Giải SGK Vật Lí 10 (Kết nối tri thức) Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Giải Vật Lí 10 Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Khởi động trang 83 Vật Lí 10: Nếu dùng tay để siết chặt một đai ốc thì việc đó rất khó, tuy nhiên với dụng cụ thích hợp như cờ lê thì việc siết chặt đai ốc trở nên dễ dàng.

Tác dụng của dụng cụ này thay đổi thế nào nếu ta tăng độ lớn của lực hoặc sử dụng cờ lê dài hơn?

Lời giải:

Khi tăng độ lớn của lực hoặc sử dụng cờ lê dài hơn thì momen của lực gây ra tác dụng làm quay lớn hơn sẽ giúp cho việc vặn đai ốc càng dễ hơn.

I. Moment lực

Câu hỏi 1 trang 83 Vật Lí 10: Mô tả thao tác dùng búa để nhổ đinh.

Lời giải:

Thao tác dùng búa để nhổ đinh: Kẹp cây đinh vào giữa 2 khe nhọn của đầu nhổ đinh, bề mặt đầu đóng đinh vuông góc với mặt phẳng ngang. Dùng tay giữ chặt cán búa, dùng lực để kéo cán búa về phía mình, tạo lực kéo cây đinh lên.

Câu hỏi 2 trang 83 Vật Lí 10: Lực $\overrightarrow{F}$ nên đặt vào đâu trên cán búa để nhổ đinh được dễ dàng? Khi đó cánh tay đòn (d) của lực lớn hay nhỏ?

Lời giải:

- Để nhổ đinh được dễ dàng, lực $\overrightarrow{F}$ nên đặt vào điểm cuối trên cán búa (điểm xa đầu nhổ đinh nhất).

- Lực $\overrightarrow{F}$ nên có giá vuông góc với cánh tay đòn d để thao tác nhổ đinh sẽ càng dễ hơn

- Khi đó cánh tay đòn d của lực lớn nhất.

Câu hỏi 3 trang 83 Vật Lí 10: Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc những yếu tố nào?

Lời giải:

Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc vào độ lớn của lực và cánh tay đòn.

Câu hỏi trang 83 Vật Lí 10: Hình 21.2 mô tả một chiếc thước mảnh OA, đồng chất, dài 50 cm, có thể quay quanh trục quay cố định ở đầu O.

Trong các tình huống ở Hình 21.2a, b thước OA quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ?

Lời giải:

Trong tình huống ở Hình 21.2a thước OA quay theo chiều kim đồng hồ.

Trong tình huống ở Hình 21.2b thước OA quay ngược chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi trang 83 Vật Lí 10: Hình 21.2 mô tả một chiếc thước mảnh OA, đồng chất, dài 50 cm, có thể quay quanh trục quay cố định ở đầu O.

Tính moment lực ứng với mỗi tình huống trong Hình 21.2.

Lời giải:

Đổi 50 cm = 0,5 m

- Moment lực trong Hình 21.2a: M = F.d = 4.0,5 = 2 N.

- Moment lực trong Hình 21.2b: M = F.d = 2.0,5.cos 20^o ≈ 0,94 N.

II. Quy tắc moment lực

Câu hỏi 1 trang 84 Vật Lí 10: Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_1}$ thì đĩa quay theo chiều nào?

Lời giải:

Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_1}$ thì đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi 2 trang 84 Vật Lí 10: Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_2}$ thì đĩa quay theo chiều nào?

Lời giải:

Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_2}$ thì đĩa quay theo chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi 3 trang 84 Vật Lí 10: Khi đĩa cân bằng lập tích F₁.d₁ và F₂.d₂ rồi so sánh.

Lời giải:

Coi khối lượng mỗi quả nặng là 1 đơn vị, dựa vào hình vẽ ta có thể tính được các tích:

F₁d₁ = 3.2 = 6

F₂d₂ = 1.6 = 6

Khi đĩa cân bằng, ta có F₁.d₁ = F₂.d₂

Câu hỏi trang 84 Vật Lí 10:

a) Sử dụng kiến thức về moment lực giải thích vì sao chiếc bập bênh đứng cân bằng.

b) Cho biết người chị (bên phải) có trọng lượng P₂ = 300 N, khoảng cách d₂ = 1 m, còn người em có trọng lượng P₁ = 200 N. Hỏi khoảng cách d₁ phải bằng bao nhiêu để bập bênh bằng nằm ngang?

Lời giải:

a) Chiếc bập bênh có thể đứng cân bằng vì tổng các moment lực tác dụng lên trục quay của chiếc bập bênh bằng không.

+ Moment lực do người chị gây ra có tác dụng làm cho bập bênh quay cùng chiều kim đồng hồ.

+ Momen lực do người em gây ra có tác dụng làm cho bập bênh quay ngược chiều kim đồng hồ.

Do đó, hai moment lực này cân bằng.

b) Để bập bênh cân bằng, tổng các moment lực tác dụng lên bập bênh phải bằng 0.

Hay: P₂.d₂ = P₁.d₁ ⇒ d₁ = $\frac{P_2.d_2}{P_1}=\frac{300.1}{200}$ = 1,5 m

Vậy để bập bênh cân bằng thì khoảng cách d₁ phải bằng 1,5 m.

IV. Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn

Hoạt động 1 trang 85 Vật Lí 10: Đặt một chiếc thước dài trên bàn. Cho một bạn nâng một đầu thước lên và giữ yên (Hình 21.7). Hỏi:

- Khi thay đổi lực nâng $\overrightarrow{F}$ ta thấy thước quay quanh trục nào?

- Khi thước đang đứng yên ở vị trí như Hình 21.7, ta có thể áp dụng quy tắc moment lực được không và áp dụng như thế nào?

Lời giải:

- Khi thay đổi lực nâng $\overrightarrow{F}$ ta thấy thước quay quanh trục đi qua điểm A.

- Khi thước đang đứng yên ở vị trí như Hình 21.7, ta hoàn toàn có thể áp dụng quy tắc moment lực được.

Khi thanh cân bằng, gọi góc hợp bởi thanh AB và mặt phẳng nằm ngang là α:

$M_{\overrightarrow{F}}=M_{\overrightarrow{P}}$ ⇔ F.d₂ = P.d₁ ⇔ F.$\frac{AB}{2}$.cosα = P.AB.cosα ⇔ F = 2P

Từ đó ta có thể tính được lực nâng cần thiết để giữ cho thanh cân bằng.

Hoạt động 2 trang 85 Vật Lí 10: Khi một vật không có điểm tựa cố định. Ví dụ, thanh cứng tựa vào bức tường nhẵn, đầu dưới của thanh đặt trên mặt bàn nhám (Hình 21.8). Khi đó ta có thể áp dụng được quy tắc moment lực được không và áp dụng như thế nào?

Gợi ý: Chọn đầu A của thanh để viết quy tắc moment.

Lời giải:

Khi thanh cứng không bị trượt đi, đứng yên ta có thể coi thanh đang ở trạng thái cân bằng, lúc đó hoàn toàn có thể viết được quy tắc moment lực.

Chọn đầu A của thanh làm trục quay để viết quy tắc moment.

Lực ${\overrightarrow{F}}_{msn}$ và ${\overrightarrow{N}}_A$ có giá của lực đi qua trục quay A nên không có tác dụng làm quay, ta không cần viết biểu thức momen lực cho hai lực đó.

Thanh cân bằng: $M_{{\overrightarrow{N}}_B}=M_{\overrightarrow{P}}$ ⇔ N_B.h = P.$\frac{d}{2}$

Câu hỏi trang 85 Vật Lí 10: Áp dụng điều kiện cân bằng tổng quát vào thanh cứng tựa tường (Hình 21.8).

a) Viết điều kiện cân bằng thứ nhất.

b) Viết điều kiện cân bằng thứ hai đối với trục quay A.

Lời giải:

a) Điều kiện cân bằng thứ nhất là: Tổng các lực tác dụng lên thanh cứng bằng 0.

${\overrightarrow{F}}_{msn}+{\overrightarrow{N}}_A+\overrightarrow{P}+{\overrightarrow{N}}_B=\overrightarrow{0}$

b) Điều kiện câng bằng thứ hai đối với trục quay A là: Tổng các moment lực tác dụng lên thanh cứng đối với trục quay A bằng 0

$M_{{\overrightarrow{N}}_B}=M_{\overrightarrow{P}}$ ⇔ N_B.h = P.$\frac{d}{2}$

Em có thể trang 85 Vật Lí 10: Giải thích được sự cân bằng moment trong Hình 21.9.

Lời giải:

Hình 21.9 mô tả cấu trúc bên trong của một cánh tay người đang giữ một vật nặng.

- Búi cơ cung cấp một lực hướng lên. Lực của búi cơ tác dụng làm cẳng tay quay ngược chiều kim đồng hồ quanh trục quay là khớp khuỷu tay (trục quay O).

- Trọng lực hướng xuống dưới. Trọng lực của vật làm cẳng tay quay theo chiều kim đồng hồ quanh trục quay là khớp khuỷu tay (trục quay O).

=> Tay ta giữ được vật nặng vì moment của lực tác dụng bởi búi cơ bằng với moment lực gây ra bởi trọng lượng của vật nặng đối với khớp khuỷu tay.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 19: Lực cản và lực nâng

Bài 20: Một số ví dụ về cách giải các bài toán thuộc phần động lực học

Bài 22: Thực hành: Tổng hợp lực

Bài 23: Năng lượng. Công cơ học

Bài 24: Công suất