Nội dung kiến thức chương “Tĩnh học vật rắn” Vật lí 10

2.1. Cấu trúc nội dung kiến thức chương “Tĩnh học vật rắn” Vật lí 10

2.1.2. Nội dung kiến thức chương “Tĩnh học vật rắn” Vật lí 10

- Cân bằng là trạng thái đứng yên hoặc chuyển động đều của vật rắn hay một

hệ thống cơ học trong một hệ quy chiếu xác định. Khi trạng thái là đứng n hồn tồn thì cân bằng còn được gọi là cân bằng tĩnh học.

- Muốn cho vật rắn ở trạng thái cân bằng thì phải khử cả gia tốc của chuyển động tịnh tiến lẫn gia tốc góc của chuyển động quay và muốn cho vật rắn đứng yên thì phải thêm điều kiện ban đầu là v = 0 và  = 0. Vì thế điều kiện để vật rắn đứng yên sẽ là: F0 ; M 0 (đối với một trục bất kì) và v = 0

Ta sẽ xét hai trường hợp riêng: trường hợp cân bằng của vật khi khơng có chuyển động quay và trường hợp cân bằng của vật khi khơng có chuyển động tịnh tiến.

2.1.2.1. Cân bằng của vật rắn khơng có chuyển động quay

a. Cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực: Muốn cho một vật rắn chịu

tác dụng của hai lực ở trạng thái cân bằng thì hai lực phải trực đối. 1

F + F2= 0 hay F1 = - F2

b. Cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song:

Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song là hợp lực của hai lực bất kì cân bằng với lực thứ ba.

0 F F F12 3 ⟹ F1 F2 F3   

c. Quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy:

Để tổng hợp hai lực đồng quy ta làm như sau:

- Trượt hai lực trên giá của chúng cho tới khi cùng điểm đặt.

1 d 1 F 2 d F 2 F

d. Quy tắc hợp lực hai lực song song:

- Trường hợp hai lực song song cùng chiều:

Hợp lực của hai lực song song cùng chiều tác dụng vào một vật rắn là một lực song song, cùng chiều với hai lực và có độ lớn bằng tổng độ lớn của hai lực đó; có giá nằm trong mặt phẳng của hai lực và chia khoảng cách giữa hai lực này thành những đoạn tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực đó.

1 2 1 2

2 1

d F

F = F + F ; =

d F chia trong

- Trường hợp hai lực song song ngược chiều:

Hợp lực của hai lực song song ngược chiều là một lực song song và cùng chiều với lực thành phần có độ lớn lớn hơn lực thành phần kia, có độ lớn bằng hiệu độ lớn của hai lực thành phần. Giá của hợp lực nằm trong mặt phẳng của hai lực thành phần và chia khoảng cách giữa giá của hợp lực với giá của hai lực thành phần thành những đoạn tỉ lệ nghịch.

F = F3 – F2 ; 𝑑2 ′

𝑑3′ = 𝐹3

𝐹2 (chia ngồi)

e. Lí giải về trọng tâm của vật rắn: Chia vật rắn thành nhiều phần tử nhỏ, tạo thành một hệ lực song song cùng chiều đặt lên vật. Hợp lực của chúng là trọng lực tác dụng lên vật có điểm đặt tại trọng tâm của vật.

f. Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song là hợp lực của hai lực bất kì cân bằng với lực thứ ba.

2.1.2.2. Cân bằng của vật rắn có trục quay cố định a. Tác dụng của lực với một vật có trục quay cố định

Nếu một vật rắn có trục quay cố định, thì: 2 F • • A B I 1 F 2 F • 1 F 2 F I I • FF1 F2

Hệ 2 lực Trượt 2 lực về điểm đồng qui Thực hiện qui tắc hình bình hành

d 𝑑2′ 𝐹2 ⃗⃗⃗ 𝐹 𝐹1 ⃗⃗⃗ 𝐹3 ⃗⃗⃗ 𝑑3′

- Các lực có giá song song với trục quay hoặc cắt trục quay khơng làm cho vật rắn quay.

- Các lực có giá càng xa trục quay thì tác dụng làm quay của lực càng mạnh.

b. Momen của lực

- Momen của lực 𝐹 đối với trục quay O là đại lượng vectơ đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực quanh trục ấy và được xác định bởi tích có hướng của lực với cánh tay địn. Mo( )F = Fd

- Đặc điểm của momen lực:

+ Phương: vng góc với mặt phẳng chứa điểm O và lực.

+ Có chiều sao cho khi nhìn từ đầu mút của nó xuống gốc thấy vịng quanh O theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.

+ Độ lớn: M = F.d (trong chương trình học thường ta chỉ cần quan tâm yếu tố này và dạng đại số của momen). Lấy dấu dương khi chiều quay ngược chiều kim đồng hồ và ngược lại.

- Đơn vị của momen lực trong là niutơn mét, kí hiệu là N.m.

c. Điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định (quy tắc momen lực):

Muốn cho một vật rắn có trục quay cố định nằm cân bằng thì tổng momen của các lực có khuynh hướng làm vật quay theo một chiều phải bằng tổng momen của các lực có khuynh hướng làm vật quay theo chiều ngược lại.

2.1.2.3. Các dạng cân bằng – Cân bằng của một vật có mặt chân đế

a. Có ba dạng cân bằng:

- Khi vật lệch khỏi vị trí cân bằng, nếu các lực xuất hiện làm cho vật trở về vị trí cân bằng cũ thì ta nói vật ở trạng thái cân bằng bền.

- Khi vật lệch khỏi vị trí cân bằng, nếu các lực xuất hiện làm cho vật rời xa vị trí cân bằng, ta nói vật ở trạng thái cân bằng không bền.

- Khi vật lệch khỏi vị trí cân bằng, nếu các lực xuất hiện giữa cho vật cân bằng ở trạng thái mới, ta nói vật ở trạng thái cân bằng phiếm định.

b. Cân bằng của một vật có mặt chân đế

- Điều kiện cân bằng của vật rắn có mặt chân đế: Đường thẳng đứng qua trọng tâm của vật gặp mặt chân đế.

2.1.2.4. Ngẫu lực

- Ngẫu lực là hệ gồm hai lực song song ngược chiều, cùng độ lớn và cùng tác dụng vào một vật.

- Ngẫu lực có tác dụng làm cho vật rắn quay. Đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của ngẫu lực là momen của ngẫu lực: M=F.d

Trong đó: M là Momen của ngẫu lực; F là độ lớn của mỗi lực; d là khoảng cách giữa hai giá của hai lực.

2.1.2.5. Chuyển động tịnh tiến của vật rắn

- Khái niệm: Chuyển động tịnh tiến của vật rắn là chuyển động mà mọi đoạn thẳng thuộc vật luôn luôn song song với vị trí ban đầu của nó.

- Tính chất của chuyển động tịnh tiến:

+ Khi vật rắn chuyển động tịnh tiến, quỹ đạo, vận tốc, gia tốc của các điểm của vật như nhau.

+ Nếu vật rắn có khối lượng m, lực hoặc hợp lực tác dụng vào vật rắn là F

có giá đi qua trọng tâm. Phương trình chuyển động (chương trình định luật II Newton) của vật sẽ là: a = F

m hay F = m.a

Trong đó F F1F2 ... Fn là hợp lực của các lực tác dụng vào vật còn m là khối lượng của vật.

Khi vật chuyển động tịnh tiến thẳng, ta nên chọn hệ trục toạ độ Đề-các có trục Ox cùng hướng với chuyển động và trục Oy vng góc với với hướng chuyển động rồi chiếu phương trình véc tơ F lên hai trục toạ độ đó để có phương trình đại số.

Ox : F1x + F2x + … + Fnx = ma Oy : F1y + F2y + … + Fny = 0

2.1.2.6. Chuyển động quay của vật rắn

- Momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật.

- Mọi vật quay quanh một trục đều có mức qn tính. Mức qn tính của vật càng lớn thì vật càng khó thay đổi tốc độ góc và ngược lại .

- Mức qn tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc vào khối lượng của vật và sự phân bố khối lượng đó đối với trục quay.