Lý thuyết Vật lí 10 Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Khi tác dụng một lực vào một vật có trục quay cố định (như cánh cửa, cờ lê mở ốc, đòn bẩy), lực có thể làm vật quay quanh trục.

1. Định nghĩa moment lực

Moment lực đối với một trục quay là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực, được tính bằng tích của độ lớn của lực với cánh tay đòn của nó:

Trong đó:
- $F$: Độ lớn của lực tác dụng (đơn vị: Newton, $N$).
- $d$: Cánh tay đòn của lực, là khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá của lực (đơn vị: mét, $m$).
- $M$: Moment của lực (đơn vị: Newton nhân mét, kí hiệu $N \cdot m$).

2. Lưu ý quan trọng về cánh tay đòn ($d$)

Cánh tay đòn $d$ không phải là khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt của lực, mà là đoạn vuông góc hạ từ trục quay đến đường thẳng chứa vectơ lực (giá của lực).

• Nếu giá của lực đi qua trục quay ($d = 0$): Lực không có tác dụng làm quay ($M = 0$).
• Nếu giá của lực song song với trục quay: Lực cũng không có tác dụng làm quay vật.

Nguyên lí đòn bẩy: Với đòn bẩy đơn giản: $$F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2 \implies \frac{F_1}{F_2} = \frac{d_2}{d_1}$$ Nếu cánh tay đòn $d_1$ lớn gấp $k$ lần $d_2$, ta sẽ được lợi $k$ lần về lực ($F_1 = F_2 / k$).

1. Khái niệm Ngẫu lực

Ngẫu lực là hệ hai lực song song, ngược chiều, có cùng độ lớn và cùng tác dụng vào một vật.

• Hợp lực của ngẫu lực bằng 0 ($\vec{F}_1 + \vec{F}_2 = \vec{0}$) nên ngẫu lực không gây ra chuyển động tịnh tiến cho vật.
• Ngẫu lực chỉ có tác dụng làm quay vật quanh một trục vuông góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực.

Moment của ngẫu lực: $$M = F \cdot d$$ Trong đó $F$ là độ lớn của mỗi lực, $d$ là khoảng cách giữa hai giá của hai lực (gọi là cánh tay đòn của ngẫu lực). Moment của ngẫu lực không phụ thuộc vào vị trí chọn trục quay.

2. Điều kiện cân bằng tổng quát của một vật rắn

Để một vật rắn nằm yên cân bằng hoàn toàn trong không gian, cần thỏa mãn đồng thời hai điều kiện:

1. Điều kiện cân bằng tịnh tiến: Tổng hợp tất cả các ngoại lực tác dụng lên vật phải bằng 0: $$\sum \vec{F} = \vec{0}$$
2. Điều kiện cân bằng quay: Tổng các moment lực tác dụng lên vật đối với một trục quay bất kì phải bằng 0: $$\sum M = 0$$