Mở đầu trang 87 Vật lí 10: Trong trò chơi bập bênh ở Hình 14.1, người lớn ở đầu bên trái “nâng bổng” một bạn nhỏ ở đầu bên phải. Nhưng cũng có khi bạn nhỏ ở đầu bên phải lại có thể “nâng bổng” được người lớn ở đầu bên trái. Dựa vào nguyên tắc nào mà bạn nhỏ có thể làm được như vậy?

Lời giải:

Dựa vào quy tắc moment lực và điều kiện cân bằng của vật mà bạn nhỏ có thể làm được như vậy.

I. Moment lực - Moment ngẫu lực

Câu hỏi 1 trang 87 Vật lí 10: Quan sát Hình 14.2, mô tả chuyển động của cánh cửa khi chịu lực tác dụng của bạn học sinh.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải:

Chuyển động của cánh cửa: cánh cửa di chuyển từ từ xa dần bạn học sinh khi chịu lực từ cánh tay của bạn học sinh.

Giải vật lí 10 trang 88 Chân trời sáng tạo

Câu hỏi 2 trang 88 Vật lí 10: Quan sát Hình 14.4, nhận xét về khả năng lắp bu lông khi đặt lực ở các vị trí khác nhau trên cờ lê.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải:

Từ Hình 14.4, ta thấy rằng vị trí đặt lực càng xa trục quay thì tác dụng làm quay của lực càng lớn.

Câu hỏi 3 trang 88 Vật lí 10: Lực có gây ra tác dụng làm quay vật không nếu có phương song song với trục quay? Dựa vào tình huống trong Hình 14.4 để minh họa cho câu trả lời của em.

Liên hệ thực tế và quan sát hình vẽ

Lời giải:

Lực không gây ra tác dụng làm quay vật nếu lực có phương song song với trục quay.

Trong Hình 14.4, lực có phương vuông góc với trục quay mới có tác dụng làm quay vật.

Luyện tập trang 88 Vật lí 10: Xét lực tác dụng vào mỏ lết có hướng như Hình 14.5. Hãy xác định cánh tay đòn và độ lớn của moment lực. Biết F = 50 N, l = 20 cm và α = 200

Phương pháp giải:

- Quan sát hình vẽ

- Cánh tay đòn là khoảng cách từ trục quay đến giá của lực.

- Biểu thức tính moment lực: M = F.d

Lời giải:

Từ hình vẽ, ta thấy khoảng cách từ trục quay đến giá của lực bằng chiều dài l của mỏ lết

=> Cánh tay đòn d = 20 cm.

=> Moment lực: M = F.d = 50.0,2 = 10 (N.m)

Giải vật lí 10 trang 89 Chân trời sáng tạo

Câu hỏi 4 trang 89 Vật lí 10: Quan sát Hình 14.6 và thực hiện các yêu cầu sau:

a) Xác định các cặp lực của tay tác dụng khi vặn vòi nước (Hình 14.6a), cần vô lăng khi lái ô tô (HÌnh 14.6b).

b) Nhận xét tính chất của các cặp lực này và chuyển động của các vật đang xét.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải:

a) Các cặp lực trong Hình 14.6a và Hình 14.6b được xác định như hình vẽ

b)

- Tính chất chuyển động của các cặp lực này:

+ Độ lớn bằng nhau

+ Phương song song, chiều ngược nhau

- Các vật đang xét đều chuyển động ngược chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi 5 trang 89 Vật lí 10: Có thể xác định được lực tổng hợp của ngẫu lực không? Tại sao?

Phương pháp giải:

Hệ hai lực song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau và cùng tác dụng vào một vật được gọi là ngẫu lực.

Lời giải:

Do ngẫu lực là tổng hợp của hai lực song song, ngược chiều và có độ lớn bằng nhau nên không thể tổng hợp ngẫu lực được

Giải vật lí 10 trang 90 Chân trời sáng tạo

Vận dụng trang 90 Vật lí 10: Ngoài các ví dụ được nêu trong bài học, hãy tìm hiểu và trình bày những ứng dụng của ngẫu lực trong đời sống. Gợi ý: Các em có thể tham khảo các trường hợp được giới thiệu trong Hình 14.8.

Phương pháp giải:

Liên hệ thực tế

Lời giải:

Ứng dụng của ngẫu lực trong đời sống:

+ Vặn khóa cửa

+ Tháo bánh xe

+ Vặn nút ga

+ Vặn nắp chai nước

+ Vặn chìa khóa xe...

II. Quy tắc Moment

Câu hỏi 6 trang 90 Vật lí 10: Quan sát Hình 14.9 và thực hiện các yêu cầu sau

a) Xác định các lực tác dụng lên thanh chắn.

b) Xét trục quay là khớp nối giữa thanh chắn với trụ đỡ và vuông góc với mặt phẳng thẳng đứng (P) (chứa thanh chắn và trụ đỡ), những lực nào có tác dụng làm thanh chắn xoay cùng chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng (P)?

Phương pháp giải:

Quan sát hình và vận dụng kiến thức đã học

Lời giải:

a) Các lực tác dụng lên thanh chắn: trọng lực P

b)

- Lực tác dụng làm thanh chắn xoay cùng chiều kim đồng hồ: trọng lực P, lực nâng F

- Lực tác dụng làm thanh chắn xoay ngược chiều kim đồng hồ: trọng lực P.

Câu hỏi 7 trang 90 Vật lí 10: Quan sát hình 14.10, chỉ rõ lực nào có tác dụng làm cân quay cùng chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải:

- Lực tác dụng làm cân quay cùng chiều kim đồng hồ: lực kéo

- Lực tác dụng làm cân quay ngược chiều kim đồng hồ: lực đẩy.

Giải vật lí 10 trang 91 Chân trời sáng tạo

Câu hỏi 8 trang 91 Vật lí 10: Nêu điều kiện để thanh chắn đường tàu trong Hình 14.9

a) Không có chuyển động tịnh tiến. Biết chuyển động tịnh tiến của vật rắn là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kì của vật luôn song song với chính nó.

b) Không có chuyển động quay.

Lời giải:

a) Điều kiện thanh chắn không có chuyển động tịnh tiến: trọng tâm của vật không chuyển động.

b) Điều kiện để thanh chắn không có chuyển động quay: trọng tâm của vật chuyển động.

Giải vật lí 10 trang 92 Chân trời sáng tạo

Luyện tập trang 92 Vật lí 10: Xét hai vật có khối lượng lần lượt là m1 = 5 kg, m2 = 2 kg được đặt trên một thanh thẳng nằm ngang có khối lượng không đáng kể. Hệ nằm cân bằng trên một cạnh nêm có mặt cắt được mô tả như Hình 14.13. Hãy xác định d2 và độ lớn lực do cạnh nêm tác dụng lên điểm tựa O. Biết d1 = 20 cm và g = 9,8 m/s2.

Phương pháp giải:

Biểu thức lực tổng hợp của hai lực song song cùng chiều:

$\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}$

Khi vật rắn ở trạng thái cân bằng, lực tổng hợp tác dụng lên vật bằng 0.

Lời giải:

Ta có:

$\begin{array}{l}\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}\iff \frac{d_2}{d_1}=\frac{P_1}{P_2}\iff \frac{d_2}{d_1}=\frac{m_1.g}{m_2.g}\\ \iff \frac{d_2}{d_1}=\frac{m_1}{m_2}\Rightarrow d_2=\frac{m_1}{m_2}.d_1=\frac{5}{2}.20=50(cm)\end{array}$

Do nêm nằm cân bằng => Lực do cạnh nêm tác dụng lên điểm tựa O bằng 0.

Vận dụng trang 92 Vật lí 10: Dựa vào điều kiện cân bằng, hãy nêu và phân tích các yếu tố an toàn trong tình huống được đưa ra trong Hình 14.14.

Phương pháp giải:

Điều kiện cân bằng của vật rắn:

+ Lực tổng hợp tác dụng lên vật bằng không.

+ Tổng moment lực tác dụng lên vật đối với một điểm bất kì bằng không.

Lời giải:

Các yếu tố an toàn để giữ thăng bằng trên dây của diễn viên xiếc là:

+ Tổng tất cả các lực tác dụng lên dây phải bằng 0.

+ Tổng rmoment lực tác dụng lên dây bằng 0.

Bài tập (trang 92)

Bài 1 trang 92 Vật lí 10: Người ta tác dụng lực  có độ lớn 80 N lên tay quay để xoay chiếc cối như Hình 14P.1. Cho rằng  có phương tiếp tuyến với bề mặt cối xay, khoảng cách từ tay quay đến tâm quay là d = 40 cm. Xác định moment của lực  đối với trục quay qua tâm cối xay.

Biểu thức tính moment lực: M = F.d

Trong đó:

+ M: moment lực (N.m)

+ F: lực tác dụng làm quay vật (N)

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

Lời giải:

Ta có F = 80 N; d = 40 cm = 0,4 m

=> Moment lực đối với trục quay qua tâm cối xay là: M = F.d = 80.0,4 = 32 (N.m).

Giải vật lí 10 trang 93 Chân trời sáng tạo

Bài 2 trang 93 Vật lí 10: Để nhổ một cây đinh ghim vào bàn tạo thành một góc 300 so với phương thẳng đứng, ta tác dụng lực F = 150 N theo phương vuông góc với cán búa như Hình 14P.2. Búa có thể quay quanh trục quay vuông góc với mặt phẳng hình vẽ tại điểm O, khoảng cách từ điểm đặt tay đến trục quay là 30 cm và khoảng cách từ đầu đinh đến trục quay là 5 cm. Xác định lực do búa tác dụng lên đinh.

Lời giải:

Gọi lực do búa tác dụng lên đinh là F’

Áp dụng quy tắc moment lực ta có: F.d = F’.d’.sinα ( d: khoảng cách từ giá của lực F đến trục quay, d’ là khoảng cách từ đầu búa đến trục quay)

=> 150.0,3 = F’.0,05.sin 300

=> F’ = 1800 (N).

Xem thêm các bài giải SGK Vật lí lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 13: Tổng hợp lực - Phân tích lực

Bài 15: Năng lượng và công

Bài 16: Công suất - Hiệu suất

Bài 17: Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng

Lý thuyết Moment. Điều kiện cân bằng của vật

1. Moment lực - Moment ngẫu lực

a. Khái niệm moment lực

- Moment lực đối với một 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:

M = F.d

Với: F là độ lớn của lực

        d là khoảng cách từ trục đến quá của lực, gọi là cánh tay đòn

Mô tả tác dụng làm quay của lực đối với trục quay O

- Trong hệ SI, đơn vị của moment lực là N.m

Giá của lực đi qua trục quay thì không có tác dụng làm quay ở hình a

b. Khái niệm moment ngẫu lực

- Hệ hai lực song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau và cùng tác dụng vào một vật được gọi là ngẫu lực. Dưới tác dụng của ngẫu lực, chỉ có chuyển động quay của vật bị biến đổi

Ví dụ: Trong đó ${\overrightarrow{F}}_1,{\overrightarrow{F}}_2$ đều có tác dụng làm vô lăng quay ngược chiều kim đồng hồ và có cánh tay đòn lần lượt là d₁ và d_2.

Ta có khoảng cách giữa hai giá của hai lực d = d₁ + d₂. Lúc đó, d gọi là cánh tay đòn của ngẫu lực

Khi đó, moment của ngẫu lực đối với trục quay đi qua điểm O được xác định

$M=F_1.d_1+F_2.d_2=F.d$

Ngẫu lực xuất hiện ở một số tình huống trên

2. Quy tắc Moment

a. Quy tắc moment

Muốn cho một vật có trục quay cố định ở trạng thái cân bằng, tổng độ lớn các moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng độ lớn các moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều ngược lại:

$M_1+M_2+\mathrm{...}=M_1\text{'}+M_2\text{'}+\mathrm{...}$

b. Điều kiện cân bằng của vật

- Khi vật rắn ở trạng thái cân bằng, lực tác dụng vào vật phải có hai điều kiện sau:

+ Lực tổng hợp tác dụng lên vật bằng không

+ Tổng moment lực tác dụng lên vật đối với một điểm bất kì bằng không.

$\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}+\mathrm{...}+\overrightarrow{F_n}=\overrightarrow{0}$

$M_1+M_2+\mathrm{...}+M_n=0$

- Trong điều kiện về moment lực, ta cần quy ước các moment lực có xu hướng làm vật quay theo một chiều có giá trị dương. Từ đó, các moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều ngược với chiều dương quy ước sẽ có giá trị âm.

Diễn viên xiếc sử dụng quy tắc cân bằng để đi trên dây

Thanh bập bênh cân bằng