ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG THỰC TẾ VÀ KĨ THUÂTTrọng tâm

thực sự là nó rất cần cho các khái niệm về các dạng cân bằng, kể cả vấn đề chuyển động quay của

F0



CÂN BẰNG KHÔNG CÂN BẰNG -

Chuyển động thẳng CÂN BẰNG CÂN BẰNG CỦA VẬT RẮN CÁC LỰC TÁC DỤNG

Các lực đồng qui Các lực song song

song Đồng

phẳng

Cộng vecto Ngược chiều

(Qui tắc) Cùng chiều (Qui tắc) VR không có trục quay cố định F = 0  VR có trục quay cố định Momen lực M = F.d Qui tắc M = 0  F qua tâm quay VR tự do Momen ngẫu lực KHÔNG CÂN BẰNG - Chuyển động quay CÁC DẠNG CÂN BẰNG

ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG THỰC TẾ VÀ KĨ THUÂT Trọng tâm Trọng tâm

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “Tĩnh học vật rắn”

vật rắn tự do khi có ngẫu lực tác dụng. Song có lẽ các tác giả không đặt nặng các khái niệm này, kể cả khái niệm ngẫu lực (coi như một ứng dụng xuất hiện khi học về tổng hợp hai lực song song trái chiều).

- Mạch kiến thức thứ hai là sự cân bằng của vật có trục quay cố định. Các phép tổng hợp lực song song là mới hoàn toàn. Để đi đến khái niệm cân bằng trong trường hợp này, xuất hiện thêm một khái niệm quan trọng: momen của lực mới có được qui tắc momen.

Không nói đến việc sắp xếp nội dung chương thiếu tính hợp lí, chỉ nói đến kiến thức thôi thì cũng đã thấy một sự thiếu cẩn trọng của các tác giả. Một số nội dung, ví dụ như khái niệm vật rắn mỏng phẳng, khái niệm các lực đồng phẳng, sự gắn kết giữa trọng tâm và cân bằng, ngẫu lực và vật rắn tự do…cần được đề cập (dù chỉ một câu) thì mới đảm bảo được tính chính xác khoa học. Vì vậy khi dạy, âu đây cũng là những trường hợp để cho HS thảo luận tốt.

Điều đáng chú ý ở đây là vấn đề vận dụng kiến thức. Đây là chương có nội dung rất thực tế cho nên dễ dàng cho chúng tôi thực hiện ý đồ đưa thực tế vào chương. Chúng tôi sẽ thể hiện ở cuối chương 2 này.

2.2. Những vấn đề bổ trợ cho chương “Tĩnh học Vật rắn”

Để có được nội dung này, chúng tôi đã nghiên cứu thêm các tài liệu, giáo trình giảng dạy cơ học ở đại học cũng như một số bài viết trên tạp chí nhằm tăng cường tiềm lực cho GV khi dạy chương “Tĩnh học VR”.

2.2.1. Cân bằng của một vật rắn không có trục quay cố định

Cân bằng thường được hiểu là vật nằm yên hoặc chuyển động thẳng đều với vận tốc không đổi. Để đơn giản cho việc hình thành kiến thức cơ bản, các tác giả chỉ giới hạn ở cân bằng tính (v = 0). Hơn nữa trong thực tế kiến trúc, xây dựng (Tĩnh học) luôn luôn sử dụng khái niệm cân bằng trong trường hợp vật rắn nằm yên, tức là ở trạng thái cân bằng tĩnh.

Do đây là chương nói đến “vật rắn” cho nên ngay từ đầu chương, cần nhấn mạnh một số khái niệm để phân biệt với “chất điểm”:

- Khái niệm “vật rắn” và giới hạn chỉ ở các vật rắn mỏng phẳng.

- Trong cơ học chất điểm đã hình thành khái niệm lực, tuy nhiên chúng ta ít chú ý tới điểm đặt bởi vì nghiễm nhiên nó phải đặt tại chất điểm. Ở đây, điểm đặt rất quan trọng. Cùng một lực tác dụng vào vật rắn nhưng điểm đặt khác nhau sẽ gây ra cho vật trạng thái chuyển động khác nhau. Từ đó mới thấy được vai trò của “trọng tâm” của vật rắn. Lực chỉ không thay đổi tác dụng đối với vật khi ta cho nó “trượt” trên giá của nó.

- Cũng cần nhấn mạnh khái niệm các lực đồng phẳng để giới hạn nội dung nghiên cứu của chương.

- Vật rắn mà ta xét là vật rắn không bị biến dạng khi có lực tác dụng. Nói cách khác, vật rắn là vật mà khoảng cách giữa hai điểm bất kì của nó là không đổi khi vật rắn chịu tác dụng của ngoại lực. Do đó khái niệm “vật rắn” trong cơ học khác với khái niệm “chất rắn” trong cấu tạo chất.

Có lẽ nên có một công thức tổng quát về sự cân bằng của vật rắn, đó là F = 0 và cũng cần để cho HS có những suy nghĩ “lật ngược” vấn đề, đó là: nếuF 0 thì sao, để tập cho HS thói quen suy nghĩ nhiều chiều.

Các nội dung về cân bằng có ứng dung rất phong phú. Chính vì thế, đây sẽ là một môn học tối cần thiết cho các ngành kĩ thuật “Tĩnh học”. Học sinh rất gần gũi với các giá treo, kèo nhà, thả diều, dây phơi đồ, cầu treo… hoặc trong trường hợp F 0 thì: kéo xe, con trâu kéo cày…, nếu được trao nhiệm vụ, các em sẽ rất thích thú khi tìm ra các lực tác dụng lên các đối tượng đó.

Hai bài đầu chương có thể thực hiện các THN rất đơn giản nhưng không kém thú vị: THN cân bằng của hai lực, các THN trọng tâm và THN cân bằng của ba lực. Có thể GV tự chuẩn bị, đưa lên lớp biểu diễn nhưng hay hơn là cho HS tự làm ở nhà rồi đem đến lớp thực hiện (THN xác định trọng tâm chẳng hạn).

2.2.2. Cân bằng của vật rắn quay quanh một trục cố định

Khi nói đến các lực song song cũng cần nhắc lại khái niệm các lực này phải đồng phẳng. Qui tắc hợp lực song song cùng chiều tìm ra từ THN không khó, cần biểu diễn trước lớp.

Hợp các lực song song trái chiều là rất khó, vì vậy chỉ cần giới thiệu qui tắc để HS tiếp nhận khái niệm ngẫu lực. cần thiết đưa khái niệm này sang bài momen lực bởi vì khi đó hS mới có được khái niệm momen.

Khái niệm momen và qui tắc momen được hình thành từ THN. Khi làm THN, chúng ta “qui” các lực về trọng lực nên chúng là những lực song song cùng chiều. Thực ra chúng có thể là những lực đồng qui. Cho nên việc làm cần thiết của GV là nhắc lại khái niệm vật rắn cân bằng dưới tác dụng của nhiều lực đồng qui và nguyên tắc chung nhất để vật rắn có trục quay cố định cân bằng là:

tổng hợp các lực tác dụng lên nó phải qua tâm quay.

Vật rắn có trục quay cố định cân bằng và không cân bằng đều có rất nhiều ứng dụng gần gũi HS, như: chơi bập bênh, mở, đóng cửa, các dụng cụ sửa chữa (vặn vit, chìa khóa mở ốc), xe đạp…Cho nên đây cũng là dịp để mở rộng ứng dụng thực tế, phát triển trí tuệ cho HS đồng thời làm cho giờ học trở nên sinh động hơn rất nhiểu.

2.2.3. Một số vấn đề tìm hiểu thêm về chuyển động quay của một vật rắn quanh một trục cố định

Vật rắn có hai chuyển động cơ bản: chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh trục cố định.

Vật chuyển động tịnh tiến là đơn giản nhất, ta chỉ cần xét chuyển động của một điểm bất kì thuộc vật rắn thì có thể xác định được chuyển động của tất cả các điểm khác của nó. Trường hợp vật rắn quay quanh trục cố định trước tiên cần xét chuyển động toàn vật và chuyển động từng điểm thuộc vật, sau đó xét truyền chuyển động quay giữa các vật nên phần này khá phức tạp, vượt quá khả năng của HS THPT, SGK không chú trọng giải thích phần này mà chỉ nêu định nghĩa, công thức HS chấp nhận và sử dụng. Nhưng GV phải nghiên cứu sâu hơn để hỗ trợ thêm kiến thức nền và dạy các bài tập mở rộng. Trong phạm vi của đề tài, chỉ nghiên cứu thêm về chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định nên không xét trường hợp truyền chuyển động quay giữa các vật.

a/ Phương trình vận tốc của vật rắn chuyển động quay biến đổi đều:

Trong trường hợp chuyển động quay biến đổi đều, gia tốc góc không đổi cả về độ lớn lẫn về

phương, chiều. Về độ lớn ta có:

β = const

Mặt khác β =dω

dt => dω = βdt

Lấy tích phân hai vế và đặt ω = ω0 khi t = 0 ta có công thức: 0

ω = ω + βt (2.1)

Công thức (2.2) là công thức vận tốc góc trong chuyển động quay biến đổi đều. Đó là một hàm bậc nhất của vận tốc góc theo thời gian.

Từ công thức ω =dθ

dt => dθ = ω.dt Lấy tích phân hai vế, ta được:

0