Sự cân bằng lực-Quán tính

A. Tóm tắt lý thuyết

1. Hai lực cân bằng

1.1. Hai lực cân bằng là gì?

Hai lực cân bằng là 2 lực cùng đặt lên vật có cường độ bằng nhau, cùng phương, ngược chiều

1.2. Tác dụng của hai lực cân bằng lên một vật đang chuyển động

Dưới tác dụng của các lực cân bằng:

Một vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên
Đang chuyển động sẽ tiếp tiếp tục chuyển động thẳng đều
Chuyển động này được gọi là chuyển động theo quán tính

Lưu ý :

Hệ lực cân bằng khi tác dụng vào một vật thì không làm thay đổi vận tốc của vật.
Ở lớp 6 đã đề cập đến trường hợp vật đứng yên khi chịu tác dụng của hai lực cân bằng.
Đối với lớp 8, yêu cầu xét tác dụng của hai lực cân bằng lên vật đang chuyển động.
Như vậy, tác dụng của hai lực cân bằng lên một vật được phát biểu khái quát hơn :”Một vật sẽ đứng yên hay chuyển động thẳng đều khi không có lực tác dụng lên vật và ngay cả khi các lực tác dụng lên vật cân bằng nhau”.
Việc dự đoán tác dụng của hai lực cân bằng lên vật chuyển động thực hiện trên cơ sở suy luận lôgic.
Vì lực gây ra sự thay đổi vận tốc chuyển động, còn hai lực cân bằng khi đặt lên vật đang đứng yên thì sẽ đứng yên mãi, như vậy nó không làm thay đổi vận tốc.
Do đó lực cân bằng tác dụng lên vật đang chuyển động cũng không làm thay đổi vận tốc nên vật sẽ chuyển động thẳng đều mãi. Kết luận này được kiểm nghiệm bằng thí nghiệm trên máy A – tút.

2. Quán tính

Khi chịu lực tác dụng, mọi vật đều không thể thay đổi vận tốc đột ngột được vì mọi vật đều có quán tính

Lưu ý :

Về quán tính, mức quán tính phụ thuộc vào khối lượng của vật. Khối lượng của vật càng lớn, mức quán tính càng lớn. Khối lượng là số đo mức quán tính.
Tuy nhiên trong phạm vi bài này chúng ta chỉ có thể đề cập đến sự liên quan giữa mức quán tính với khối lượng thông qua một ví dụ có tính dự đoán suy ra từ kinh nghiệm thực tế.
Việc định hướng mối quan hệ giữa quán tính với khối lượng chỉ thực hiện ở lớp 10 THPT

3. Bài tập minh họa

Bài 1. Đẩy cho xe và búp bê cùng chuyển động rồi bất chợt dừng xe lại. Hỏi búp bê sẽ ngâ về phía nào? Tại sao?

Hướng dẫn giải

Búp bê sẽ ngã về phía trước.

Bởi vì khi xe chuyển động, búp bê cũng chuyển động cùng với xe. Khi xe dừng lại đột ngột, phần chân của búp bê dừng lại cùng với xe nhưng phần thân của búp bê do có quán tính, nó lại muôn duy trì trạng thái chuyển động ban đầu, kết quả là búp bê bị ngã ra phía trước

Bài 2. Vật nặng 0,5kg đặt trên mặt sàn nằm ngang (hình 6.1).

a. Hãy biểu diễn các vectơ lực tác dụng lên vật.

b. Giả sử vật được kéo chuyển động thẳng đều trên mặt sàn nằm ngang có cường độ 2N. Hãy biểu diễn các vectơ lực tác dụng lên vật. Chọn tỉ lệ xích 2N ứng với 1cm.

Hướng dẫn giải

a. Các lực tác dụng lên vật được thể hiện trong hình 6.2 và 6.3 b. Đầu tiên vật đứng yên trên mặt bàn vì hai lực P và Q tác dụng lên vật cân bằng nhau (hình 6.2).

b. Sau đó, vật chuyển động thẳng đều trên mặt sàn nằm ngang nhờ lực kéo có cường độ 2N. Điều này chứng tỏ lực kéo cân bằng với lực cản của mặt sàn tác dụng lên vật (hình 6.3)

B. Giải bài tập trong sách giáo khoa

Giải bài tập 1 trang 17 SGK vật lý 8: Hãy kể tên và biểu diễn các lực tác dụng lên quyển sách, quả cầu và quả bóng trên hình vẽ có trọng lượng lần lượt là 3N; 0,5N; 5N, bằng các vectơ lực. Nhận xét về điểm đặt, cường độ, phương, chiều của hai lực cân bằng.
Hướng dẫn giải

- Các lực tác dụng lên cuốn sách:

+ Trọng lực p hướng thẳng đứng xuống dưới.

+ Lực nâng Q của mặt bàn (gọi là phản lực) hướng thẳng đứng lên trên.

- Các lực tác dụng lên quả cầu:

+ Trọng lực p hướng thẳng đứng xuống dưới.

+ Lực căng T cùa dây treo hướng thẳng đứng lên trên.

- Các lực tác dụng lên quả bóng:

+ Trọng lực p hướng thẳng đứng xuống dưới.

+ Lực nâng Q của mặt sân (gọi là phản lực) hướng thẳng đứng lên trên.

Như vậy, các cặp lực tác dụng lên mỗi vật có cùng điểm đặt (tại tâm của vật), cùng phương thẳng đứng, có độ lớn bằng nhau và ngược chiều nhau.

Giải bài tập 2 trang 18 SGK vật lý 8: Quan sát thí nghiệm hình dưới đây và cho biết tại sao quả cân A đứng yên?

Hướng dẫn giải

Quả cân A đã chịu tác dụng của hai lực cân bằng nhau (trọng lực P và lực căng dây T) nên nó đứng yên.

Giải bài tập 3 trang 18 SGK vật lý 8: Đặt thêm một vật nặng A' lên quả cân A (hình a (câu 2). Tại sao quả cân A cùng với A' sẽ chuyển động nhanh dần?

Hướng dẫn giải

Khi chưa đặt A' lên trên A thì trọng lượng PA bằng lực căng dây T -àm cho quả cân A đứng yên.

Đặt thêm một vật nặng A' lên quả cân A thì trọng lực PA + P'A lớn hơn so với lực căng dây T do đó vật A và A' chuyển động nhanh dần xuống phía dưới.

Giải bài tập 4 trang 18 SGK vật lý 8: Trên hình b (câu 2). Khi quả cân A chuyển động qua lỗ K thì vật nặng A' bị giữ lại. Lúc này quả cân A còn chịu tác dụng của những lực nào?

Hướng dẫn giải

Quả cân A chịu tác dụng của hai lực là trọng lực P và lực căng dây T (hai lực này cân bằng nhau).

Giải bài tập 5 trang 19 SGK vật lý 8: Hãy đo quãng đường đi được của quả cân A sau mỗi khoảng thời gian là 2 giây, ghi vào báng bẽn dưới tính vận tốc A.

Hướng dẫn giải

Các em đo kết quả và ghi vào bảng.

Giải bài tập 6 trang 19 SGK vật lý 8: Búp bê đang đứng yên trên xe như hình vẽ. Bất chợt đẩy xe chuyến động về phía trước. Hỏi búp bê sẽ ngã về phía nào? Tại sao?

Hướng dẫn giải

Búp bê sẽ ngã về phía sau. Bởi vì khi xe đứng yên, búp bê đứng yên cùng với xe.

Khi bất ngờ đẩy xe tới phía trước, phần chân của búp bê chuyển động tới phía trước cùng vớí xe nhưng phần thân của búp bê do có quán tính, nó lại muốn duy trì trạng thái đứng yên ban đầu, kết quả là búp bê bị ngã ra phía sau.

Giải bài tập 7 trang 19 SGK vật lý 8: Đẩy cho xe và búp bê cùng chuyển động rồi bất chợt dừng xe lại. Hỏi búp bê sẽ ngâ về phía nào? Tại sao?

Hướng dẫn giải

Búp bê sẽ ngã về phía trước. Bởi vì khi xe chuyển động, búp bê cũng chuyển động cùng với xe. Khi xe dừng lại đột ngột, phần chân của búp bê dừng lại cùng với xe nhưng phần thân của búp bê do có quán tính, nó lại muôn duy trì trạng thái chuyển động ban đầu, kết quả là búp bê bị ngã ra phía trước.

Giải bài tập 8 trang 19 SGK vật lý 8: Hãy dùng khái niệm quán tính để giải thích các hiện tượng sau đây:

a) Khi ô tô đột ngột rẽ phải, hành khách trên xe bị nghiêng về phía trái.

b) Khi nhảy từ bậc cao xuống, chân ta bị gập lại.

c) Bút tắc mực, ta vẩy mạnh, bút lại có thể viết tiếp được.

d) Vì sao khi cán búa lỏng có thể làm chặt lại bằng cách gõ mạnh đuôi cán xuống đất?

e) Đặt một cốc nước lên tờ giấy mỏng. Giật nhanh tờ giấy ra khỏi đáy cốc thì cốc vẫn đứng yên. Tại sao?

Hướng dẫn giải

a) Hành khách bị nghiêng về phía trái vì khi ô tô đột ngột rẽ phải, do có quán tính, họ không thể đổi hướng chuyển động ngay mà tiếp tục chuyển động như cũ.

b) Khi nhảy từ bậc cao xuống, chân chạm đất sẽ dừng lại ngay, nhưng người còn tiếp tục chuyển động theo quán tính nên chân bị gập lại.

c) Bút tắc mực, khi ta vẩy mạnh thì do có quán tính mà mực chuyển động xuống đầu ngòi bút nên bút lại có mực.

d) Khi gõ mạnh đuôi cán búa xuống đất thì cán búa và đầu búa đều chuyển động đi xuống. Cán búa chạm đất dừng lại đột ngột trong khi đầu búa tiếp tục chuyển động đi xuống do quán tính nên đầu búa lún sâu vào cán búa làm cho búa chắc hơn.

e) Cốc vẫn đứng yên vì do quán tính mà nó chưa thế thay đổi vận tốc được ngay.

C. GIẢI BÀI TẬP

B1. Cặp lực nào sau đây tác dụng lên một vật làm vật đang đứng yên tiếp tục đứng yên? A. Hai lực cùng cường độ, cùng phương.

B. Hai lực cùng phương, ngược chiều.

C. Hai lực cùng phương, cùng cường độ, cùng chiều.

D. Hai lực cùng cường độ, cùng phương nằm trên cùng một đường thẳng, ngược chiều. Hướng dẫn giải

Chọn câu D: Hai lực cùng cường độ, cùng phương nằm trên cùng một đường thẳng, ngược chiều.

B2. Khi chỉ chịu tác dụng của hai lực cân bằng, thì:

A. Vật đang đứng yên sẽ chuyển động nhanh dần.

B. Vật đang chuyển động sẽ dừng lại.

C. Vật đang chuyển động đều sẽ không còn chuyển động đều nừa.

D. Vật đang đứng yên sẽ đứng yên, vật đang chuyển động sẽ chuyển động thẳng đều mãi. Hướng dẫn giải

Chọn câu D: Vật đang đứng yên sẽ đứng yên, vật đang chuyển động sẽ chuyển động thẳng đều mãi.

B3. Hành khách ngồi trên xe ôtô đang chuyển động bỗng thấy mình bị nghiêng người sang trái, điều này chứng tỏ xe như thế nào?

A. Đột ngột giảm vận tốc.

B. Đột ngột tăng vận tốc.

C. Đột ngột rẽ sang trái.

D. Đột ngột rê sang phải.

Hướng dẫn giải

Chọn câu D: Đột ngột rẽ sang phải.

B4. Ta biết rằng lực tác dụng lên vật làm thay đổi vận tốc của vật. Khi tàu khởi hành, lực kéo của đầu máy làm tàu tăng dần vận tốc. Nhưng có những đoạn đường, mặc dù đầu máy vẫn chạy để kéo tàu nhưng tàu không thay đổi vận tốc. Điều này có mâu thuẫn với nhận định trên không? Vì sao?

Hướng dẫn giải

Khi lực kéo của đầu máy cân bằng với lực cản tác dụng lên đoàn tàu sẽ làm đoàn tàu không thay đổi vận tốc. Do vậy điều này không mâu thuẫn với nhận định lực tác dụng lên vật làm thay đổi vận tốc của vật.

B5. Quả cầu nặng 0,2kg được treo vào sợi dây cố định (hình 5.1). Hãy biểu diễn vectơ lực tác dụng lên quả cầu. Chọn tỉ lệ xích 1N ứng với 1cm.

Hướng dẫn giải

Ta thấy quả cầu đứng yên vì chịu tác dụng của hai lực cân bằng nhau (trọng lực P và sức căng T) (hình 5.2).

B6. Vật nặng 0,5kg đặt trên mặt sàn nằm ngang (hình 6.1).

a. Hãy biểu diễn các vectơ lực tác dụng lên vật.

Hướng dẫn giải

a. Các lực tác dụng lên vật được thể hiện trong hình 6.2 và 6.3

b. Đầu tiên vật đứng yên trên mặt bàn vì hai lực P và Q tác dụng lên vật cân bằng nhau (hình 6.2). b. Sau đó, vật chuyển động thẳng đều trên mặt sàn nằm ngang nhờ lực kéo có cường độ 2N. Điều này chứng tỏ lực kéo cân bằng với lực cản của mặt sàn tác dụng lên vật (hình 6.3).

B7. Đặt một cây bút chì đứng trên góc một tờ giấy dài, mỏng. Hãy tìm cách rút tờ giấy ra mà không làm đô cây bút chì. Giải thích cách làm đó.

Hướng dẫn giải

Do quán tính nên bút chì chưa kịp thay đổi vận tốc, nhờ vậy mà nó không bị đổ.

B8. Một con báo đang đuổi một con linh dương. Khi báo chuẩn bị vồ thì linh dương nhảy tạt sang một bên và thế là linh dương trốn thoát. Em hãy giải thích cơ sở khoa học của cách thoát hiểm nói trên.

Hướng dẫn giải

Do quán tính nên con báo không kịp đổi hướng theo linh dương, nhờ đó mà linh dương trốn thoát.