

+ d: là khoảng cách giữa hai giá của lực, gọi là cánh tay đòn của lực

IV. Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn

Điều kiện cân bằng của một vật rắn là:

+ Tổng các lực tác dụng lên vật bằng 0

+ Tổng các moment lực tác dụng lên vật đối với một điểm bất kì chọn làm trục quay bằng 0 (nếu chọn một chiều quay làm chiều dương).

Ví dụ: Xét một thanh cứng tựa vào tường

+ Điều kiện cân bằng thứ nhất là tổng các lực tác dụng lên vật bằng 0

$\overrightarrow{{\mathrm{N}}_{\mathrm{A}}}+\overrightarrow{{\mathrm{N}}_{\mathrm{B}}}+\overrightarrow{{\mathrm{F}}_{\mathrm{msn}}}+\overrightarrow{\mathrm{P}}=0$

+Điều kiện cân bằng thứ hai đối với trục quay A

$\text{P.}\frac{1}{2}\sqrt{{\mathrm{h}}^2+{\mathrm{d}}^2}-{\mathrm{N}}_{\mathrm{B}}.\mathrm{h}=0$

( vì $\overrightarrow{{\mathrm{N}}_{\mathrm{A}}}$và $\overrightarrow{{\mathrm{F}}_{\mathrm{msn}}}$ đều là hai lực đi qua trục quay A nên chúng có cánh tay đòn bằng 0)