Chuyển động tính tiến, Momen quán tính và Đặc điểm của vật rắn quay quanh trục cố định - Vật lý 10 bài 21

Bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu về khái niệm chuyển động tịnh tiến của vật rắn? Gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến tính theo công thức nào? Vật rắn quay quanh một trục cố định có đặc điểm gì? Tốc độ góc và Momen quán tính của vật rắn đối với trục quay có biểu thức như thế nào?

I. Chuyển động tịnh tiến của vật rắn

1. Chuyển động tịnh tiến là gì

- Định nghĩa: Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kì của vật luôn luôn song song với chính nó.

2. Gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến

- Trong chuyển động tịnh tiến, tất cả các điểm của vật đều chuyển động như nhau, nghĩa là đều có cùng một gia tốc.

- Gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến xác định theo định luật II Newton:

  hay 

Trong đó: 

  là hợp lực của các lực tác dụng vào vật.

 m là khối lượng của vật (kg);

 a là gia tốc (m/s²).

- 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 vuông góc với với hướng chuyển động rồi chiếu phương trình véctơ  lên hai trục toạ độ đó để có phương trình đại số:

II. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định

1. Đặc điểm chuyển động quay quanh trục cố định của vật rắn, tốc độ góc.

• Đại lượng đặc trưng cho chuyển động quay của vật rắn là vận tốc góc ω (góc mà vật quay được trong một đơn vị thời gian).

• Khi vật rắn quay quanh một trục cố định, thì mọi điểm của vật đều quay cùng với một tốc độ góc ω trong cùng một khoảng thời gian t.

 - Vật quay đều thì ω=const (hằng số).

 - Vật quay nhanh dần thì ω tăng dần.

 - Vật quay chậm dần thì ω giảm dần.

2. Tác dụng của momen lực đối với một vật quay quanh một trục

a) Thí nghiệm

- Nếu P₁ = P₂ thì khi thả tay ra hai vật và ròng rọc đứng yên.

- Nếu P₁ ⊥ P₁ thì khi thả tay ra hai vật chuyển động nhanh dần, ròng rọc cũng quay nhanh dần.

b) Giải thích

- Vì hai vật có trọng lượng khác nhau nên hai nhánh dây tác dụng vào ròng rọc hai lực căng khác nhau nên tổng đại số của hai mômen lực tác dụng vào ròng rọc khác không làm cho ròng rọc quay nhanh dần.

c) Kết luận

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

3. Mức quán tính trong chuyển động quay

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

- Mức quán 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.

III. Bài tập vận dụng chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của vật rắn.

* Bài 1 trang 114 SGK Vật Lý 10: Thế nào là chuyển động tịnh tiến? Cho một ví dụ về chuyển động tịnh tiến thẳng và một ví dụ về chuyển động tịnh tiến cong.

° Lời giải bài 1 trang 114 SGK Vật Lý 10:

◊ Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kì của vật luôn luôn song song với nó.

◊ Ví dụ về:

- Chuyển động tịnh tiến thẳng: Chuyển động của ngăn kéo hộc bàn.

- Chuyển động tịnh tiến cong: Nghế ngồi của đu quay chuyển động tịnh tiến quay.

* Bài 2 trang 114 SGK Vật Lý 10: Có thể áp dụng định luật II Niu–tơn cho chuyển động tịnh tiến được không? Tại sao?

° Lời giải bài 2 trang 114 SGK Vật Lý 10:

- Có thể áp dụng định luật II Niu – tơn cho chuyển động tịnh tiến vì tất cả các điểm của vật đều chuyển động như nhau, đều có cùng một gia tốc.

* Bài 3 trang 114 SGK Vật Lý 10: Momen lực có tác dụng như thế nào đối với một vật quay quanh một trục cố định?

° Lời giải bài 3 trang 114 SGK Vật Lý 10:

- Khi vật rắn quay quanh trục, mọi điểm của vật đều có cùng tốc độ góc ω momen lực tác dụng vào vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật.

* Bài 4 trang 114 SGK Vật Lý 10: Mức quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc những yếu tố nào?

° Lời giải bài 4 trang 114 SGK Vật Lý 10:

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

* Bài 5 trang 114 SGK Vật Lý 10: Một vật có khối lượng m = 40 kg bắt đầu trượt trên sàn nhà dưới tác dụng của một lực nằm ngang F = 200 N. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là µ_t=0,25. Hãy tính:

a) Gia tốc của vật;

b) Vận tốc của vật ở cuối giây thứ ba;

c) Đoạn đường mà vật đi được trong 3 giây đầu. Lấy g = 10 m/s².

° Lời giải bài 5 trang 114 SGK Vật Lý 10:

- Hình minh họa các lực tác dụng lên vật như sau:

a) Chọn trục Ox và Oy như hình vẽ.

- Áp dụng định luật II Niu–tơn, ta có:

  (*)

- Chiếu (*) lên trục Ox, ta được: F_k – F_ms = ma; (1)

- Chiếu (*) lên trục Oy, ta được: N – P = 0; (2)

- Theo trục Oy gia tốc của vật bằng 0 do vật không chuyển động theo phương đó.

- Từ (1) và (2) ta có:

b) Vận tốc của vật ở cuối giây thứ ba:

- Áp dụng công thức: v = v₀ + at = 0 + 2,5.3 = 7,5 (m/s).

c) Đoạn đường mà vật đi được trong 3 giây đầu:

- Áp dụng công thức:  

* Bài 6 trang 115 SGK Vật Lý 10: Một vật có khối lượng m = 4,0 kg chuyển động trên mặt sàn nằm ngang dưới tác dụng của một lực F hợp với hướng chuyển động một góc α = 30^o (Hình 21.6) . Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là μ_t = 0,30. Tính độ lớn của lực để:

a) Vật chuyển động với gia tốc bằng 1,25 m/s².

b) Vật chuyển động thẳng đều. Lấy g = 10 m/s².

° Lời giải bài 6 trang 115 SGK Vật Lý 10:

- Hình minh họa các lực tác dụng lên vật như sau:

- Chọn hệ trục Ox theo hướng chuyển động, Oy vuông góc phương chuyển động.

- Áp dụng định luật II Niu – tơn ta được:

  (*)

- Chiếu (*) lên trục Ox, ta được: Fcosα – F_ms = ma; (1)

- Chiếu (*) lên trục Oy, ta được: Fsinα + N – P = 0 ⇔ N = P - Fsinα; (2)

- Mặt khác, ta có: F_ms = μ_tN = μ_t(P - Fsinα); (3)

- Từ (1), (2) và (3) ta có:

a) Khi a = 1,25(m/s²) thay vào ta được:

b) Khi vật chuyển động thẳng đều thì a = 0.

* Bài 7 trang 115 SGK Vật Lý 10: Một xe ca có khối lượng 1250 kg được dùng để kéo một xe móc có khối lượng 325 kg. Cả hai xe cùng chuyển động với gia tốc 2,15 m/s² . Bỏ qua chuyển động quay của các bánh xe. Hãy xác định:

a) Hợp lực tác dụng lên xe ca;

b) Hợp lực tác dụng lên xe móc.

° Lời giải bài 7 trang 115 SGK Vật Lý 10:

- Hình minh họa các lực tác dụng lên vật như sau:

- Gọi m_A và m _B lần lượt là khối lượng của xe ca và xe moóc

- Chọn trục Ox nằm ngang, chiều dương là chiều chuyển động.

- Áp dụng định luật II - Niu-tơn ta có: 

a) Hợp lực tác dụng lên xe ca (xe A) chính là hợp lực tác dụng lên hệ (A và B).

   F_hl = (m_A + m_B)a = (1250 +325).2,15 = 3386,25(N).

b) Hợp lực tác dụng lên xe moóc (xe B):  F_hl = m_B.a = 325.2,15 = 698,75(N).

* Bài 8 trang 115 SGK Vật Lý 10: Một vật đang quay quanh một trục với tốc độ góc ω = 6,28 rad/s . Nếu bỗng nhiên momen lực tác dụng lên nó đột nhiên mất đi thì

A. Vật dừng lại ngay.

B. Vật đổi chiều quay.

C. Vật quay đều với tốc độ góc ω = 6,28 rad/s.

D. Vật quay chậm dần rồi dừng lại.

Chọn đáp án đúng

° Lời giải bài 8 trang 115 SGK Vật Lý 10:

◊ Chọn đáp án: C. Vật quay đều với tốc độ góc ω = 6,28 rad/s.

- Do có quán tính nên khi mất momen lực vật vẫn sẽ quay tiếp với tốc độ góc như cũ là ω = 6,28 rad/s.

* Bài 9 trang 115 SGK Vật Lý 10: Đối với vật quay quanh một trục cố định, câu nào sau đây là ĐÚNG?

A. Nếu không chịu momen lực tác dụng thì vật phải đứng yên.

B. Khi không còn momen lực tác dụng thì vật đang quay sẽ lập tức dừng lại.

C. Vật quay được là nhờ có momen lực tác dụng lên nó.

D. Khi thấy tốc độ góc của vật quay đổi thì chắc chắn là nó đã có momen lực tác dụng lên vật.

° Lời giải bài 9 trang 115 SGK Vật Lý 10:

◊ Chọn đáp án: D. Khi thấy tốc độ góc của vật quay đổi thì chắc chắn là nó đã có momen lực tác dụng lên vật.

- Vì momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật nên khi thấy tốc độ góc của vật thay đổi thì chắc chắn là đã có momen lực tác dụng lên vật.

* Bài 10 trang 115 SGK Vật Lý 10: Mức quán tính của một vật quay quanh một trục không phụ thuộc vào

A. Khối lượng của vật.

B. Hình dạng và kích thước của vật.

C. Tốc độ góc của vật.

D. Vị trí của trục quay.

Chọn đáp án đúng.

° Lời giải bài 10 trang 115 SGK Vật Lý 10:

◊ Chọn đáp án: C. Tốc độ góc của vật.

- Mức quán tính của một vật quay quanh một trục chỉ phụ thuộc vào: khối lượng của vật, hình dạng và kích thước của vật và vị trí trục quay.