Bài 18: Tác dụng làm quay của lực – Moment lực
Chào các bạn! Có bao giờ bạn thắc mắc tại sao chúng ta lại dễ dàng mở cánh cửa khi đẩy ở mép cửa, nhưng lại rất khó khi đẩy gần bản lề? Hay tại sao người ta lại chế tạo cờ lê với tay cầm dài? Tất cả những điều này đều liên quan đến một khái niệm thú vị trong Vật lý: Tác dụng làm quay của lực và Moment lực. Hãy cùng khám phá xem chúng hoạt động như thế nào nhé!
🔹 I. Mục tiêu bài học
Sau khi hoàn thành bài học này, các bạn sẽ:
- Hiểu được tác dụng làm quay của lực: Nắm được khi nào một lực có thể làm vật quay quanh một trục cố định.
- Biết khái niệm moment lực và công thức tính moment lực: Định nghĩa, ý nghĩa vật lý và cách tính moment lực.
- Vận dụng kiến thức để giải các bài tập: Áp dụng công thức và quy tắc moment lực vào giải các bài toán về sự cân bằng và quay của vật.
🔹 II. Kiến thức trọng tâm
1. Tác dụng làm quay của lực
Một lực không chỉ có tác dụng làm vật chuyển động tịnh tiến (di chuyển theo đường thẳng) mà còn có thể làm vật quay quanh một trục nhất định. Ví dụ: khi bạn mở cửa, lực đẩy của bạn làm cánh cửa quay quanh bản lề.
Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc vào hai yếu tố chính:
- Độ lớn của lực (): Lực càng lớn thì tác dụng làm quay càng mạnh. (Ví dụ: Đẩy cửa mạnh hơn thì cửa quay nhanh hơn).
- Khoảng cách từ điểm đặt lực đến trục quay (cánh tay đòn ): Khoảng cách này được gọi là cánh tay đòn. Cánh tay đòn càng dài thì tác dụng làm quay càng lớn. (Ví dụ: Đẩy cửa ở mép cửa dễ hơn đẩy gần bản lề).
- Định nghĩa cánh tay đòn (): Cánh tay đòn là khoảng cách từ trục quay đến giá của lực (đường thẳng chứa vecto lực) và phải vuông góc với giá của lực.
2. Moment lực ()
Để đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực, người ta đưa ra khái niệm moment lực.
Moment lực () là đại lượng vật lý đặc trưng cho tác dụng làm quay của một lực quanh một trục cố định. Nó cho biết “hiệu quả” của lực trong việc làm vật quay.
Công thức tính moment lực:
Trong đó:
- : là moment lực.
- Đơn vị chuẩn của moment lực là Newton mét ().
- : là độ lớn của lực tác dụng lên vật.
- Đơn vị chuẩn là Newton ().
- : là cánh tay đòn của lực.
- Đơn vị chuẩn là mét ().
- Hãy nhớ phải là khoảng cách **vuông góc** từ trục quay đến giá của lực.
3. Quy tắc moment lực (Điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định)
Khi vật chịu tác dụng của nhiều lực làm quay, vật sẽ quay theo chiều của moment lực tổng hợp lớn hơn.
Để một vật có trục quay cố định (như đòn bẩy, cánh cửa) ở trạng thái cân bằng (không quay hoặc quay đều), thì tổng các moment lực có xu hướng làm vật quay theo một chiều phải bằng tổng các moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều ngược lại.
Hay nói cách khác:
Tổng moment lực làm vật quay cùng chiều kim đồng hồ = Tổng moment lực làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.
Quy tắc này rất quan trọng trong việc thiết kế các dụng cụ như đòn bẩy, cân bằng vật, và hiểu các hệ thống cơ học có trục quay.
🔹 III. 10 ví dụ minh họa có lời giải chi tiết
Hãy cùng áp dụng công thức và quy tắc moment lực vào các bài toán thực tế nhé!
- Ví dụ 1 (Cơ bản – Tính ): Một lực tác dụng vuông góc lên một thanh quay quanh trục cố định. Khoảng cách từ điểm đặt lực đến trục quay (cánh tay đòn) là . Tính moment lực.
- Phân tích: , . Đơn vị đã chuẩn.
- Lời giải:Moment lực được tính bằng công thức:
- Đáp số: .
- Ví dụ 2 (Cơ bản – Tính ): Một người dùng tay tác dụng lực vuông góc lên tay nắm cửa, cách bản lề . Tính moment lực mà người đó tác dụng để mở cửa.
- Phân tích: , .
- Lời giải: .
- Đáp số: .
- Ví dụ 3 (Tính ): Một lực tác dụng lên vật tạo ra moment lực là . Biết độ lớn của lực là . Tính cánh tay đòn của lực.
- Phân tích: , . Từ , suy ra .
- Lời giải: .
- Đáp số: .
- Ví dụ 4 (So sánh moment – Hai lực trái chiều): Một thanh đồng chất có thể quay quanh một trục ở giữa. Có hai lực và tác dụng vuông góc lên thanh ở hai phía, với cánh tay đòn tương ứng là và . Hỏi thanh sẽ quay theo chiều nào?
- Phân tích: Tính moment do mỗi lực gây ra. Giả sử làm quay cùng chiều kim đồng hồ và làm quay ngược chiều kim đồng hồ.
- Lời giải:Vì (), nên thanh sẽ quay theo chiều của , tức là quay cùng chiều kim đồng hồ.
- Đáp số: Thanh quay cùng chiều kim đồng hồ.
- Phân tích: Tính moment do mỗi lực gây ra. Giả sử làm quay cùng chiều kim đồng hồ và làm quay ngược chiều kim đồng hồ.
- Ví dụ 5 (Đòn bẩy – Tính ): Một đòn bẩy dài có trục quay cố định tại điểm . Lực tác dụng tại điểm cách một khoảng (làm đòn bẩy quay cùng chiều kim đồng hồ). Tính moment lực .
- Phân tích: , .
- Lời giải: .
- Đáp số: .
- Ví dụ 6 (Đòn bẩy – Cân bằng): Với đòn bẩy ở ví dụ 5, cần đặt một lực (làm đòn bẩy quay ngược chiều kim đồng hồ) cách trục quay bao nhiêu () để đòn bẩy cân bằng?
- Phân tích: Để đòn bẩy cân bằng, moment làm quay cùng chiều phải bằng moment làm quay ngược chiều: . Ta đã có . Cần tìm khi . Từ , suy ra .
- Lời giải:Để đòn bẩy cân bằng, ta có .
Vậy, .
- Đáp số: .
- Ví dụ 7 (Ứng dụng – Đòn bẩy tải nặng): Hai người cùng nâng một thanh gỗ dài , nặng tại hai đầu thanh. Trọng tâm của thanh nằm ở giữa. Nếu người thứ nhất đứng cách đầu thanh và người thứ hai đứng ở đầu kia, tính moment do trọng lực của thanh gây ra so với trục quay ở người thứ nhất.
- Phân tích: Trọng tâm thanh cách mỗi đầu . Nếu trục quay ở người thứ nhất (cách đầu 0.5m), thì cánh tay đòn của trọng lực (so với trục quay của người 1) là . Lực là trọng lượng .
- Lời giải: Moment do trọng lực gây ra so với trục quay ở người thứ nhất là:.
- Đáp số: .
- Ví dụ 8 (Ứng dụng – Cờ lê): Giải thích tại sao một chiếc cờ lê có tay cầm dài lại dễ dàng mở được những con ốc bị kẹt hơn một chiếc cờ lê có tay cầm ngắn?
- Giải thích: Khi mở ốc, con ốc đóng vai trò là trục quay. Lực mà chúng ta tác dụng lên cờ lê () là như nhau. Tuy nhiên, cờ lê có tay cầm dài sẽ tạo ra một cánh tay đòn () lớn hơn. Theo công thức , khi lớn, moment lực () tạo ra sẽ lớn hơn. Moment lực lớn giúp ta dễ dàng làm con ốc quay và mở được nó, kể cả khi ốc bị kẹt.
- Ví dụ 9 (Ứng dụng – Mở nắp chai): Mô tả cách bạn áp dụng moment lực khi mở nắp chai bằng tay.
- Mô tả: Khi mở nắp chai, nắp chai là vật quay và tâm nắp chai là trục quay. Các ngón tay của bạn tác dụng lực lên mép nắp chai. Khoảng cách từ tâm nắp chai đến mép nắp (nơi bạn đặt tay) chính là cánh tay đòn (). Lực từ các ngón tay () kết hợp với cánh tay đòn () tạo ra moment lực () làm nắp chai quay và mở ra.
- Ví dụ 10 (Ứng dụng – Bàn cân): Giải thích nguyên lý cân bằng của một chiếc bàn cân đòn (dạng cân Robecvan) dựa trên quy tắc moment lực.
- Giải thích: Một chiếc bàn cân đòn có một điểm tựa (trục quay) ở giữa. Khi đặt vật lên một đĩa cân và đặt quả cân lên đĩa còn lại, trọng lượng của chúng tác dụng lực xuống. Để bàn cân cân bằng (thanh ngang nằm ngang), moment lực do trọng lượng của vật gây ra ở một bên phải cân bằng với moment lực do trọng lượng của quả cân gây ra ở phía còn lại. Tức là, . Khi đó, bàn cân sẽ không quay theo chiều nào cả.
🔹 IV. 20 câu trắc nghiệm có đáp án và giải thích
- Câu 1: Moment lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng nào của lực?
A. Làm vật chuyển động thẳng
B. Làm vật quay quanh trục ✅
C. Biến dạng vật
D. Tăng tốc độ chuyển động
Giải thích: Moment lực là thước đo khả năng một lực làm quay vật quanh một trục. - Câu 2: Công thức tính moment lực là gì?
A.
B. ✅
C.
D.
Giải thích: Moment lực () bằng độ lớn của lực () nhân với cánh tay đòn (). - Câu 3: Một lực tác dụng với cánh tay đòn . Moment lực là bao nhiêu?
A.
B. ✅
C.
D.
Giải thích: . - Câu 4: Đơn vị của moment lực là gì?
A. Newton ()
B. Mét ()
C. Newton mét () ✅
D. Pascal ()
Giải thích: Từ công thức , đơn vị của là tích của đơn vị lực () và đơn vị khoảng cách (). - Câu 5: Cánh tay đòn () là gì?
A. Khoảng cách từ điểm đặt lực đến vật
B. Khoảng cách từ trục quay đến vật
C. Khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá của lực ✅
D. Độ dài của vật
Giải thích: Cánh tay đòn phải là khoảng cách vuông góc từ trục quay đến đường tác dụng của lực. - Câu 6: Để tăng tác dụng làm quay của lực, ta có thể làm cách nào sau đây?
A. Giảm độ lớn của lực
B. Giảm cánh tay đòn
C. Tăng độ lớn của lực và/hoặc tăng cánh tay đòn ✅
D. Giữ nguyên cả lực và cánh tay đòn
Giải thích: Từ , để tăng , ta cần tăng hoặc tăng (hoặc cả hai). - Câu 7: Một vật chịu tác dụng của hai moment lực (quay cùng chiều kim đồng hồ) và (quay ngược chiều kim đồng hồ). Vật sẽ quay theo chiều nào?
A. Cùng chiều kim đồng hồ
B. Ngược chiều kim đồng hồ ✅
C. Không quay
D. Quay rồi dừng lại
Giải thích: Vật quay theo chiều của moment có độ lớn lớn hơn. Vì , vật sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. - Câu 8: Ứng dụng nào sau đây không liên quan trực tiếp đến moment lực?
A. Mở cửa
B. Dùng cờ lê mở ốc
C. Bàn cân Robecvan
D. Đẩy một chiếc hộp trên mặt sàn ✅
Giải thích: Đẩy một chiếc hộp trên mặt sàn chủ yếu liên quan đến chuyển động tịnh tiến và lực ma sát, không phải tác dụng làm quay quanh một trục cố định. - Câu 9: Một cái bập bênh đang cân bằng. Điều này có nghĩa là:
A. Lực tác dụng lên hai bên bằng nhau
B. Cánh tay đòn của hai bên bằng nhau
C. Tổng moment lực quay cùng chiều bằng tổng moment lực quay ngược chiều ✅
D. Cả A và B đều đúng
Giải thích: Điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định là tổng moment lực làm quay cùng chiều phải bằng tổng moment lực làm quay ngược chiều. - Câu 10: Một người dùng thanh xà beng để nhổ đinh. Điểm tì của xà beng đóng vai trò là gì?
A. Điểm đặt lực
B. Điểm tác dụng
C. Trục quay ✅
D. Cánh tay đòn
Giải thích: Điểm tì của đòn bẩy (xà beng) chính là trục quay mà vật (xà beng và đinh) quay quanh đó. - Câu 11: Một đòn bẩy có trục quay tại O. Lực tác dụng cách O và lực tác dụng cách O , hai lực này gây ra moment ngược chiều. Hỏi đòn bẩy có cân bằng không? Nếu không thì quay theo chiều nào?
A. Cân bằng
B. Quay theo chiều
C. Quay theo chiều ✅
D. Không quay
Giải thích: . . Vì , đòn bẩy cân bằng.
**Lưu ý:** Đáp án đúng phải là A. Cân bằng. Tôi sẽ sửa lại đáp án và giải thích để khớp.
**A. Cân bằng ✅
Giải thích: . . Vì , đòn bẩy cân bằng. - Câu 12: Nếu cánh tay đòn của lực tăng gấp 3 lần và lực không đổi, thì moment lực sẽ thay đổi như thế nào?
A. Giảm 3 lần
B. Tăng 9 lần
C. Tăng 3 lần ✅
D. Không đổi
Giải thích: . Nếu tăng 3 lần, cũng tăng 3 lần. - Câu 13: Trong công thức , nếu và đã biết, làm thế nào để tìm ?
A.
B.
C. ✅
D.
Giải thích: Từ , suy ra . - Câu 14: Vật nào sau đây không thể coi là vật có trục quay cố định?
A. Cánh cửa
B. Vô lăng ô tô
C. Bánh xe đạp
D. Quả bóng đang lăn trên sàn nhà ✅
Giải thích: Quả bóng đang lăn là chuyển động tịnh tiến và quay đồng thời, không có trục quay cố định duy nhất mà nó quay quanh tại một điểm cố định. - Câu 15: Một người dùng tay đẩy một chiếc xe đẩy. Lực đẩy có phương song song với mặt đất. Tác dụng chính của lực này là gì?
A. Làm xe quay quanh trục bánh xe
B. Làm xe chuyển động tịnh tiến ✅
C. Làm xe biến dạng
D. Tạo ra moment lực lớn
Giải thích: Lực đẩy song song với mặt đất chủ yếu tạo ra chuyển động tịnh tiến cho xe, không phải tác dụng làm quay quanh một trục cố định của toàn bộ xe. - Câu 16: Nếu một lực đi qua trục quay, moment lực do lực đó gây ra là bao nhiêu?
A. Bằng lực đó
B. Lớn nhất
C. Bằng 0 ✅
D. Không xác định
Giải thích: Nếu lực đi qua trục quay, cánh tay đòn () bằng 0, nên . Lực đó sẽ không làm vật quay. - Câu 17: Một lực tác dụng vào một bánh xe. Cánh tay đòn của lực là . Moment lực là?
A.
B. ✅
C.
D.
Giải thích: . - Câu 18: Để nhổ một chiếc đinh bị kẹt, người ta thường dùng xà beng có tay cầm dài. Điều này dựa vào nguyên tắc nào?
A. Tăng lực tác dụng
B. Giảm lực tác dụng
C. Tăng cánh tay đòn để tạo moment lực lớn hơn ✅
D. Giảm moment lực
Giải thích: Tay cầm dài làm tăng cánh tay đòn (), giúp tạo ra moment lực lớn hơn () để nhổ đinh dễ dàng hơn. - Câu 19: Trong một hệ thống đòn bẩy, nếu một vật ở bên trái có moment lực và một vật ở bên phải có moment lực . Để hệ thống cân bằng, điều kiện là gì?
A.
B.
C. ✅
D.
Giải thích: Theo quy tắc moment lực, để vật cân bằng, tổng moment làm quay cùng chiều phải bằng tổng moment làm quay ngược chiều. - Câu 20: Một người đẩy một cánh cửa. Lực đẩy có phương vuông góc với cánh cửa. Cánh tay đòn của lực là khoảng cách từ điểm đặt lực đến:
A. Mép cửa
B. Tay nắm cửa
C. Bản lề (trục quay) ✅
D. Điểm giữa của cửa
Giải thích: Cánh tay đòn là khoảng cách vuông góc từ trục quay (bản lề) đến giá của lực.
🔹 V. Bài tập nâng cao (Thử thách cho bạn!)
- Bài 1: Cân bằng của thanh gỗ
Một thanh gỗ đồng chất dài , có trọng lượng . Thanh được đặt trên một điểm tựa (trục quay) .a) Nếu trục quay ở giữa thanh, cần đặt một vật nặng cách trục quay bao nhiêu để thanh cân bằng? (Lấy ).
b) Nếu trục quay cách một đầu thanh , cần đặt một vật nặng ở đầu còn lại để thanh cân bằng. Hỏi vật nặng đó phải đặt cách trục quay bao nhiêu?
- Bài 2: Hai người nâng thanh sắt
Một thanh sắt dài có trọng lượng và trọng tâm ở giữa. Hai người nâng thanh sắt ở hai đầu.a) Nếu hai người nâng ở đúng hai đầu thanh, mỗi người chịu một lực là bao nhiêu?
b) Nếu người thứ nhất nâng cách một đầu thanh , và người thứ hai nâng ở đầu còn lại, tính lực mà mỗi người phải tác dụng để thanh cân bằng.
- Bài 3: Mở ốc bằng cờ lê
Một người dùng cờ lê có cánh tay đòn để mở một con ốc, tác dụng một lực vuông góc với cờ lê là .a) Tính moment lực tác dụng lên con ốc.
b) Nếu con ốc bị kẹt và cần moment lực tối thiểu là để mở, người đó cần dùng một chiếc cờ lê có cánh tay đòn tối thiểu là bao nhiêu nếu vẫn dùng lực ?
- Bài 4: Bánh xe và lực làm quay
Một bánh xe đạp có bán kính có thể quay quanh trục. Một lực tác dụng tiếp tuyến lên vành bánh xe.a) Tính moment lực do gây ra.
b) Để bánh xe quay được, lực phải tác dụng như thế nào so với trục quay?
- Bài 5: Xác định vị trí điểm tựa
Một thanh đồng chất dài , có trọng lượng . Một vật nặng được treo ở một đầu thanh. Cần đặt điểm tựa cách vật nặng bao nhiêu để thanh cân bằng?
🔹 VI. Mẹo học nhanh và ghi nhớ
- “Moment = Lực x Cánh tay đòn”: Công thức cốt lõi (). Hãy luôn ghi nhớ và hiểu rõ từng đại lượng.
- “Cánh tay đòn dài, sức nhẹ gánh”: Cánh tay đòn càng dài, moment lực tạo ra càng lớn với cùng một lực, giúp công việc dễ dàng hơn (ví dụ: cờ lê dài, tay nắm cửa xa bản lề).
- “Cân bằng khi Moment đối xứng”: Để vật có trục quay cố định cân bằng, tổng moment lực làm quay theo một chiều phải bằng tổng moment lực làm quay theo chiều ngược lại ().
- “Không đi qua trục, mới làm quay”: Lực nào có giá (đường thẳng chứa lực) đi qua trục quay thì không gây ra moment lực ().
- “Tam giác ”: Dùng tam giác để nhớ nhanh các biến thể của công thức:M
/ \
F dChe đại lượng bạn muốn tìm, hai đại lượng còn lại sẽ cho bạn công thức:
- Che :
- Che :
- Che :
🔹 VII. Liên kết luyện tập
Để củng cố kiến thức và thực hành một cách vui vẻ, các bạn có thể truy cập:
👉 Làm bài tập moment lực tại đây
🎮 Trò chơi đòn bẩy – lực quay – kiểm tra nhanh
Chúc các bạn học tốt và nắm vững kiến thức về tác dụng làm quay của lực và moment lực!