Giải SGK Vật lí 10 (Chân trời sáng tạo) Bài 14: Moment. Điều kiện cân bằng của vật

Giải Vật Lí 10 Bài 14: Moment. Điều kiện cân bằng của vật

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 tổng hợp hai lực song song, cùng chiều và tác dụng làm quay của lực.

1. 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.

Lời giải:

Bạn trên tác dụng lực vào cánh cửa làm cánh cửa quay.

Tuy nhiên sẽ có những trường hợp thực tế sau:

- Điểm đặt của tay ở xa trục quay của cánh cửa thì cánh cửa quay càng dễ.

- Điểm đặt của tay càng gần trục quay của cánh cửa thì cánh cửa quay càng khó.

- Điểm đặt nằm trên trục quay của cánh cửa thì cánh cửa không quay.

- Điểm đặt không nằm trên trục quay nhưng có phương song song với trục quay thì cũng không làm quay cánh cửa.

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.

Lời giải:

Ở hình a bu lông sẽ không quay.

Ở hình b bu lông sẽ quay nhưng cần phải tác dụng lớn.

Ở hình c bu lông quay dễ dàng và lực tác dụng không cần quá 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 14.2 để minh họa cho câu trả lời của em.

Lời giải:

Nếu lực có phương song song với trục quay thì lực đó không có tác dụng làm quay cánh cửa, chỉ có tác dụng nâng cánh cửa lên (nếu lực hướng lên trên), ấn cánh cửa xuống (nếu lực hướng xuống dưới).

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, $�$= 20 cm và $�={20}^{�}$.

Lời giải:

- Cánh tay đòn: $�=�.\sin �=20.\sin {20}^0=6,84��$

- Độ lớn của moment lực: $�=�.�=50.6,{84.10}^{-2}=3,42\text{}�.�$

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), cầm 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.

Lời giải:

a) Học sinh nhìn vào hình vẽ chỉ ra các cặp lực của tay tác dụng ${\overrightarrow{F}}_1;{\overrightarrow{F}}_2$ tương ứng trong từng hình.

b) Các cặp lực này đều có điểm chung:

- Song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau.

- Cùng tác dụng vào một vật.

- Chuyển động của các vật đều xoay 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?

Lời giải:

Hoàn toàn có thể xác định được lực tổng hợp của ngẫu lực. Ta có thể tổng hợp bằng cách, dịch chuyển hai lực về điểm đồng quy và lực tổng hợp có độ lớn bằng 0 vì hai lực này song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau.

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.

Lời giải:

Ứng dụng của ngẫu lực trong cuộc sống rất nhiều:

- Vặn chìa khóa

- Vặn nút chai

- Lái xe

- Tháo bánh xe ô tô

- Vặn van bình gas

…

2. 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)?

Lời giải:

a) Các lực tác dụng lên thanh chắn:

- Lực hút của trái đất tác dụng lên thanh (chính là trọng lực).

- Phản lực của trụ đỡ tác dụng lên thanh.

- Lực kéo của đối trọng tác dụng lên thanh (có độ lớn bằng với trọng lượng của đối trọng).

b)

- Trọng lực của thanh làm thanh chắn quay ngược chiều kim đồng hồ.

- Lực kéo của đối trọng làm thanh quay cùng chiều kim đồng hồ.

- Phản lực của trụ đỡ không có tác dụng làm quay thanh chắn.

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.

Lời giải:

- Trọng lực $\overrightarrow{P_1}$ tác dụng lên đĩa cân bên phải có tác dụng làm cân quay theo chiều kim đồng hồ.

- Trọng lực $\overrightarrow{P_2}$ tác dụng lên đĩa cân bên trái có tác dụng làm cân quay ngược chiều kim đồng hồ.

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) Để không có chuyển động tịnh tiến thì lực nâng của trụ đỡ phải bằng với tổng độ lớn của trọng lực tác dụng lên thanh chắn và đối trọng.

b) Tổng moment lực tác dụng lên thanh chắn bằng 0.

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.

Lời giải:

Thanh chịu tác dụng của lực hút của Trái Đất tác dụng lên thanh (tuy nhiên coi khối lượng của thanh không đáng kể nên coi như trọng lực không đáng kể).

Thanh chịu lực ép của hai vật nặng, có độ lớn bằng đúng trọng lượng của các vật đó.

Do thanh nằm cân bằng nên:

$P_1{d}_1=P_2{d}_2\iff m_{1}g.d_1=m_{2}g.d_2\iff d_2=\frac{m_1{d}_1}{m_2}=\frac{5.20}{2}=50cm$

Độ lớn lực do cạnh nêm tác dụng lên điểm tựa O:

$F=P_1+P_2=m_{1}g+m_{2}g=68,6N$

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.

Lời giải:

- Gậy gỗ mà diễn viên xiếc cầm có vai trò hỗ trợ giữ được trạng thái cân bằng cho diễn viên.

Điều kiện cân bằng của thanh, tổng moment lực tác dụng lên thanh bằng 0.

- Yếu tố an toàn trong tình huống này: Gậy giúp diễn viên xiếc dễ điều chỉnh trọng tậm của hệ luôn đi qua dây nên người không bị ngã.

+ Nên chia đều thanh sào để trọng tâm của thanh luôn trùng với trọng tâm của người hoặc 2 trọng tâm đó nằm cùng trên một đường thẳng đứng và đi qua dây.

+ Trong quá trình di chuyển, nếu thanh bị nghiêng về bên nào thì người sẽ nghiêng về phía ngược lại.

Bài tập (trang 92)

Bài 1 trang 92 Vật Lí 10: Người ta tác dụng lực $\overrightarrow{F}$ có độ lớn 80 N lên tay quay để xoay chiếc cối xay như Hình 14P.1. Cho rằng $\overrightarrow{F}$ 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 $\overrightarrow{F}$ đối với trục quay qua tâm cối xay.

Lời giải:

Moment lực: $M=F.d=80.0,4=32N.m$

Bài 2 trang 92 Vật Lí 10: Để nhổ một cây đinh ghim vào bàn gỗ theo phương thẳng đứng như Hình 14P.2, ta tác dụng lực F = 150 N theo phương song song với mặt bàn. Búa có thể quay quanh trục quay vuông góc với mặt phẳng hình vẽ tại điểm O, khoảng cách từ điểm đặt tay đến mặt bàn là 24 cm và khoảng cách từ đinh đến trục quay là 3 cm. Xác định lực do búa tác dụng lên đinh.

Lời giải:

Gọi d_F là cánh tay đòn của lực F, ta có: d_F = 24 cm = 0,24 m

Gọi d_Fc là cánh tay đòn của lực cản gỗ: d_Fc = 3 cm = 0,03 m

Theo quy tắc moment:

$F.d_F=F_C.d_{F_C}\iff 150.0,24=F_C.0,03\Rightarrow F_C=1200N$

Xem thêm lời giải bài tập 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