Moment Lực – Cân Bằng Của Vật Rắn
Moment lực · Cánh tay đòn · Quy tắc moment · Ngẫu lực · Điều kiện cân bằng vật rắn
Trong cuộc sống, ta thường thấy việc dùng cờ lê dài để siết đai ốc dễ hơn cờ lê ngắn, hay đặt lực vào đầu cán búa để nhổ đinh dễ hơn. Đó là vì tác dụng làm quay của lực không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực mà còn phụ thuộc vào cánh tay đòn.
• $F$: độ lớn của lực (N)
• $d$: cánh tay đòn (m)
▸ Hai yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng làm quay
Nếu lực hợp với phương nối trục – điểm đặt một góc $\alpha$:
$d = L \cdot \sin\alpha$ (với $L$ = khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực).
Giải: Lực vuông góc với thanh nên cánh tay đòn $d = OA = 0{,}5$ m.
$\;M = F \cdot d = 4 \cdot 0{,}5 = 2$ N.m.
Khi một vật có trục quay cố định chịu nhiều lực tác dụng, một số lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ (CW), một số làm quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW). Vật cân bằng khi hai tác dụng làm quay này triệt tiêu nhau.
▸ Bập bênh — Ví dụ điển hình
Giải: Áp dụng quy tắc moment $P_1 \cdot d_1 = P_2 \cdot d_2$:
$\;200 \cdot d_1 = 300 \cdot 1 \Rightarrow d_1 = \dfrac{300}{200} = 1{,}5$ m.
Người em phải ngồi cách trục quay $1{,}5$ m.
▸ Quy trình giải bài toán quy tắc moment
Giải: Áp dụng quy tắc moment với trục tại điểm tiếp xúc búa–tường:
$\;F_{tay} \cdot d_{tay} = F_{đinh} \cdot d_{đinh}$
$\;150 \cdot 30 = F_{đinh} \cdot 9 \Rightarrow F_{đinh} = \dfrac{150 \cdot 30}{9} = 500$ N.
Búa khuếch đại lực rất lớn nhờ cánh tay đòn dài.
• Song song với nhau
• Ngược chiều
• Cùng độ lớn
($F_1 = F_2 = F$)
Ví dụ thực tế: Vặn vòi nước (hai ngón tay tác dụng hai lực ngược chiều), xoay tay lái ô tô (hai tay), vặn tuốc-nơ-vít (hai ngón).
• $d$: khoảng cách giữa hai giá của hai lực — gọi là cánh tay đòn của ngẫu lực
• Đặc biệt: moment ngẫu lực không phụ thuộc vào vị trí trục quay (luôn bằng $F \cdot d$).
Giải: $M = F \cdot d = 5 \cdot 0{,}2 = 1$ N.m.
Một vật rắn (có hoặc không có trục quay cố định) ở trạng thái cân bằng khi không tịnh tiến và không quay. Để đảm bảo điều này, vật phải thỏa mãn đồng thời hai điều kiện:
| Trường hợp | Hiện tượng |
|---|---|
| Chỉ thỏa mãn ĐK 1 ($\sum \vec{F} = \vec{0}$) | Vật không tịnh tiến nhưng có thể vẫn quay (ví dụ: ngẫu lực) |
| Chỉ thỏa mãn ĐK 2 ($\sum M = 0$) | Vật không quay nhưng có thể vẫn tịnh tiến |
| Thỏa mãn cả hai ĐK | Vật cân bằng hoàn toàn (đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều) |
▸ Phương pháp giải các dạng bài tập
Giải: Trọng lượng bị: $P = mg = 50$ N. Tay cách vai $90 - 60 = 30$ cm. Trục quay tại vai.
$\;F_{tay} \cdot 30 = P \cdot 60 \Rightarrow F_{tay} = \dfrac{50 \cdot 60}{30} = 100$ N.
Cân bằng lực theo phương đứng (đk 1): $F_{vai} = P + F_{tay} = 50 + 100 = 150$ N.
• Quy tắc moment (vật có trục quay cố định cân bằng): $F_1 d_1 = F_2 d_2$ hay $\sum M = 0$.
• Ngẫu lực: 2 lực song song, ngược chiều, cùng độ lớn. Chỉ làm vật quay. $M = F \cdot d$ ($d$ = khoảng cách 2 giá).
• Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn: $\sum \vec{F} = \vec{0}$ và $\sum M = 0$ (đồng thời).
• Mẹo: Chọn trục quay tại điểm có nhiều lực đi qua (giá lực qua trục → moment = 0) để loại bớt ẩn số.
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm các ví dụ chi tiết, công thức mở rộng, mẹo giải nhanh và sai lầm thường gặp, hãy tham khảo bài viết bên dưới:
📚 Xem thêm: Lý thuyết & công thức đầy đủ + Quy tắc moment + Sai lầm thường gặp tại Edus.vnSau khi đã nắm vững lý thuyết, hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 23 câu bám sát chương trình SGK Vật Lí 10!
Cùng luyện Bài 21 — Moment lực & Cân bằng vật rắn!
23 câu: 18 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 3 tự luận
Tuyệt vời!
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