SGK Vật Lí 10 - Bài 21. Chuyển động tịnh tiến của vật rắn. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định

Chuyện đông tịnh tiến
CỦA VẬT RẮN
Chuyển động quay
CỦA VẬT RẮN
QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH
Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh một trục có định là hai chuyển động đơn gián nhất của vật rắn. Mọi chuyến động phức tạp cúa vật rắn đều có thể phân tích thành hai chuyển động nói trên. Có thể nêu một vài ví dụ minh hoạ :
Chuyến động cửa một chiếc đinh vít trong tấm gỗ (Hình 21.1);
Chuyến động của bánh xe đang lăn trên đường ;
Chuyển động của một vận động viên nhảy cầu (Hình 21.2).
I - CHUYỂN ĐÔNG TỊNH TIẾN CÙA MỘT VẬT RẮN
Định nghĩa
Chuyển động tịnh tiên 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.
m
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.
Hình 21.4
re Tại sao khi hai vật có trọng lượng bằng nhau thì ròng rọc vẫn đứng yên sau khi thả tay ?
Vì vậy, ta có thể coi vật như một chất điểm và áp dụng định luật II Niu-tơn để tính gia tốc của vật:
a = hay F = ma	(21.1)
m J
trong đó F = F\ + F2 + ... là hợp lực của các lực tác dụng vào vật, còn m là khối lượng của vật.
Trong trường hợp vật chuyển động tịnh tiến thẳng, ta nên chọn hệ trục toạ độ Đề-các, có trục Ox cùng hướng với chuyển động, rồi chiếu phương trình vectơ F = mã lên trục toạ độ đó.
Ox : F1X + FọX + ... = ma	(21.2)
Trong nhiều trường hợp phương trình (21.2) khổng đủ để tính gia tốc a. Khi ấy cần thêm một phương trình nữa bằng cách chiếu phương trình vectơ F = mã lên trục Oy.
Oy : F1Y + F2Y + ... = 0	(21.3)
II - CHUỴỂN ĐỘNG QUAY CỦA VẬT RẮN QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH
Đặc điểm của chuyển động quay. Tốc độ góc
Khi một vật rắn quay quanh một trục cố định, thì mọi điểm của vật đều quay được cùng một góc trong cùng một khoảng thời gian. Nói cách khác, mọi điểm của vật có cùng tốc độ góc ũ), gọi là tốc độ góc của vật.
Vật quay đều thì (Ị) - const. Vật quay nhanh dần thì (ứ tăng dần. Vật quay chậm dần thì (ờ giảm dần.
Tác dụng của momen lục đối với một vật quay quanh một trục
a) Thí nghiêm
Dùng một ròng rọc có dạng là một đĩa phẳng tròn có khối lượng đáng kể và có thể quay không ma sát quanh một trục cố định. Dùng một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, vắt qua ròng rọc, hai đầu dây treo hai vật nặng khác nhau (Pj > P2) (Hình 21.4). te
cs Đo thời gian chuyển động của vật 1 cho đến khi chạm sàn (gọi là f0).
E] Đo thời gian chuyển động của vật 1 cho tới khi chạm sàn. So sánh ty với í0 rồi rút ra kết luận về mức quán tính của vật.
re Đo thời gian chuyển động t2 của vật 1 cho tới khi chạm sàn, so sánh với t0 để rút ra kết luận về mức quán tính của vật.
Hình 21.5
113
Giữ vật 1 ở độ cao h so với sàn rồi thả nhẹ, ta thấy hai vật chuyển động nhanh dần, còn ròng rọc thì quay nhanh dần. BS
Giải thích
Ta giải thích hiện tượng này như thế nào ?
Vì hai vật có trọng lượng khác nhau (T’j > p^) nên hai nhánh dây tác dụng vào ròng rọc hai lực căng khác nhau (Tj > 7"2). Nếu chọn chiều quay của ròng rọc làm chiều dưong thì momen của lực Ty có giá trị dương, còn momen của lực T2 có giá trị âm. Momen lực toàn phần tác dụng vào ròng rọc lạ M - Ợỹ- T2)R. Momen này khác không làm cho ròng rọc quay nhanh dần.
Kết luận
Momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật.
Mức quán tính trong chuyển động quay
Trong chuyển động quay quanh một trục, mọi vật cũng có mức quán tính giống như trong chuyển động tịnh tiến. Khi tác dụng cùng một momen lực lên các.vật khác nhau, tốc độ góc của vật nào tăng chậm hơn thì vật đó có mức quán tính lớn hơn và ngược lại.
Mức quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc những yếu tố nào ?
Thí nghiệm 1. Thay đổi khối lượng của ròng rọc còn các yếu tố khác thì giữ nguyên. Muốn thế, ta chọn một ròng rọc làm bằng vật liệu khác nhưng có cùng kích thước và kiểu dáng rồi lặp lại thí nghiệm như ở mục II.2. K3
Thí nghiệm 2. Thay đổi sự phân bố khối lượng của ròng rọc đối với trục quay. Muốn thế ta chọn một ròng rọc khác có cùng bán kính, cùng khối lượng nhưng phân bố chủ yếu ở^vành ngoài (Hình 21.5). Lặp lại thí nghiệm như ở mục II.2. [S3
8. VẬT Lí 10- A
Kết luận
Các thí nghiệm cho thấy :
Mức quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc vào khối lượng của vật và vào sự phân bố khối lượng đố đối với trục quay. Khối lượng của vật càng lớn và được phân bố càng xa trục quay thì momen quán tính càng lớn và ngược lại.
Thí nghiệm còn cho thấy, khi một vật đang quay mà chịu một momen cản thì vật quay chậm lại. Vật nào có mức quán tính lớn hơn thì tốc độ góc của vật đó giảm chậm hơn và ngược lại.
Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyền động trong đó đuòng thẳng nối hai điềm bật kì của vật luôn luôn song song với chính nó.
Q Gia tốc cùa chuyền động tịnh tiến đuọc xác định bằng định luật II Niu-tơn :
■3	-
m
K trong đó F = f\ + F2 + ... là hợp lục tác dụng lên vật, m là khối luọng cùa nó.
Q Momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ ! góc cùa vật.
Mọi vật quay quanh một trục đều có múc quán tính. Múc quán tính cùa vật càng lớn < thì vật càng khó thay đổi tốc độ góc và nguọc lại.
Mức quán tính cùa một vật quay quanh một trục phụ thuộc vào khối iuọng của vật và sự phân bố khối luọng đó đối với trục quay.
CÂU HÓI VÀ BÀI TẬP
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 /lị = 0,25. Hãy tính :
gia tốc của vặt;
vận tốc của vật ở cuối giây thứ ba ;
đoạn đường mà vật đi được trong 3 giây đầu. Lấy g = 10 m/s	Thế nào là chuyển động tịnh tiến ? Cho một ví dụ vể chuyển động tịnh tiến thẳng và một ví dụ về chuyển động tịnh tiến cong.
 	Có thể áp dụng định luật II Niu-tơn cho chuyển động tịnh tiến được không ? Tại sao ?
 	Momen lực có tác dụng như thế nào đối với một vật quay quanh một trục cố định ?
 BÁNH ĐÀ
Trong kĩ thuật người ta thường dùng bánh đà.
Bánh đà là một bánh xe bằng thép có mức quán tính lớn. Nhờ có bánh đà mà máy móc, xe cộ chạy êm. Dưới đây là một vài ví dụ.
Khi mài các lưỡi dao trên máy mài, người ta ép nhẹ lưỡi dao vào vành của đĩa mài đang quay. Lưỡi dao đã tác dụng vào đĩa mài một momen cản. Muốn cho tốc độ góc của đĩa mài giảm ít thì phái dùng đĩa mài có mức quán tính lớn (Hình 21.7).
.
ột 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 a = 30° (Hình 21.6). Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là Ạ = 0,30. Tính độ lớn của lực để:
vật chuyển động với gia tốc bằng 1,25 m/s2;
vật chuyển động thẳng đều. Lấy g = 10 m/s2.
F
Một xe ca có khối lượng 1 250 kg được dùng để kéo một xe moóc 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 :
hợp lực tác dụng lên xe ca ;
hợp lựo tác dụng lên xe moóc.
Một vật đang quay quanh một trục với tốc độ góc (0 = 6,28 rad/s. Nếu bỗng nhiên momen lực tác dụng lên nó mất đi thì
vật dừng lại ngay.
vật đổi chiều quay.
c. vật quay đều với tốc độ góc a> = 6,28 rad/s. D. vật quay chậm dần rồi dừng lại.
Chọn đáp án đúng
Đối với vật quay quanh một trục cố định, câu nào sau đây là đúng ?
Nếu không chịu momen lực tác dụng thì vật phải đứng yên.
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 thay đổi thì chắc chắn là đã có momen lực tác dụng lên vật.
Mức quán tính của một vật quay quanh một trục không phụ thuộc vào
khối lượng của vật.
hình dạng và kích thước của vật. c. tốc độ góc của vật.
D. vị trí của trục quay.
Chọn đáp án đúng
Các xe lăn đường chạy đi chạy lại trên một đoạn đường rái đá. Khi va chạm vào các viên đá, con lăn chịu một momen cản. Do con lăn có mức quán tính rất lớn nên vẫn lăn đều trên đường, không như người đi xe đạp trên đoạn đường này.
Động cơ đốt trong 4 kì có ghép một bánh đà vào trục khuỷu của động cơ (Hình 21.8). Nhờ có bánh đà mà động cơ mới vượt qua điểm "chết" và chạy êm dù chí có một kì sinh công.