Muc luc
Click để về mục lục

 

21

 

CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN CỦA VẬT RẮN. CHUYỂN QUAY CỦA VẬT RẮN QUANH TRỤC CỐ ĐỊNH  

 

 

 

 1. Kiến thức

  -  Phát biểu được định nghĩa chuyển động tịnh tiến và nêu được ví dụ minh hoạ.

  - Viết được công thức định luật II Niu-tơn cho chuyển động tịnh tiến.

  - Nêu được tác dụng của momen lực đối với một vật rắn quay quanh một trục.

  - Nêu được những yếu tố ảnh hưởng đến momen quán tính của vật.

2. Kỹ năng

  - Áp dụng được định luật II Niu-tơn cho chuyển động tịnh tiến thẳng.

  - Áp dụng được khái niệm momen quán tính để giải thích sự thay đổi chuyển động quay của các vật.

  - Củng cố kĩ năng đo thời gian chuyển động và kĩ năng rút ra kết luận.

  

Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh một trục cố định là hai chuyển động đơn giản nhất của vật rắn. Mọi chuyển động phức tạp của vật rắn đều có thể phân tích thành hai chuyển động nói trên. Có thể nêu một vài ví dụ minh họa:

- Chuyển động của một chiếc đinh vít trong tấm gỗ.

- Chuyển động của cánh cửa khi được mở.

 

- Chuyển động của một vận động viên nhảy cầu.

 

 

I. Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn

 1. Định nghĩa

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

  Trong chuyển động tịnh tiến tất cả các điểm trên vật đều chuyển động như nhau.

Ví dụ: Hình 21.1.

 

 * Trong cơ học, vật rắn là vật có hình dạng và kích thước không thay đổi theo thời gian.

Hình 21.1. Các ghế ngồi trong đu quay chuyển động tịnh tiến

1. Chú ý có chuyển động tịnh tiến thẳng và cong (hoặc tròn). Các em hãy lấy ví dụ để phân biệt 2 loại chuyển động tịnh tiến?

 

 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:  hay

 Trong đó 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 vuông góc với với hướng chuyển động rồi chiếu phương trình véc tơ lên hai trục toạ độ đó để có phương trình đại số.

  Ox : F1x + F2x + … + Fnx = ma

  Oy : F1y + F2y + … + Fny = 0

2. Do đó ta chỉ cần xét chuyển động một điểm trên vật và có thể coi vật như một chất điểm. Hãy viết biểu thức xác định gia tốc của chuyển động tịnh tiến theo định luật II Niu-tơn? Nhận xét gì về tính chất chuyển động của các điểm trên một vật rắn chuyển động tịnh tiến?

 

 

II - CHUYỂN ĐỘNG QUAY CỦA VẬT RẮN QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH

1. Đặc điểm của chuyển động quay. Tốc độ góc

  a) Khi một vật rắn quay quanh một trục cố định thì tất cả các điểm trên vât rắn đều quay với vận tốc góc ω (Video 21.1).

  b) Vật quay đều thì  ω = const (hằng số), vật quay nhanh dần thì  ω tăng, vật quay chậm dần thì  ω giảm.

3. Nhận xét về tốc độ góc  w của các điểm trên vật (Video 21.1)? Vậy w có giá trị như thế nào nếu vật quay đều? Quay nhanh dần? Chậm dần?

Video 21.1

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

  a) Thí nghiệm

Thực hiện thí nghiệm như Video 21.2.

 

 

  b) Giải thích

Vì P1 = P2 (m1 = m2) thì T1 = T2  suy ra M1 = M1 (ròng rọc đứng yên).

Khi P1 > P2 (m1 > m2) thì T1 > T2  suy ra M1 > M1 (ròng rọc quay theo chiều vật m1 đi xuống).

  c) Kết luận

 Momen 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

 

Quan sát Video thí nghiệm 21.3, 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   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.

 

4. Xét tác dụng làm quay của các lực tác dụng lên ròng rọc, so sánh mômen của hai lực căng dây tác dụng lên ròng rọc? Giải thích hiện tượng thí nghiệm. Kết luận về tác dụng của mômen lực đối với vật quay quanh một trục? (Video 21.2)

Video 21.2. Mô phỏng thí nghiệm

5. Kết luận gì về các yếu tố ảnh hưởng đến mức quán tính của một vật trong chuyển động quay?

(Video 21.3,4)

Video 21.3. Ròng rọc bên phải có khối lượng lới hơn

Video 21.4

 

Hình 21.2. Khối lượng phân bố chủ yếu ở vành ngoài

6. Có ứng dụng thực tế nào từ kiến thức bài học này?

 

4. Vận dụng

Người ta kéo một cái thùng có khối lượng 55 kg theo phương ngang với lực 220 N không đổi làm thùng chuyển động  trên mặt phẳng ngang. Hệ số ma sát trượt giữa thùng và mặt phẳng là 0,35. Lấy g = 9,8 m/s2.

a, Tính trọng lượng của thùng?

b, Tính phản lực của mặt phẳng ngang lên thùng và áp lực của thùng xuống mặt phẳng ngang?

c, Tính lực ma sát?

d, Tính gia tốc của thùng?

e, Quãng đường thùng trượt được sau 5 giây đầu?

Tóm tắt:

Cho biết:

m = 55kg;

F = 220N;

μt = 0,35 ;

g = 9,8 m/s2;

t = 5s

Tính:

a, P = ?(N)

b, Q = ?(N); N = ?(N)

c, F­mst = ?(N)

d, a = ?(m/s2)

e, s = ?(m)

Giải:

 

 

 

 

Gốc toạ độ 0: tại vị trí thùng bắt đầu trượt (x0 = 0, v0 = 0).

Chiều dương trục Ox trùng chiều chuyển động của thùng(v > 0, F > 0).

Chiều dương trục Oy trùng chiều vectơ phản lực của mặt phẳng ngang lên thùng(Q > 0).

Chọn mốc thời gian lúc thùng bắt đầu trượt (t0 = 0)

Các lực tác dụng lên thùng khi trượt: P, Q, Fmst, F.

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

Chiếu phương trình trên lên hệ trục toạ độ Oxy:

-          Ox: ma = - F­mst + F        (1)

-          Oy:    0 = Q – P              (2)

a, Trọng lượng của thùng là P = mg = 55.9,8 = 539 (N). 

b, Từ (2) Þ Phản lực của mặt phẳng ngang lên thùng là Q = P = 539 (N).

Theo định luật III Niu - tơn:

 Þ Áp lực (về độ lớn) của thùng xuống mặt phẳng ngang là N = Q = 539 (N).

c, Lực ma sát (về độ lớn) là Fmst = μt. N = 0,35. 539 = 188,65 (N).

Từ (1) Þ Gia tốc của thùng là

Quãng đường thùng trượt được sau 5 giây đầu là s = vot + at2 = .0,57.52 = 7,125 (m).

 

 

 

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

Gia tốc của chuyển động tịnh tiến được xác định bằng định luật II Niu-tơn:

 hay

trong đó  là hợp lực tác dụng lên vật, m là khối lượng của nó.

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 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.

 

Câu 1. Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là gì? Cho 1 ví dụ?

Câu 2. Cho ví dụ về chuyển động quay. Tác dụng của mômen lực đối với một vật chuyển động quay, mức quán tính trong chuyển động quay?

 

 

 

21.1. Một thanh cứng có khối lượng có thể quay trong mặt phẳng nằm ngang xung quanh một trục thẳng đứng đi qua trung điểm Ocủa thanh. Trên thanh có gắn hai hình trụ giống nhau nhưng ở những vị trí khác nhau như hình 21.1. Hỏi trong trường hợp nào vật (bao gồm thanh và hai hình trụ) có mức quán tính đối với trục quay là bé nhất?

A. Hình 21.1a.          C. HÌnh 21.1c.

B. HÌnh 21.1b.          D. Hình 21.1d.

21.2. Một ô tô có khối lượng 1600 kg đang chuyển động thì bị hãm phanh với lực hãm bằng 600N. Hỏi độ lớn và hướng của vectơ gia tốc mà lực này gây ra cho xe?

21.3. Một xe tải không chở hàng đang chạy trên đường. Nếu người lái xe hãm phanh thì xe trượt đi một đoạn đường s thì dừng lại.

a) Nếu xe chở hàng có khối lượng bằng khối lượng của xe thì đoạn đường trượt bằng bao nhiêu ?

b) Nếu tồc độ của xe chỉ bằng một nửa lúc đầu thì đoạn đường  trượt bằng bao nhiêu?

21.4. Một vật có khối lượng 1,0 kg đang nằm yên trên sàn nhà. Người ta kéo vật bằng một lực nằm ngang làm nó đi được 80 cm trong 2s. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là 0,30. Lấy g = 9,8 m/s2.

a) Tính lực kéo.

b) Sau quãng đường ấy , lực kéo phải bằng bao nhiêu để vật chuyển động thẳng đều?

21.5. Một người kéo một cái hòm có khối lượng 32 kg trên nền nhà bằng một sợi dây chếch 300 so với phương ngang. Lực kéo dây là 120 N. Hòm chuyển động thẳng với gia tốc 1,2 m/s2 . Tính hệ số ma sát trượt giữa hòm và nền nhà.

21.6. Một vật trượt từ trạng thái nghỉ xuống mặt phẳng nghiêng với góc nghiêng  so với phương ngang.

a) Nếu bỏ qua ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng thì vật trượt được 2,45 m trong giây đầu tiên. Tính góc . Lấy g = 9,8 m/s2.

b) Nếu hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là 0,27 thì trong giây đầu tiên vật trượt được một đoạn đường bằng bao nhiêu?

21.7. Hai người kéo một chiếc thuyền dọc theo một con kênh. Mỗi người kéo bằng một lực F1 = F2 = 600 N theo hướng làm với hướng chuyển động của thuyền một góc 300 (H.21.2). Thuyền chuyển động với vận tốc không đổi. Hãy tìm lực cản F3 của nước tác dụng vào thuyền.

 

 

 

 

 

BÁNH ĐÀ

 

(cg. vô lăng), bánh quay có khối lượng lớn, năng lượng quán tính quay lớn. Khi máy làm việc, nếu gặp lực cản biến đổi đột ngột lớn lên thì năng lượng quán tính sẽ là đà hỗ trợ máy phát động lực vượt qua; nếu lực cản biến đổi bé đi, BĐ sẽ tích luỹ năng lượng thừa của máy phát động lực. BĐ được dùng trong các động cơ pít tông, máy nén khí, máy bơm, máy đột dập, đó là những máy mà trục chính thường có mômen quay không đều nên cần dùng BĐ để làm cho máy chuyển động đều theo nguyên lí nêu ở trên. Trước khi dùng BĐ, phải bảo đảm BĐ và trục động cơ được cân bằng động, bảo đảm trọng tâm chung của hệ không chuyển động khi hệ quay. BĐ còn có tác dụng khởi động động cơ dễ dàng và bảo đảm cho động cơ vẫn chạy ở số vòng quay bé hoặc dẫn động công suất nhỏ.  

(Nguồn https://www.bachkhoatoanthu.gov.vn)

Bánh đà xe mô tô (Ảnh: https://www.otosaigon.com/forum/m1851011.aspx)