Cân bằng của vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song – Vật lý 10

Chào mừng các bạn đến với trang web vatly.edu.vn! Trong thế giới đầy thách thức của vật lý, khái niệm về cân bằng của vật là một trong những điểm cốt lõi quan trọng. Đặc biệt, khi một vật được tác động bởi hai lực hoặc ba lực không song song, khả năng hiểu biết và áp dụng nguyên lý cân bằng là điều vô cùng quan trọng.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ khám phá sâu hơn về hiện tượng cân bằng của vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song và cung cấp các thông tin hữu ích để giúp bạn nắm vững kiến thức và ứng dụng chúng trong thực tế.

Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực

Điều kiện để cân bằng

Để một vật chịu tác dụng của hai lực đạt trạng thái cân bằng, hai lực này cần thỏa mãn ba điều kiện:

• Cùng giá: Hai lực phải cùng nằm trên một đường thẳng.
• Cùng độ lớn: Hai lực phải có cường độ bằng nhau.
• Ngược chiều: Hai lực phải hướng ngược nhau.

Xác định trọng tâm của một vật phẳng, mỏng bằng phương pháp thực nghiệm

Chuẩn bị

Một vật có thể treo được (ví dụ: quả cầu nhỏ), dây treo, giá đỡ, và hai lực kế. Treo vật trên giá đỡ bằng dây và gắn hai lực kế vào hai phía của vật sao cho chúng kéo vật theo hai hướng ngược nhau.

Tiến hành thí nghiệm

Điều chỉnh lực kéo trên mỗi lực kế sao cho vật ở trạng thái cân bằng, không di chuyển về bất kỳ phía nào.

Lưu ý đến chỉ số của hai lực kế. Khi vật ở trạng thái cân bằng, tổng hợp lực tác động lên vật phải bằng 0.

Kết luận

Khi chỉ số trên hai lực kế bằng nhau và hướng ngược lại nhau, vật sẽ ở trạng thái cân bằng tĩnh, chứng minh rằng hai lực đang tác động có độ lớn bằng nhau và hướng ngược lại nhau.

Thí nghiệm này minh họa nguyên tắc cơ bản trong cân bằng lực, áp dụng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, xây dựng, và vật lý học. Thí nghiệm này giúp học sinh và người học dễ dàng hiểu bản chất của cân bằng lực qua việc quan sát trực quan và thực hành.

Cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song

Quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy

Quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy là một nguyên tắc cơ bản trong vật lý, giúp xác định kết quả (tổng hợp) khi hai lực cùng tác động lên một điểm của vật. Để hiểu rõ về quy tắc này, ta sẽ phân tích các bước và cách thức áp dụng:

Định nghĩa

• Hai lực có giá đồng quy: Là hai lực có điểm đặt tại cùng một điểm trên vật.
• Tổng hợp lực: Là lực tổng hợp tác động lên vật, thay thế hiệu quả của hai lực ban đầu.

Sử dụng quy tắc hình bình hành

• Vẽ hai vectơ lực: Từ điểm đặt chung, vẽ hai vectơ lực theo hướng và độ lớn tương ứng của chúng.
• Tạo hình bình hành: Dùng hai vectơ lực này làm hai cạnh liền kề của một hình bình hành.
• Tổng hợp lực: Vectơ đường chéo của hình bình hành, bắt đầu từ điểm đặt chung, biểu diễn lực tổng hợp cả về độ lớn và hướng.

Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song

Để một vật chịu tác dụng của ba lực không song song cân bằng, cần thỏa mãn hai điều kiện sau:

Ba lực phải đồng phẳng: Tức là ba lực phải nằm trong cùng một mặt phẳng. Ví dụ, một quyển sách đặt trên mặt bàn chịu tác dụng của ba lực: trọng lực, lực nâng của mặt bàn và lực ma sát. Ba lực này đều nằm trong mặt phẳng ngang.

Hợp lực của hai lực phải cân bằng với lực thứ ba: Hai lực bất kỳ trong ba lực phải có hợp lực cân bằng với lực thứ ba. Hợp lực của ba lực bằng 0.

Minh họa: Giả sử có ba lực F1, F2 và F3 không song song và không cùng phương với nhau tác động lên một vật. Để vật đó cân bằng, ba lực này phải thỏa mãn hai điều kiện trên. Nếu bạn vẽ ba vectơ lực này trên một tờ giấy và kéo dài chúng, chúng phải gặp nhau tại một điểm. Nếu bạn sau đó áp dụng quy tắc hình bình hành hoặc quy tắc đa giác để cộng vectơ, kết quả phải là một hình đa giác đóng không có diện tích, tức là một điểm.

Ví dụ, với quyển sách trên mặt bàn:

• Hợp lực của trọng lực và lực ma sát phải cân bằng với lực nâng của mặt bàn.
• Hợp lực của ba lực (trọng lực, lực nâng, lực ma sát) bằng 0, nghĩa là quyển sách không chuyển động.

Bài tập về sự cân bằng của vật chịu tác dụng của 2 lực, 3 lực

Bài tập 1: Một vật có khối lượng 5 kg được đặt trên mặt bàn nằm ngang. Tác dụng lên vật hai lực song song, cùng chiều có độ lớn F1 = 10 N và F2 = 20 N. Hỏi vật chịu tác dụng của lực nào và có độ lớn bao nhiêu?

Giải:

Vật chịu tác dụng của hợp lực F có độ lớn:

F = F1 + F2 = 10 N + 20 N = 30 N

=> Hợp lực F cùng hướng với hai lực F1 và  F2.

Bài tập 2: Một thanh AB dài 2 m có trọng lượng 100N được treo vào hai sợi dây OA và OB như hình vẽ. Cho biết OA = OB. Hỏi lực căng của mỗi dây là bao nhiêu?

Giải:

Vì thanh AB cân bằng nên lực căng của hai dây OA và OB bằng nhau.

Gọi T là lực căng của mỗi dây.

Ta có: 2T = 100 N <=> T = 50 N

=> Vậy lực căng của mỗi dây là 50 N.

Bài tập 3: Một vật có khối lượng 10 kg được đặt trên mặt bàn nằm ngang. Tác dụng lên vật hai lực song song, ngược chiều có độ lớn F1 = 20 N và F2 = 10 N. Hỏi vật chịu tác dụng của lực nào và có độ lớn bao nhiêu?

Giải:

Vật chịu tác dụng của hợp lực  

F có độ lớn: F = F1 – F2 = 20 N – 10 N = 10 N

=> Hợp lực F cùng hướng với lực F1.

Bài tập 4: Một thanh AB dài 1,5 m có trọng lượng 60N được treo vào hai sợi dây OA và OB như hình vẽ. Cho biết OA = OB. Hỏi lực căng của mỗi dây là bao nhiêu?

Giải:

Vì thanh AB cân bằng nên lực căng của hai dây OA và OB bằng nhau.

Gọi T là lực căng của mỗi dây.

Ta có: 2T = 60 N <=> T = 30 N

=> Vậy lực căng của mỗi dây là 30 N.

Bài tập 5: Một vật có khối lượng 15 kg được treo vào một sợi dây. Dây hợp với trần nhà một góc 30°. Hỏi lực căng của dây và lực nén của trần nhà lên vật là bao nhiêu?

Giải:

Ta có: P = mg = 15 kg.9,8 m/s² = 147 N

T là lực căng của dây

N là lực nén của trần nhà

Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ.

Chiếu các lực lên hai trục Ox và Oy, ta có:

ΣFx = T.cos30° – N = 0

ΣFy = T.sin30° – P = 0

Giải hệ phương trình trên, ta được:

T = 147 N => Lực căng của dây là 147 N.

N = 127,5 N => Lực nén của trần nhà lên vật là 127,5 N.