Trọng tâm • Trọng lượng và khối lượng • Lực căng dây • Sơ đồ lực và điều kiện cân bằng
Nhận biết trọng lực \(\vec P\), trọng lượng \(P\), trọng tâm \(G\), lực căng dây \(\vec T\); phân biệt lực tác dụng với độ lớn lực và nêu điều kiện áp dụng các công thức.
Vẽ sơ đồ lực lên vật treo; tính \(P\), \(T\) trong các tình huống cân bằng hoặc có gia tốc; kiểm chứng trọng tâm qua dây dọi; đánh giá nguy cơ quá tải dây treo.
Ở gần bề mặt Trái Đất, trọng lực tác dụng lên vật có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống dưới. Khi vật treo cân bằng bằng một dây thẳng đứng, dây kéo vật lên, còn Trái Đất hút vật xuống.
\(\vec g\) là gia tốc trọng trường tại vị trí của vật; \(\vec P\) cùng chiều với \(\vec g\). Trọng lực có điểm đặt tại trọng tâm \(G\) trong mô hình trọng trường gần đều.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\vec P\) | Vectơ trọng lực tác dụng lên vật | N |
| \(m\) | Khối lượng của vật | kg |
| \(\vec g\) | Vectơ gia tốc trọng trường | m/s² |
Điều kiện: vùng không gian có thể coi \(\vec g\) gần như không đổi trên phạm vi vật.
Trọng lượng \(P\) đo bằng niutơn (N); khối lượng \(m\) đo bằng kilôgam (kg). Cùng một vật, \(m\) không đổi khi đổi vị trí nhưng \(P\) có thể thay đổi do \(g\) khác nhau.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(P\) | Độ lớn trọng lực (trọng lượng) | N |
| \(m\) | Khối lượng của vật | kg |
| \(g\) | Độ lớn gia tốc trọng trường | m/s² |
Chú ý: lực kế chỉ lực mà lò xo chịu; khi vật đứng yên hoặc chuyển động đều và không có lực khác theo phương thẳng đứng, số chỉ mới bằng \(mg\).
\(\vec T\) là lực dây tác dụng lên vật, có điểm đặt tại chỗ buộc, dọc dây và hướng từ vật về phía dây. Chọn trục Oy hướng lên và gọi \(a_y\) là thành phần đại số của gia tốc:
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\vec T\) | Vectơ lực căng dây tác dụng lên vật | N |
| \(T\) | Độ lớn lực căng dây | N |
| \(a_y\) | Gia tốc theo chiều dương hướng lên (có thể âm) | m/s² |
Điều kiện: vật chịu hai lực \(\vec T\) và \(\vec P\) theo phương thẳng đứng; dây còn căng. Nếu \(a_y=0\), \(T=P=mg\). Trường hợp rơi tự do \(a_y=-g\), dây không còn kéo vật (\(T=0\)).
\(\theta\) là góc mỗi dây hợp với phương thẳng đứng. Hai lực căng riêng rẽ \(\vec T_1\), \(\vec T_2\) có thành phần ngang triệt tiêu, thành phần thẳng đứng nâng vật.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(T\) | Độ lớn lực căng trong mỗi dây | N |
| \(\theta\) | Góc dây với đường thẳng đứng | độ hoặc rad |
| \(m,g\) | Khối lượng, độ lớn gia tốc trọng trường | kg; m/s² |
Điều kiện: hai dây đối xứng, vật cân bằng, các dây nhẹ, không dãn; bỏ qua các lực khác. Khi \(\theta\) tăng đến gần 90°, lực căng tăng rất lớn, mô hình có thể vượt giới hạn chịu lực của dây.
Một vật có \(m=2\,\mathrm{kg}\). Nơi A: \(g_A=9{,}8\,\mathrm{m/s^2}\), nơi B: \(g_B=9{,}7\,\mathrm{m/s^2}\). Khối lượng vẫn 2 kg; trọng lượng lần lượt \(P_A=19{,}6\,\mathrm N\), \(P_B=19{,}4\,\mathrm N\).
Quả nặng \(m=3\,\mathrm{kg}\), \(g=10\,\mathrm{m/s^2}\). Nếu thang máy gia tốc hướng lên \(2\,\mathrm{m/s^2}\), lực căng \(T=3(10+2)=36\,\mathrm N\). Nếu gia tốc hướng xuống cùng độ lớn thì \(T=3(10-2)=24\,\mathrm N\). Không dùng dấu của vận tốc để suy ra lực căng.
Vật \(m=2\,\mathrm{kg}\), \(g=10\,\mathrm{m/s^2}\), mỗi dây hợp phương thẳng đứng góc \(60^\circ\). Khi cân bằng, \(T=20/(2\cos60^\circ)=20\,\mathrm N\). Hai lực căng không thể gộp làm một lực tác dụng tại mỗi đầu dây.
Đọc câu hỏi dự đoán trước khi thay đổi tham số. Trong mỗi hình, chú ý phân biệt vectơ lực với giá trị độ lớn và nhận diện đúng vật đang chịu lực.
Hai lực cân bằng; vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.
Mô phỏng dựng bởi HAT dựa trên phương trình \(\vec T+\vec P=m\vec a\). Không thay thế phép đo thật.
Tổng thành phần lực theo phương đứng bằng trọng lượng vật.
Hãy quan sát phương dây dọi khi treo từ A, rồi đổi sang B để xác định giao điểm hai đường dọi trên tấm bìa.
Tham khảo cách tổ chức thí nghiệm: Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations và Purdue University. Đồ họa được dựng riêng cho HAT.
Quan sát cách treo vật, vị trí kim chỉ và đơn vị đo trên lực kế. Video phát trực tiếp trong khung bài học khi nhấn nút phát.
Nguồn video: Science Sir (YouTube). Việc phát phụ thuộc quyền nhúng video của chủ kênh và kết nối mạng.
Sáu nhánh tóm tắt khái niệm, định luật và mô hình. Nhấn vào sơ đồ để phóng to, cuộn ngang nếu xem trên điện thoại.
Khi lò xo biến dạng đàn hồi trong giới hạn thích hợp, độ giãn tỉ lệ với lực tác dụng. Lực kế dựa trên nguyên tắc này để đo lực (đơn vị N), không đo trực tiếp khối lượng. Một số cân lò xo ghi đơn vị kg do đã được hiệu chuẩn theo gia tốc trọng trường xác định.
Với hai dây treo đối xứng, càng kéo hai dây gần nằm ngang thì lực căng mỗi dây càng tăng mặc dù trọng lượng của vật không đổi. Vì vậy cần tính tải trọng và hệ số an toàn trước khi lựa chọn dây treo.
Gia tốc trọng trường gần bề mặt Trái Đất khoảng 9,8 m/s²; gần bề mặt Mặt Trăng khoảng 1,62 m/s². Một vật 6 kg có trọng lượng khoảng 58,8 N trên Trái Đất và 9,72 N trên Mặt Trăng, nhưng khối lượng vẫn là 6 kg.
Vận dụng: trọng lượng biểu kiến mà lực kế chỉ có thể khác \(mg\) khi hệ treo có gia tốc, dù trọng lực vẫn là \(\vec P=m\vec g\).
Đối chiếu kiến thức: SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức, Bài 17 và các mô hình cơ học Newton.