Bài 13: Tổng hợp và phân tích lực. Cân bằng lực – Lý thuyết

Phân tích lực theo hai trục

I. Tổng hợp lực – Hợp lực

1. Khái niệm

Tổng hợp lực là phép thay thế nhiều lực tác dụng đồng thời vào cùng một vật bằng một lực duy nhất có tác dụng giống hệt tập hợp các lực ban đầu. Lực thay thế đó gọi là hợp lực.

Về mặt toán học, hợp lực được xác định bằng phép cộng vectơ:

$$\vec{F} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \vec{F_3} + … \tag{13.1}$$

⚠ Lưu ý quan trọng: Độ lớn hợp lực KHÔNG bằng tổng đại số các độ lớn lực thành phần (trừ trường hợp các lực cùng phương cùng chiều). Đây là sai lầm rất phổ biến.

Ví dụ tổng hợp lực (hai anh em đẩy thùng hàng → bố đẩy một mình) (Ảnh Sách KNTT)
Ví dụ tổng hợp lực (hai anh em đẩy thùng hàng → bố đẩy một mình) (Ảnh Sách KNTT)

2. Tổng hợp hai lực cùng phương

a) Hai lực cùng phương, cùng chiều:

Hợp lực cùng chiều với hai lực thành phần, có độ lớn bằng tổng:

$$F = F_1 + F_2$$

b) Hai lực cùng phương, ngược chiều:

Hợp lực cùng chiều với lực có độ lớn lớn hơn, có độ lớn bằng hiệu:

$$F = |F_1 – F_2|$$

Tổng hợp hai lực cùng phương (a: cùng chiều 5N+3N=8N; b: ngược chiều 5N−3N=2N) (Ảnh Sách KNTT)
Tổng hợp hai lực cùng phương (a: cùng chiều 5N+3N=8N; b: ngược chiều 5N−3N=2N) (Ảnh Sách KNTT)

3. Tổng hợp hai lực đồng quy – Quy tắc hình bình hành

Khi hai lực không cùng phương nhưng có giá cắt nhau tại một điểm (gọi là hai lực đồng quy), ta dùng quy tắc hình bình hành để tìm hợp lực:

Các bước thực hiện:

  • Bước 1: Vẽ hai vectơ $\vec{F_1}$ và $\vec{F_2}$ đồng quy tại O.
  • Bước 2: Dựng hình bình hành có hai cạnh liền kề trùng với $\vec{F_1}$ và $\vec{F_2}$.
  • Bước 3: Đường chéo hình bình hành xuất phát từ O chính là vectơ hợp lực $\vec{F}$.

Công thức tính độ lớn hợp lực khi hai lực hợp góc $\alpha$:

$$F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2F_1 F_2 \cos\alpha} \tag{*}$$

Các trường hợp đặc biệt:

Góc $\alpha$ Công thức Ghi chú
$\alpha = 0°$ (cùng chiều) $F = F_1 + F_2$ $F$ lớn nhất
$\alpha = 180°$ (ngược chiều) $F = |F_1 – F_2|$ $F$ nhỏ nhất
$\alpha = 90°$ (vuông góc) $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}$
$\alpha = 60°$ $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + F_1 F_2}$ Nếu $F_1 = F_2$: $F = F_1\sqrt{3}$
$\alpha = 120°$ $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 – F_1 F_2}$ Nếu $F_1 = F_2$: $F = F_1$

Trường hợp đặc biệt $F_1 = F_2$: Hợp lực nằm trên phân giác của góc hợp bởi hai lực:

$$F = 2F_1 \cos\frac{\alpha}{2}$$

Quy tắc hình bình hành (Ảnh Sách KNTT)
Quy tắc hình bình hành (Ảnh Sách KNTT)

4. Giới hạn độ lớn của hợp lực

Hợp lực của hai lực bất kì luôn thỏa mãn:

$$|F_1 – F_2| \leq F \leq F_1 + F_2$$

  • $F = F_1 + F_2$ khi $\alpha = 0°$ (cùng chiều)
  • $F = |F_1 – F_2|$ khi $\alpha = 180°$ (ngược chiều)

Bất đẳng thức này rất hữu ích để kiểm tra nhanh đáp án hoặc loại trừ các phương án sai trong trắc nghiệm.

Ví dụ: Hai lực có độ lớn 7 N và 13 N → hợp lực nằm trong khoảng $|13-7| \leq F \leq 13+7$ tức $6 \leq F \leq 20$. Vậy giá trị 22 N là không thể có.

II. Các lực cân bằng và không cân bằng

1. Các lực cân bằng

Khi vật đứng yên (hoặc chuyển động thẳng đều) dưới tác dụng của nhiều lực, tổng hợp các lực tác dụng lên vật bằng vectơ không. Ta nói các lực đó cân bằng nhau và vật ở trạng thái cân bằng:

$$\vec{F} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \vec{F_3} + … = \vec{0} \tag{13.2}$$

Trường hợp hai lực cân bằng: Hai lực phải cùng giá (cùng phương), ngược chiềucùng độ lớn (hai lực trực đối).

Trường hợp ba lực cân bằng: Hợp lực của hai lực bất kì trong ba lực phải cùng giá, ngược chiều và cùng độ lớn với lực thứ ba. Ba lực phải đồng phẳngđồng quy.

Hai lực cân bằng (3N + 3N ngược chiều) (Ảnh Sách KNTT)
Hai lực cân bằng (3N + 3N ngược chiều) (Ảnh Sách KNTT)

2. Các lực không cân bằng

Khi hợp lực khác không ($\vec{F} \ne \vec{0}$), các lực tác dụng lên vật là không cân bằng. Hợp lực này làm thay đổi vận tốc (độ lớn hoặc hướng hoặc cả hai) của vật.

Theo Định luật II Newton: $\vec{F} = m\vec{a}$, vectơ gia tốc của vật luôn cùng phương, cùng chiều với hợp lực.

Ví dụ: Ô tô chịu lực $F_1 = 400$ N hướng trước và $F_2 = 300$ N hướng sau → Hợp lực $F = 400 – 300 = 100$ N hướng về phía trước.

Các tình huống cân bằng/không cân bằng (Ảnh Sách KNTT)
Các tình huống cân bằng/không cân bằng (Ảnh Sách KNTT)

III. Phân tích lực

1. Khái niệm

Phân tích lực là phép thay thế một lực bằng hai lực thành phần có tác dụng giống hệt lực ban đầu. Đây là phép ngược lại với tổng hợp lực.

2. Quy tắc phân tích

Thông thường, người ta phân tích một lực thành hai lực vuông góc với nhau, sao cho mỗi lực thành phần không có tác dụng theo phương của lực thành phần kia.

⚠ Chú ý: Chỉ khi xác định rõ một lực có tác dụng đồng thời theo hai phương vuông góc cụ thể nào thì mới được phân tích theo hai phương đó. Không được phân tích lực một cách tùy ý.

3. Ví dụ điển hình: Vật trên mặt phẳng nghiêng

Xét vật trượt trên mặt phẳng nghiêng nhẵn, góc nghiêng $\alpha$. Trọng lực $\vec{P}$ có hai tác dụng: ép vật vào mặt nghiêng và kéo vật trượt xuống dốc. Phân tích $\vec{P}$ theo hai phương:

$$\vec{P} = \vec{P_1} + \vec{P_2}$$

Trong đó:

  • $\vec{P_1}$: thành phần song song với mặt nghiêng (kéo vật xuống dốc): $P_1 = P\sin\alpha$
  • $\vec{P_2}$: thành phần vuông góc với mặt nghiêng (ép vật vào mặt dốc): $P_2 = P\cos\alpha$

⚠ Lưu ý: $\vec{P_1}$ luôn đóng vai trò kéo vật xuống dốc (không phải kéo vật lên dốc).

Phân tích lực theo hai trục
Phân tích lực theo hai trục
Hình 13.9 – Vật trên mặt phẳng nghiêng; Hình 13.10 – Vật giữ bởi lò xo trên mặt nghiêng
Hình 13.9 – Vật trên mặt phẳng nghiêng; Hình 13.10 – Vật giữ bởi lò xo trên mặt nghiêng

Phương pháp giải các dạng bài tập

Toàn bộ các dạng dưới đây chỉ dùng ba công cụ của bài học: quy tắc hình bình hành, phép phân tích lực theo hai phương vuông gócđiều kiện cân bằng $\vec{F_1} + \vec{F_2} + \dots = \vec{0}$.

Công thức Điều kiện áp dụng
$F = F_1 + F_2$ Hai lực cùng phương, cùng chiều
$F = \left\lvert F_1 – F_2 \right\rvert$ Hai lực cùng phương, ngược chiều
$F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2\,F_1\,F_2\,\cos\alpha}$ Hai lực đồng quy, hợp với nhau góc $\alpha$
$F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}$ Hai lực đồng quy vuông góc
$F_x = F\,\cos\alpha$; $F_y = F\,\sin\alpha$ Phân tích một lực theo hai phương vuông góc, $\alpha$ là góc giữa $\vec{F}$ và phương Ox

Lưu ý dùng chung: Lực là đại lượng vectơ, nên không được cộng độ lớn của các lực như cộng số thường, trừ khi chúng cùng phương cùng chiều. Đây là sai lầm phổ biến nhất của cả chương.

Dạng 1: Tổng hợp hai lực đồng quy

Phương pháp giải

Bước 1: Kiểm tra hai lực đã đồng quy chưa. Nếu chưa, tịnh tiến hai vectơ lực trên giá của chúng về cùng một điểm đặt.

Bước 2: Xác định góc $\alpha$ giữa hai vectơ lực. Chú ý $\alpha$ là góc giữa hai vectơ khi cùng xuất phát từ một điểm, không phải góc bất kì nhìn thấy trên hình.

Bước 3: Tính độ lớn hợp lực bằng công thức chung, hoặc dùng luôn trường hợp đặc biệt nếu có:

$$F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2\,F_1\,F_2\,\cos\alpha}$$

Góc $\alpha$ Độ lớn hợp lực Ghi chú
$0^\circ$ $F = F_1 + F_2$ Hợp lực lớn nhất
$60^\circ$ $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + F_1\,F_2}$ Nếu $F_1 = F_2$ thì $F = F_1\sqrt{3}$
$90^\circ$ $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}$ Dùng định lí Pythagore
$120^\circ$ $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 – F_1\,F_2}$ Nếu $F_1 = F_2$ thì $F = F_1$
$180^\circ$ $F = \left\lvert F_1 – F_2 \right\rvert$ Hợp lực nhỏ nhất

Bước 4: Xác định hướng của hợp lực. Ở mức lớp 10 chỉ cần xét hai trường hợp quen thuộc:

  • Hai lực vuông góc: góc $\beta$ giữa $\vec{F}$ và $\vec{F_1}$ tính bằng $\tan\beta = \dfrac{F_2}{F_1}$.
  • Hai lực bằng nhau ($F_1 = F_2$): hợp lực nằm trên đường phân giác của góc giữa hai lực, độ lớn $F = 2\,F_1\,\cos\dfrac{\alpha}{2}$.

Với các góc khác, chỉ cần vẽ đúng hình bình hành và mô tả hướng của hợp lực, không cần tính góc chính xác.

Cách kiểm tra nhanh kết quả: Hợp lực của hai lực bất kì luôn thoả mãn $$\left\lvert F_1 – F_2 \right\rvert \leq F \leq F_1 + F_2$$ Nếu tính ra một giá trị nằm ngoài khoảng này thì chắc chắn sai. Trong trắc nghiệm, bất đẳng thức này giúp loại phương án rất nhanh.

Hình minh hoạ quy tắc hình bình hành
Hình minh hoạ quy tắc hình bình hành

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Hai lực đồng quy $\vec{F_1}$ và $\vec{F_2}$ có độ lớn lần lượt là $6\,\text{N}$ và $8\,\text{N}$. Tính độ lớn hợp lực và nêu hướng của nó trong các trường hợp góc giữa hai lực là:

a) $\alpha = 0^\circ$; b) $\alpha = 180^\circ$; c) $\alpha = 90^\circ$.

Lời giải

Câu a. Hai lực cùng chiều

$$F = F_1 + F_2 = 6 + 8 = 14\,\text{N}$$

Hợp lực cùng hướng với hai lực thành phần.

Câu b. Hai lực ngược chiều

$$F = \left\lvert F_1 – F_2 \right\rvert = \left\lvert 6 – 8 \right\rvert = 2\,\text{N}$$

Hợp lực cùng hướng với $\vec{F_2}$, là lực có độ lớn lớn hơn.

Câu c. Hai lực vuông góc

$$F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2} = \sqrt{6^2 + 8^2} = \sqrt{36 + 64} = \sqrt{100} = 10\,\text{N}$$

Hướng của hợp lực xác định qua góc $\beta$ hợp với $\vec{F_1}$:

$$\tan\beta = \frac{F_2}{F_1} = \frac{8}{6} \approx 1{,}33 \quad\Rightarrow\quad \beta \approx 53^\circ$$

Kết luận: $F = 14\,\text{N}$; $F = 2\,\text{N}$; $F = 10\,\text{N}$ và lệch khoảng $53^\circ$ so với $\vec{F_1}$.

Nhận xét: Cả ba kết quả đều nằm trong khoảng $2\,\text{N} \leq F \leq 14\,\text{N}$, đúng như bất đẳng thức kiểm tra.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Hai lực đồng quy có cùng độ lớn $F_1 = F_2 = 20\,\text{N}$ và hợp với nhau một góc $\alpha = 120^\circ$. Tính độ lớn hợp lực và cho biết phương của nó.

Lời giải

Vì hai lực có độ lớn bằng nhau, áp dụng công thức cho trường hợp này:

$$F = 2\,F_1\,\cos\frac{\alpha}{2} = 2 \times 20 \times \cos 60^\circ = 40 \times 0{,}5 = 20\,\text{N}$$

Kiểm tra bằng công thức chung:

$$F = \sqrt{20^2 + 20^2 + 2 \times 20 \times 20 \times \cos 120^\circ} = \sqrt{400 + 400 – 400} = \sqrt{400} = 20\,\text{N}$$

Kết luận: Hợp lực có độ lớn $20\,\text{N}$, nằm trên đường phân giác của góc giữa hai lực.

Nhận xét: Đây là trường hợp đặc biệt đáng nhớ: hai lực bằng nhau hợp góc $120^\circ$ thì hợp lực có độ lớn đúng bằng mỗi lực thành phần.

Dạng 2: Tổng hợp từ ba lực trở lên

Phương pháp giải

Quy tắc hình bình hành chỉ tổng hợp được hai lực một lần. Với nhiều lực, ta tổng hợp lần lượt từng đôi một, và nên chọn thứ tự sao cho phép tính đơn giản nhất.

Bước 1: Gom trước các lực cùng phương với nhau, vì đây là phép tính dễ nhất (cùng chiều thì cộng, ngược chiều thì trừ).

Bước 2: Tổng hợp hai lực đầu tiên bằng quy tắc hình bình hành để được $\vec{F_{12}}$.

Bước 3: Tiếp tục tổng hợp $\vec{F_{12}}$ với lực thứ ba để được $\vec{F_{123}}$, và cứ thế cho đến hết:

$$\vec{F} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \vec{F_3} + \dots$$

Bước 4: Kết luận độ lớn và hướng của hợp lực cuối cùng.

Mẹo chọn thứ tự: Nếu trong đề có các cặp lực cùng phương ngược chiều (ví dụ Đông – Tây, Nam – Bắc, lên – xuống), hãy gom từng cặp trước. Sau khi gom, thường chỉ còn lại hai lực vuông góc, và bài toán trở về Dạng 1.

Bài tập mẫu

Đề bài: Một vật chịu tác dụng đồng thời của bốn lực đồng phẳng, đồng quy: $F_1 = 10\,\text{N}$ hướng Đông, $F_2 = 20\,\text{N}$ hướng Nam, $F_3 = 22\,\text{N}$ hướng Tây, $F_4 = 36\,\text{N}$ hướng Bắc. Xác định hợp lực tác dụng lên vật.

Lời giải

Bước 1. Gom cặp lực theo phương Đông – Tây

Hai lực $\vec{F_1}$ (Đông) và $\vec{F_3}$ (Tây) cùng phương, ngược chiều:

$$F_{13} = \left\lvert F_1 – F_3 \right\rvert = \left\lvert 10 – 22 \right\rvert = 12\,\text{N}$$

Vì $F_3 > F_1$ nên $\vec{F_{13}}$ hướng về phía Tây.

Bước 2. Gom cặp lực theo phương Nam – Bắc

Hai lực $\vec{F_2}$ (Nam) và $\vec{F_4}$ (Bắc) cùng phương, ngược chiều:

$$F_{24} = \left\lvert F_2 – F_4 \right\rvert = \left\lvert 20 – 36 \right\rvert = 16\,\text{N}$$

Vì $F_4 > F_2$ nên $\vec{F_{24}}$ hướng về phía Bắc.

Bước 3. Tổng hợp hai lực còn lại

Hai lực $\vec{F_{13}}$ (hướng Tây) và $\vec{F_{24}}$ (hướng Bắc) vuông góc với nhau:

$$F = \sqrt{F_{13}^2 + F_{24}^2} = \sqrt{12^2 + 16^2} = \sqrt{144 + 256} = \sqrt{400} = 20\,\text{N}$$

Bước 4. Xác định hướng

Gọi $\theta$ là góc giữa hợp lực và hướng Bắc:

$$\tan\theta = \frac{F_{13}}{F_{24}} = \frac{12}{16} = 0{,}75 \quad\Rightarrow\quad \theta \approx 37^\circ$$

Kết luận: Hợp lực có độ lớn $20\,\text{N}$, hướng Tây Bắc, lệch khoảng $37^\circ$ so với hướng Bắc về phía Tây.

Dạng 3: Phân tích một lực theo hai phương vuông góc

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định hai phương vuông góc mà lực thực sự gây ra tác dụng. Không được chọn tuỳ ý:

Tình huống Hai phương phân tích
Vật trên mặt phẳng nghiêng Song song và vuông góc với mặt nghiêng
Lực kéo (hoặc đẩy) xiên trên mặt ngang Phương ngang và phương thẳng đứng

Bước 2: Dựng hình chữ nhật có đường chéo là vectơ lực cần phân tích, hai cạnh nằm trên hai phương đã chọn.

Bước 3: Dùng hệ thức lượng trong tam giác vuông để tính độ lớn hai thành phần, với $\alpha$ là góc giữa $\vec{F}$ và phương Ox:

$$F_x = F\,\cos\alpha \qquad F_y = F\,\sin\alpha$$

Công thức riêng cho mặt phẳng nghiêng góc $\alpha$:

$$P_1 = P\,\sin\alpha \quad (\text{song song mặt nghiêng, kéo vật xuống dốc})$$

$$P_2 = P\,\cos\alpha \quad (\text{vuông góc mặt nghiêng, ép vật vào mặt dốc})$$

Cách nhớ để không nhầm sin với cos: Góc nghiêng $\alpha$ càng lớn thì vật càng dễ trượt xuống, tức thành phần kéo xuống dốc $P_1$ càng lớn. Mà $\sin\alpha$ tăng theo $\alpha$, nên $P_1$ phải đi với $\sin\alpha$. Kiểm tra lại với $\alpha = 0^\circ$ (mặt phẳng ngang): $P_1 = 0$ và $P_2 = P$, hoàn toàn hợp lí.

Hình phân tích trọng lực của vật trên mặt phẳng nghiêng
Hình phân tích trọng lực của vật trên mặt phẳng nghiêng

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Một vật có trọng lượng $P = 10\,\text{N}$ nằm yên trên mặt phẳng nghiêng góc $\alpha = 30^\circ$ so với phương ngang, nhờ một sợi dây song song với mặt nghiêng giữ lại. Bỏ qua ma sát.

a) Phân tích trọng lực thành hai thành phần theo phương song song và vuông góc với mặt nghiêng.

b) Tính lực căng của dây và áp lực của vật lên mặt nghiêng.

Lời giải

Câu a. Phân tích trọng lực

Thành phần song song với mặt nghiêng (kéo vật xuống dốc):

$$P_1 = P\,\sin\alpha = 10 \times \sin 30^\circ = 10 \times 0{,}5 = 5\,\text{N}$$

Thành phần vuông góc với mặt nghiêng (ép vật vào mặt dốc):

$$P_2 = P\,\cos\alpha = 10 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 5\sqrt{3} \approx 8{,}66\,\text{N}$$

Câu b. Áp dụng điều kiện cân bằng

Vật nằm yên nên tổng các lực tác dụng lên vật bằng vectơ không. Chọn hệ trục có Ox song song với mặt nghiêng, Oy vuông góc với mặt nghiêng.

Theo phương song song mặt nghiêng, lực căng dây cân bằng với thành phần $\vec{P_1}$:

$$T = P_1 = 5\,\text{N}$$

Theo phương vuông góc mặt nghiêng, phản lực của mặt nghiêng cân bằng với thành phần $\vec{P_2}$:

$$N = P_2 = 5\sqrt{3} \approx 8{,}66\,\text{N}$$

Áp lực của vật lên mặt nghiêng có độ lớn bằng phản lực:

$$N’ = N \approx 8{,}66\,\text{N}$$

Kết luận: Lực căng dây $T = 5\,\text{N}$; áp lực của vật lên mặt nghiêng khoảng $8{,}66\,\text{N}$.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Một người kéo một chiếc vali trên sàn nằm ngang bằng một lực $F = 50\,\text{N}$, cán vali hợp với phương ngang một góc $\alpha = 30^\circ$. Phân tích lực kéo thành hai thành phần và nêu tác dụng của mỗi thành phần.

Lời giải

Chọn Ox nằm ngang theo chiều chuyển động, Oy thẳng đứng hướng lên.

Thành phần nằm ngang:

$$F_x = F\,\cos\alpha = 50 \times \cos 30^\circ = 50 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 25\sqrt{3} \approx 43{,}3\,\text{N}$$

Thành phần thẳng đứng:

$$F_y = F\,\sin\alpha = 50 \times \sin 30^\circ = 50 \times 0{,}5 = 25\,\text{N}$$

Kết luận: Thành phần $F_x \approx 43{,}3\,\text{N}$ có tác dụng kéo vali đi tới; thành phần $F_y = 25\,\text{N}$ có tác dụng nâng vali lên, làm giảm áp lực của vali lên sàn.

Nhận xét: Góc $\alpha$ càng nhỏ thì $F_x$ càng lớn, kéo càng hiệu quả. Đó là lí do người ta thường hạ thấp cán vali khi muốn kéo nhanh.

Dạng 4: Điều kiện cân bằng của vật chịu ba lực

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định và vẽ đầy đủ các lực tác dụng lên vật. Ghi nhớ hướng của từng loại lực:

Lực Hướng
Trọng lực $\vec{P}$ Thẳng đứng, hướng xuống
Lực căng dây $\vec{T}$ Dọc theo dây, hướng về phía điểm treo
Phản lực $\vec{N}$ của mặt tiếp xúc Vuông góc với mặt tiếp xúc, hướng ra ngoài

Bước 2: Viết điều kiện cân bằng:

$$\vec{P} + \vec{T} + \vec{N} = \vec{0}$$

Bước 3: Chọn một trong hai cách giải:

  • Cách 1 – Chiếu lên hai trục: Chọn hệ trục Oxy, thường lấy Ox nằm ngang và Oy thẳng đứng. Lực nào xiên thì phân tích thành hai thành phần theo Dạng 3. Sau đó viết điều kiện cân bằng riêng cho từng phương: tổng các lực theo Ox bằng 0, tổng các lực theo Oy bằng 0.
  • Cách 2 – Tam giác lực: Vì ba lực cân bằng nên ba vectơ lực nối tiếp nhau tạo thành một tam giác khép kín. Dùng hệ thức lượng trong tam giác vuông đó để tính.

Bước 4: Giải hệ và kết luận.

Hai kết quả nên nhớ:

  • Vật treo bằng một sợi dây thẳng đứng: $T = P$.
  • Vật treo bằng hai dây đối xứng hợp với nhau góc $2\beta$: $T = \dfrac{P}{2\,\cos\beta}$.
Hình vật được treo bởi dây xiên và thanh chống nằm ngang
Hình vật được treo bởi dây xiên và thanh chống nằm ngang

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Một vật có trọng lượng $P = 25\,\text{N}$ được treo tại điểm C bằng hai sợi dây: dây CB nằm ngang gắn vào tường, dây CA hợp với dây CB một góc $\alpha = 30^\circ$. Xác định lực căng của hai dây.

Lời giải

Bước 1. Các lực tác dụng tại điểm C

Điểm C chịu ba lực: trọng lực $\vec{P}$ hướng xuống, lực căng $\vec{T_A}$ dọc dây CA hướng lên chếch, lực căng $\vec{T_B}$ dọc dây CB nằm ngang.

Bước 2. Phân tích lực căng dây CA

Chọn Ox nằm ngang, Oy thẳng đứng hướng lên. Vì $\vec{T_A}$ hợp với phương ngang góc $30^\circ$:

$$T_{Ax} = T_A\,\cos 30^\circ = \frac{T_A\sqrt{3}}{2} \qquad T_{Ay} = T_A\,\sin 30^\circ = \frac{T_A}{2}$$

Bước 3. Viết điều kiện cân bằng theo từng phương

Theo phương thẳng đứng, thành phần thẳng đứng của $\vec{T_A}$ cân bằng với trọng lực:

$$\frac{T_A}{2} = P = 25 \quad\Rightarrow\quad T_A = 50\,\text{N}$$

Theo phương ngang, lực căng dây CB cân bằng với thành phần nằm ngang của $\vec{T_A}$:

$$T_B = \frac{T_A\sqrt{3}}{2} = \frac{50\sqrt{3}}{2} = 25\sqrt{3} \approx 43{,}3\,\text{N}$$

Kết luận: $T_A = 50\,\text{N}$ và $T_B = 25\sqrt{3} \approx 43{,}3\,\text{N}$.

Nhận xét: Lực căng dây lớn hơn hẳn trọng lượng của vật. Góc $\alpha$ càng nhỏ, tức dây CA càng gần nằm ngang, thì lực căng hai dây càng lớn. Đó là lí do không ai căng dây phơi đồ thật thẳng.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Một chiếc đèn có trọng lượng $P = 40\,\text{N}$ được treo vào tường nhờ dây BA và thanh chống BC nằm ngang. Dây BA hợp với tường một góc $\alpha = 30^\circ$. Bỏ qua trọng lượng của thanh chống. Tính lực căng của dây và phản lực của thanh chống.

Lời giải

Bước 1. Các lực tác dụng tại điểm B

Điểm B chịu ba lực cân bằng: trọng lực của đèn $\vec{P}$ hướng xuống, lực căng dây $\vec{T}$ dọc theo BA, phản lực $\vec{N}$ của thanh chống theo phương ngang.

$$\vec{P} + \vec{T} + \vec{N} = \vec{0}$$

Bước 2. Dùng tam giác lực

Ba vectơ lực tạo thành một tam giác vuông khép kín, trong đó $\vec{T}$ là cạnh huyền và hợp với phương thẳng đứng (phương của tường) góc $\alpha = 30^\circ$.

Từ hệ thức lượng trong tam giác vuông:

$$\cos\alpha = \frac{P}{T} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{P}{\cos\alpha} = \frac{40}{\cos 30^\circ} = \frac{40}{\dfrac{\sqrt{3}}{2}} = \frac{80}{\sqrt{3}} \approx 46{,}2\,\text{N}$$

$$\tan\alpha = \frac{N}{P} \quad\Rightarrow\quad N = P\,\tan\alpha = 40 \times \tan 30^\circ = \frac{40}{\sqrt{3}} \approx 23{,}1\,\text{N}$$

Kết luận: Lực căng dây $T \approx 46{,}2\,\text{N}$; phản lực của thanh chống $N \approx 23{,}1\,\text{N}$.

Kiểm tra lại bằng cách chiếu: Thành phần thẳng đứng của $\vec{T}$ là $T\,\cos 30^\circ = 46{,}2 \times 0{,}866 \approx 40\,\text{N}$, đúng bằng $P$. Thành phần nằm ngang là $T\,\sin 30^\circ = 46{,}2 \times 0{,}5 \approx 23{,}1\,\text{N}$, đúng bằng $N$.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo đề bài

Đề bài cho Cần tìm Cách làm Dạng
Hai lực và góc $\alpha$ giữa chúng Độ lớn hợp lực $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2\,F_1\,F_2\,\cos\alpha}$ 1
Hai lực vuông góc Độ lớn và hướng hợp lực $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}$; $\tan\beta = \dfrac{F_2}{F_1}$ 1
Hai lực bằng nhau, góc $\alpha$ Hợp lực $F = 2\,F_1\,\cos\dfrac{\alpha}{2}$, nằm trên phân giác 1
Ba lực trở lên Hợp lực Gom cặp cùng phương trước, rồi tổng hợp từng đôi 2
Vật trên mặt phẳng nghiêng góc $\alpha$ Hai thành phần của trọng lực $P_1 = P\,\sin\alpha$; $P_2 = P\,\cos\alpha$ 3
Lực xiên góc $\alpha$ với phương ngang Hai thành phần $F_x = F\,\cos\alpha$; $F_y = F\,\sin\alpha$ 3
Vật cân bằng, biết $P$ và góc Lực căng dây, phản lực Chiếu lên Ox, Oy hoặc dùng tam giác lực 4
Thầy Phạm Trần Quốc Anh

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn