Giải SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn - Giải SGK Vật lí 10 - Kết nối tri thức

Khởi động: 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?

Lời giải:

- Khi tăng độ lớn của lực hoặc sử dụng cờ lê dài hơn thì momen của lực gây ra tác dụng làm quay lớn hơn sẽ giúp cho việc vặn đai ốc càng dễ hơn.

I. Moment lực

1. Tác dụng làm quay của lực

Câu hỏi 1: Mô tả thao tác dùng búa để nhổ đinh.

Lời giải:

- Kẹp cây đinh vào giữa 2 khe nhọn của đầu nhổ đinh, bề mặt đầu đóng đinh vuông góc với mặt phẳng ngang. Dùng tay giữ chặt đầu cán, dùng lực đễ kéo cán búa về phía mình, tạo lực kéo cây đinh lên.

Câu hỏi 2: Lực $\vec{F}$ nên đặt vào đâu trên cán búa để nhổ đinh được dễ dàng? Khi đó cánh tay đòn (d) của lực lớn hay nhỏ?

Lời giải:

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

Câu hỏi 3: Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc những yếu tố nào?

Lời giải:

- Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc vào độ lớn của lực và cánh tay đòn.

2. Momen lực

Câu hỏi: 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.

Lời giải:

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

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

Đổi 50 cm = 0,5 m

- Moment lực trong Hình 21.2a: M = F.d = 4.0,5 = 2 N.

- Moment lực trong Hình 21.2b: M = F.d = 2.0,5.cos 20o ≈ 0,94 N.

II. Quy tắc moment lực

1. Thí nghiệm

Câu hỏi 1: Nếu bỏ lực $\vec{F_{1}}$ thì đĩa quay theo chiều nào?

Lời giải:

- Nếu bỏ lực $\vec{F_{1}}$ thì đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi 2: Nếu bỏ lực $\vec{F_{2}}$ thì đĩa quay theo chiều nào?

Lời giải:

- Nếu bỏ lực

\vec{F_{1}}

thì đĩa quay theo chiều kim đồng hồ.

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

Lời giải:

- Khi đĩa cân bằng lập tích : F1.d1 = F2.d2

Câu hỏi:

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 bằng nằm ngang?

Lời giải:

a) Chiếc bập bênh có thể đứng cân bằng vì tổng các moment lực tác dụng lên trục quay của chiếc bập bênh bằng không.

+ Moment lực do người chị gây ra có tác dụng làm cho bập bênh quay cùng chiều kim đồng hồ.

+ Momen lực do người em gây ra có tác dụng làm cho bập bênh quay ngược chiều kim đồng hồ.

Do đó, hai moment lực này cân bằng.

b) Để bập bênh cân bằng, tổng các moment lực tác dụng lên bập bênh phải bằng 0.

Hay: P2.d2 = P1.d1 ⇒ d1 = $\frac{P_{2} . d_{2}}{P_{1}} = \frac{300.1}{200}$ = 1,5 m

Vậy để bập bênh cân bằng thì khoảng cách d1 phải bằng 1,5 m.

IV. Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn

Hoạt động 1: 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 $\vec{F}$ 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?

Lời giải:

- Khi thay đổi lực nâng $\underset{F}{\rightarrow}$ ta thấy thước quay quanh trục vuông góc với thước và đi qua điểm A

- 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: Khi một vật không có điểm tựa cố định. Ví dụ, thanh cứng tựa vào bức tường nhẵn, đầu dưới của thanh đặt trên mặt 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?

Gợi ý: Chọn đầu A của thanh để viết quy tắc moment.

Lời giải:

Lực Fmsn−→−− và N→ có giá của lực đi qua trục quay A nên không có tác dụng làm quay, ta không cần viết biểu thức momen lực cho hai lực đó.

Thanh cân bằng: MNB−→=MP→⇔ NB.h = P. d2

Câu hỏi: 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.

Áp dụng điều kiện cân bằng tổng quát vào thanh cứng tựa tường (Hình 21.8)

Lời giải:

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

${\vec{F}}_{m s n} + {\vec{N}}_{A} + \vec{P} + {\vec{N}}_{B} = \vec{0}$

b) Điều kiện câng bằng thứ hai đối với trục quay A là: Tổng các moment lực tác dụng lên thanh cứng đối với trục quay A bằng 0

$M_{{\vec{N}}_{B}} = M_{\vec{P}}$ ⇔ NB.h = P. $\frac{d}{2}$

Em có thể?

Giải thích được sự cân bằng moment trong Hình 21.9.

Lời giải:

- Vật nặng được giữ thăng bằng trên tay người vì moment của lực tác dụng bởi búi cơ bằng với moment lực gây ra bởi trọng lượng của vật nặng đối với khớp khuỷu tay.

$\frac{d}{2}$