Giải bài tập Vật Lý 10 Cánh diều Bài 6: Mômen lực. Điều kiện cân bằng của vật

Khi dùng dụng cụ tháo bánh ô tô như hình 6.1, một người thợ học việc tác dụng hai lực cùng độ lớn và cùng hướng lên dụng cụ. Phép cộng vectơ hai lực đó cho kết quả khác 0 nhưng dụng cụ lại đứng yên. Vậy, tổng hợp lực của hai lực song song này được xác định như thế nào mà không làm dụng cụ chuyển động?

Hãy thảo luận để thiết kế thí nghiệm và tiến hành kiểm chứng công thức (1)

\(\frac{{O{O_1}}}{{O{O_2}}} = \frac{{{F_2}}}{{{F_1}}}\)

Số quả cân phải treo tại O trong hình 6.3 là bao nhiêu để công thức (1) được nghiệm đúng?

Thảo luận để đề xuất, thiết kế phương án và thực hiện phương án tổng hợp hai lực song song bằng dụng cụ thực hành.

Hình 6.3 mô tả một phương án thí nghiệm minh họa quy tắc tổng hợp hai lực song song.

Một thước cứng, mảnh, đồng chất được treo bởi hai sợi dây đàn hồi. Hai lực thành phần F₁, F₂ có độ lớn bằng trọng lượng các quả cân treo vào O₁, O₂ làm cho dây treo thanh giãn ra và thanh nằm cân bằng tại vị trí đánh dấu bởi đường CD.

Thay hai lực F1, F2 bằng lực F do một chùm quả cân treo tại O sao cho thước vẫn nằm cân bằng tại vị trí đã đánh dấu thì lực F là hợp lực của hai lực F₁ và F₂.

Tiến hành thí nghiệm để xác định hợp lực F của hai lực thành phần. Kết quả thực hiện được ghi theo mẫu sau:

Bảng 6.1. Mẫu bảng ghi số liệu tổng hợp hai lực song song

Cho vật là miếng bìa phẳng như hình 6.4. Hãy vận dụng quy tắc tổng hợp hai lực song song, cùng chiều để xác định trọng tâm của vật. Nghiệm lại bằng phương án xác định trọng tâm của vật phẳng.

Viết biểu thức tính mômen lực M₁, M₂ của mỗi lực F₁, F₂ đối với trục quay theo các đại lượng cho trên hình.

Nếu lực tác dụng không đổi thì người thợ cầm vào cờ lê ở A hay ở B (hình 6.8) sẽ dễ làm xoay đai ốc hơn?

Thành phần F_2y có xu hướng làm thanh quay theo chiều nào? Có giống với xu hướng làm quay của F₂ với thanh không?

Tính mômen của từng lực trong hình 6.10 đối với trục quay của vô lăng. Mỗi mômen lực này có tác dụng làm vô lăng quay theo chiều nào?

Chứng tỏ rằng tổng mômen của các lực trong ngẫu lực bằng M = Fd.

Chỉ ra chiều tác dụng làm quay của mỗi lực F1, F2 lên vật trong hình 6.11 đối với trục quay O. Từ đó, thảo luận để rút ra điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định.

Chứng tỏ rằng vật ở hình 6.11 sẽ cân bằng khi: \(\frac{{{F_1}}}{{{F_2}}} = \frac{{{d_2}}}{{{d_1}}}\)

Thảo luận để rút ra điều kiện cân bằng của vật.

Mô tả xu hướng chuyển động của vật như trong hình 6.12 nhưng với hai lực F₁ và F₂ không cùng độ lớn.

Không chỉ nổi tiếng với phát hiện về lực đẩy của chất lỏng lên các vật, Archimedes còn nổi tiếng với câu nói: “Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi có thể nhấc bổng quả đất lên”. Đó là vì ông muốn khẳng định tính đúng đắn của định luật về đòn bẩy đã được kiểm chứng trong cuộc sống. Cho đến hiện tại, sau Archimedes hàng nghìn năm, chúng ta dễ dàng giải thích cơ sở khoa học của quy tắc đòn bẩy qua các khái niệm lực và mômen lực. Đây là một trong số nhiều trường hợp mà kĩ thuật đã đi trước khoa học. Rất nhiều kĩ thuật cổ xưa đã được con người biết đến nhờ kinh nghiệm nhưng chỉ đến khi khoa học bắt kịp, xây dựng cơ sở hiểu biết đầy đủ cho kĩ thuật ấy thì nó mới có thể phát triển mạnh mẽ, được áp dụng và đem lại hiệu quả tốt hơn.

Các hoạt động không ngừng nghỉ của xã hội loài người làm nảy sinh nhu cầu có các kĩ thuật mới. Đòi hỏi này khiến khoa học nói chung và vật lí nói riêng có động lực và luôn xuất hiện các vấn đề nghiên cứu mới. Các nghiên cứu này hoàn thành sẽ quay lại giúp cải tiến, nâng tầm kĩ thuật.

Có thể thấy rõ điều này khi ta đi tìm câu trả lời cho câu hỏi đã đặt ra ở đầu chủ đề về việc giảm thời gian tăng tốc của ô tô. Ta có thể dễ dàng chỉ ra rằng để tăng gia tốc của xe thì cần tăng lực tác dụng. Tuy nhiên, chuyển động của trục động cơ, của bánh xe là chuyển động quay nên thực tế thì mômen lực (mômen xoắn) của động cơ sẽ ảnh hưởng tới khả năng tăng tốc của xe. Ngoài ra, để ô tô đạt tới tốc độ cao thì còn phụ thuộc tốc độ quay của trục động cơ và công suất – đại lượng sẽ được tìm hiểu ở phần sau.

Hãy tìm hiểu thông tin và kể tên một số loại xe thường có mômen xoắn lớn.