Vật lí lớp 10 - CÂN BẰNG CỦA MỘT VẬT RẮN
I. CÂN BẰNG CỦA MỘT VẬT CHỊU TÁC DỤNG CỦA HAI LỰC VÀ CỦA BA LỰC KHÔNG SONG SONG
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực
+ Điều kiện cân bằng: 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: ${{\vec{F}}_{1}}=-{{\vec{F}}_{2}}$
+ Xác định trọng tâm của một vật phẳng, mỏng bằng phương pháp thực nghiệm
- Trọng tâm là điểm đặt của trọng lực của vật
- Dựa vào điều kiện cân bằng trên bằng phương pháp thực nghiệm người ta có thể xác định trọng tâm của một vật phẳng, mỏng.
- Cách thực hiện: Buộc dây lần lượt vào hai điểm khác nhau trên vật rồi lần lượt treo lên. Khi vật đứng yên, vẽ đường kéo dài của dây treo. Giao điểm của hai đường kéo dài này là trọng tâm của vật. Kí hiệu là G.
- Trọng tâm G của các vật phẳng, mỏng và có dạng hình học đối xứng nằm ở tâm đối xứng của vật.
2. Cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song
a) Quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy: Muốn tổng hợp hai lực có giá đồng quy tác dụng lên một vật rắn, trước hết ta phải trượt hai vectơ lực đó trên giá của chúng đến điểm đồng quy, rồi áp dụng quy tắc hình bình hành để tìm hợp lực.
b) Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song
Muốn cho một vật chịu tác dụng của ba lực ${{\vec{F}}_{1}};\,{{\vec{F}}_{2}};\,{{\vec{F}}_{3}}$ không song song ở trạng thái cân bằng thì:
- Ba lực đó phải đồng phẳng và đồng quy.
- Hợp lực của hai lực phải cân bằng với lực thứ ba: ${{\vec{F}}_{1}}+{{\vec{F}}_{2}}=-{{\vec{F}}_{3}}$
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực
Bước 1: Phân tích lực tác dụng lên vật và biểu diễn lên hình vẽ.
Bước 2: Áp dụng điều kiện cân bằng của hai lực: ${{\overrightarrow{F}}_{1}}=-{{\overrightarrow{F}}_{2}}\Rightarrow {{\overrightarrow{F}}_{1}}+{{\overrightarrow{F}}_{2}}=\overrightarrow{0}\,\,\,\left( * \right)$
Bước 3: Để xác định độ lớn các lực ${{\vec{F}}_{1}};\,{{\vec{F}}_{2}}$ ta chiếu phương trình (*) lên một phương nào đó và sử dụng các điều kiện khác nếu có.
Dạng 2. Cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của các lực không song song
Bước 1: Phân tích các lực tác dụng lên vật rắn rồi biểu diễn chúng trên hình vẽ.
Bước 2: Trượt các lực trên giá của chúng đến điểm đồng quy sau đó áp dụng quy tắc tổng hợp các lực đồng quy.
Bước 3: Áp dụng điều kiện cân bằng: ${{\vec{F}}_{hl}}={{\vec{F}}_{1}}+{{\vec{F}}_{2}}+...+{{\vec{F}}_{n}}=\vec{0} \left( * \right)$
Bước 4: Sử dụng phương pháp chiếu hoặc phương pháp hình học, từ đó tìm các đại lượng mà đề bài yêu cầu.
I. CÂN BẰNG CỦA MỘT VẬT CÓ TRỤC QUAY CỐ ĐỊNH. MOMEN LỰC
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Cân bằng của một vật có trục quay cố định - Mômen lực (M)
+ Cân bằng của một vật có trục quay cố định: Một vật có trục quay cố định thì lực có tác dụng làm quay vật. Vật cân bằng khi tác dụng làm quay theo chiều kim đồng hồ của lực này bằng tác dụng làm quay ngược chiều kim đồng hồ của lực kia.
+ Momen lực đối với một trục quay là đại lượng đặc trưng cho
tác dụng làm quay của lực $\vec F$ và được đo bằng tích độ lớn F của lực với cánh tay đòn d của nó.
Biểu thức: M = F.d.
Đơn vị: Niutơn mét (kí hiệu N.m).
2. Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định (Quy tắc momen lực)
+ Quy tắc : Muốn cho một vật có trục quay cố định ở trạng thái cân bằng, thì tổng các momen lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các momen lực có xu hướng làm vật quay theo chiều ngược lại.
+ Biểu thức : $\sum M = {\sum M ^\prime } \Leftrightarrow {F_1}{d_1} + {F_2}{d_2} + \,... = {F_1}^\prime {d_1}^\prime + {F_2}^\prime {d_2}^\prime + \,...$
+ Chú ý: Quy tắc Momen lực 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 tức thời.
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Bài toán về momen lực
Momen lực: M = F.d
Trong đó: d [m] là cánh tay đòn (khoảng cách từ trục quay đến giá của lực).
F [N] là lực tác dụng.
Þ Momen của một lực đối với các trục quay khác nhau là khác nhau vì nó phụ thuộc vào tay đòn của lực.
Dạng 2. Điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định
Với bài toán vật cân bằng dưới tác dụng của ba lực không song song chúng ta có thêm một phương pháp giải nữa là sử dụng quy tắc momen, cụ thể như sau:
Bước 1: Xác định các lực tác dụng lên vật.
Bước 2: Xác định trục quay O và cánh tay đòn d tương ứng của từng lực.
+ Tính tổng momen lực ${\sum M ^\prime }$ làm vật có xu hướng quay
ngược chiều kim đồng hồ.
+ Tính tổng momen lực \sum M∑M làm vật có xu hướng quay
thuận chiều kim đồng hồ.
+ Áp dụng quy tắc momen: $\sum M = {\sum M ^\prime }$
Chú ý: Momen của lực bằng 0 (không có tác dụng làm quay vật) khi giá của lực đi qua trục quay hoặc song song với trục quay. Các lực có phương vuông góc (nhưng không cắt trục quay) và càng xa trục quay thì có tác dụng làm vật quay càng mạnh.
