SGK Vật Lí 10 - Bài 20. Các dạng cân bằng. Cân bằng của một vật có mặt chân đế
DẠNG CÂN BẰNG Cân bằng Của một vật có MĂT CHÂN ĐẾ Tại sao ô tô chất trên nóc nhiều hàng nặng dễ bị lật đổ ở chỗ đường nghiêng ? Tại sao không lật đố được con lật đật (Hình 20.1) ? I - CÁC DẠNG CÂN BẰNG Chúng ta hãy xét tính chất của các dạng cân bằng. Muốn thế ta hãy xét sự cân bằng của những vật có một điểm tựa hay một trục quay cố định. 1. Cân bằng không bền Chọn một thước có một trục quay nằm ngang xuyên qua một lỗ ơ ở một đầu thước. Đặt thước đứng yên ở vị trí thẳng đứng như Hình 20.2. Khi ấy, trọng lực có giá đi qua trục quay nên không gây ra momen quay. Hình 20.1 Hình 20.2 Nhưng giữ thước ở vị trí cân bằng này rất khó, vì chỉ cần làm thước lệch đi một chút thôi, thì lập tức trọng lực gây ra một momen làm thước quay ra xa vị trí cân bằng. Dạng cân bằng như vậy gọi là cân bằng không bền. Một vật bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng không bền thì không thể tự trở về được vị trí đó. Hình 20.4 o Hình 20.3 Cân bằng bền Trái lại, nếu đặt thước đứng yên ở vị trí như ở Hình 20.3 thì thấy rằng không dễ gì làm cho thước rời khỏi vị trí cân bằng này. Thật vậy, nếu thước bị lệch khỏi vị trí cân bằng này thì trọng lực gây ra momen làm thước quay trở về vị trí đó. Dạng cân bằng như vậy gọi là cân bằng bền. Cân bằng phiếm định Chọn một thước có trục quay nằm ngang đi qua trọng tâm của nó (Hình 20.4). Khi ấy, thước đứng yên tại mọi vị trí, vì trọng lực có điểm đặt tại trục quay nên không gây ra momen quay. Dạng cân bằng này gọi là cân bảng phiếm định. Nguyên nhân nào đã gây nên các dạng cân bằng khác nhau ? Đó là vị trí của trọng tâm của vật. Ớ dạng cân bằng không bền, trọng tâm ở vị trí cao nhất so với các vị trí lân cận. Ở dạng cân bằng bền, trọng tâm ở vị trí thấp nhất so với các vị trí lân cận. Còn ở dạng cân bằng phiếm định, vị trí trọng tâm không thay đổi hoặc ở một độ cao không đổi. II - CÂN BẰNG CỦA MỘT VẬT CÓ MẶT CHÂN ĐÉ Mặt chân đế íà gì ? Có những vật tiếp xúc với mặt phẳng đỡ nằm ngang bằng cả một mặt đáy, như cốc nước đặt trên bàn, hòm gỗ đặt trên sàn nhà... Khi ấy, mặt chân đê'ỉằ mặt đáy của vật. Có những vật tiếp xúc với mặt phẳng đỡ nằm ngang chỉ ở một số diện tích rời nhau, như bàn, ghế, ô tô... Khi ấy, mặt chân đê'là hình đa giác lồi nhỏ nhất bao bọc tất cả các diện tích tiếp xúc đó. Hình 20.5 vẽ mặt chân đế của một người đứng trên mặt đất. 2. Điều kiện cân bằng Đặt một khối hình hộp lên một mặt phẳng đỡ nằm ngang theo những vị trí khác nhau (Hình 20.6). HI Ở hai vị tri 1 và 2, trọng lực có giá xuyên qua mặt chân đế. Nếu nghiêng vật đi một chút, thì trọng lực gây ra một momen đối với điểm tựa A làm vật quay trở về vị trí cũ. Vậy, hai vị trí này là hai vị trí cân bằng bền. Ở vị trí 3, trọng lực có giá đi qua điểm tựa A, tức là xuyên qua mép của mặt chân đế, nên vị trí này là vị trí cân bằng không bền. Còn ở vị trí 4, trọng lực có giá không xuyên qua mặt chân đế, nên gây ra một momen lực lật đổ vật. Từ những thí nghiệm trên ta rút ra kết luận : Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế là giá của trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế (hay là trọng tâm “rơi” trên mặt chân đế). Múc vũng vàng của cân bằng Các vị trí cân bằng trên đây khác nhau về mức vững vàng. Vị trí 1 vững vàng nhất, còn vị trí 3 kém vững nhất. Mức vững vàng của cân bằng được xác định bởi độ cao của trọng tâm và diện tích của mặt chân đế. Trọng tâm của vật càng cao và diện tích của mặt chân đế càng nhỏ thì vật càng dễ bị lật đổ và ngược lại. 03 HI Hãy xác định mặt chân đế của khối hộp ở các vị trí 1,2, 3, 4. D 3 4 Hình 20.6 HI Hãy trả lời hai câu hỏi ở phần mở bài. Có ba dạng cân bằng là cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định. Khi vật bị kéo ra khỏi vị trí cân bằng một chút mà trọng lục của vật có xu huóng : I — kéo nó trờ về vị trí cân bằng, thì đó là vị trí cân bằng bền ; I — kéo nó ra xa vị trí cân bằng, thì đó là vị trí cân bằng không bên ; I — giữ nó đúng yên ở vị trí mói thì đó là vị trí cân bằng phiếm định. I Điều kiện căn bằng của một vật có mặt chân đê là giá của trọng lục phái xuyên qua I mặt chân đế (hay trọng tâm “rơi” trên mặt chân đế). Muốn tăng múc vũng vàng của vật có mặt chân đế thì hạ thấp trọng tâm và tăng 1 diện tích mặt chân đế của vật. ■ : CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .1. Thế nào là dạng cân bằng bển ? không bến ? phiếm định ? VỊ trí trọng tâm của vật có vai trò gì đối với mỗi dạng cân bằng ? c) quả cầu đồng chất trên một mặt có dạng như Hình 20.9. Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế là gì ? ▼ , ' Hãy chỉ rõ dạng cân bằng của: nghệ sĩ xiếc đang đứng trên dây (Hình 20.7); Hình 20.7 Người ta đã làm thế nào để thực hiện được mức vững vàng cao của trạng thái cân bằng ở những vật sau đây ? Đèn để bàn. Xe cần cẩu. ô tô đua. b) cái bút chì được cắm vào con dao nhíp (Hình 20.8); Một xe tải lần lượt chở các vật liệu sau với khối lượng bằng nhau : thép lá, gỗ và vải. Trong trường hợp nào thì xe khó bị đổ nhất ? dễ bị đổ nhất ?