Tác dụng làm quay của lực. Mô-men lực

Đẩy một cánh cửa nặng mà đặt tay sát bản lề thì cửa chỉ nhích một chút. Đặt tay ở mép cửa, cũng đẩy như thế, cửa quay ra nhẹ tênh. Bài này giải thích vì sao.

1. Khi nào lực làm vật quay?

Nhiều vật chỉ quay quanh một trục quay cố định: cánh cửa quay quanh bản lề, bánh xe quay quanh trục, vô lăng quay quanh tâm.

Giá của lực là đường thẳng chứa mũi tên biểu diễn lực. Vẽ mũi tên lực rồi kéo dài nó ra hai phía, bạn sẽ được giá của lực.

Lực làm vật quay khi giá của lực không song song và không cắt trục quay.
Giá của lực đi qua trục, hoặc song song với trục, thì lực không làm vật quay.

• Ví dụ 1 (cánh cửa nhìn từ trên xuống). Bản lề thu lại thành một điểm O.
  • Đẩy mép cửa theo hướng vuông góc với cánh cửa: giá không qua O, cửa quay.
  • Kéo tay nắm dọc theo cánh cửa, hướng thẳng vào bản lề: giá đi qua O, kéo mạnh mấy cửa cũng đứng yên.
  • Nhìn cửa từ phía trước, nhấc tay nắm thẳng lên trên: giá song song với trục bản lề, cửa cũng không quay.
• Ví dụ 2 (bánh xe đạp dựng ngược). Gạt vành theo hướng tiếp tuyến thì bánh quay tít. Kéo vành thẳng ra ngoài, theo hướng xa tâm, thì giá đi qua trục nên bánh không quay.

2. Mô-men lực

Tác dụng làm quay của lực lên một vật quanh một điểm hoặc một trục được đặc trưng bằng mô-men lực (viết là moment lực). Mô-men càng lớn, tác dụng làm quay càng mạnh. Mô-men lực phụ thuộc vào hai yếu tố.

a) Độ lớn của lực

Giữ nguyên chỗ đặt lực: lực càng lớn, mô-men lực càng lớn, tác dụng làm quay càng lớn.

• Ví dụ 1. Vặn đai ốc bằng cờ lê, tay cầm ở cùng một chỗ: đẩy nhẹ thì đai ốc không nhúc nhích, đẩy mạnh hơn thì đai ốc xoay.
• Ví dụ 2. Bập bênh đang nằm ngang, bạn ấn tay xuống đầu bên phải: ấn nhẹ thì bập bênh nghiêng từ từ, ấn mạnh thì đầu đó sập xuống thật nhanh.

b) Khoảng cách từ trục quay tới giá của lực

Kí hiệu d: từ trục O kẻ đoạn vuông góc tới giá của lực, độ dài đoạn đó là d (còn gọi là cánh tay đòn).

Giữ nguyên độ lớn lực: giá của lực càng cách xa trục quay, mô-men lực càng lớn, tác dụng làm quay càng lớn.

• Ví dụ 1. Hai chiếc cờ lê, tay cầm ngắn và tay cầm dài, cùng đẩy một lực vuông góc ở đầu tay cầm: cờ lê dài có d lớn hơn nên vặn nhẹ hơn hẳn.
• Ví dụ 2. Đẩy cửa gần bản lề thì d rất nhỏ; đẩy ở mép cửa thì d lớn nhất. Vì vậy tay nắm cửa luôn được lắp xa bản lề.

Tóm tắt

Lỗi hay gặp

1. Lấy d là khoảng cách tới điểm đặt lực. d đo tới giá của lực. Lực đẩy xiên ở đầu tay cầm thì điểm đặt vẫn ở đầu, nhưng d ngắn hơn tay cầm. Muốn d lớn nhất, hãy đẩy vuông góc với tay cầm.
2. Quên rằng lực có giá đi qua trục thì không làm quay. Khi đó d = 0, lực lớn cỡ nào cũng vô ích.
3. Nghĩ lực lớn hơn thì luôn làm quay mạnh hơn. Mô-men phụ thuộc cả lực lẫn d. Chỉ khi d như nhau mới so được bằng độ lớn lực.

Bài tập theo dạng

Dạng 1. Lực nào làm vật quay?

Cách làm: xác định trục quay → kéo dài giá của lực → giá đi qua trục hoặc song song với trục thì không quay; ngược lại thì có quay.

Bài 1. Vô lăng tròn quay quanh tâm O. Lực nào làm vô lăng quay?
a) Lực F₁ đặt ở vành, theo hướng tiếp tuyến với vành.
b) Lực F₂ đặt ở vành, hướng thẳng vào tâm O.
c) Lực F₃ đặt ở vành, kéo xiên (không tiếp tuyến, không hướng vào tâm).

Bài 2. Cánh cửa tủ lạnh quay quanh bản lề thẳng đứng. Lực nào không làm cửa quay?
a) Kéo tay nắm ra phía trước, vuông góc với mặt cửa.
b) Nhấc tay nắm thẳng lên trên.
c) Ấn vào mép cửa, hướng thẳng vào bản lề.

Dạng 2. Tìm khoảng cách d

Cách làm: kéo dài giá của lực → từ O kẻ đoạn vuông góc tới giá → đo hoặc đếm ô.

Bài 3. Một tấm bìa quay quanh trục O, vẽ trên lưới ô vuông cạnh 5 cm. Điểm A cách O 4 ô sang phải; điểm B ở ngay trên A 3 ô.
a) Lực thẳng đứng đặt tại A. Tìm d.
b) Lực thẳng đứng đặt tại B. Tìm d.
c) Lực nằm ngang đặt tại B. Tìm d.

Dạng 3. So sánh mô-men lực, giải thích thực tế

Cách làm: so từng yếu tố. Cùng d thì lực lớn hơn có mô-men lớn hơn; cùng lực thì d lớn hơn có mô-men lớn hơn. Giá qua trục thì mô-men bằng 0.

Bài 4.
a) Minh và Hà đẩy cửa xoay bằng hai lực bằng nhau, vuông góc với cánh cửa. Minh đẩy cách trục 1 m, Hà đẩy cách trục 40 cm. Mô-men của ai lớn hơn?
b) Lan và Nam vặn cùng một van nước, tay đặt ở đầu tay vặn, đẩy vuông góc. Lan đẩy 5 N, Nam đẩy 8 N. Mô-men của ai lớn hơn?
c) Vì sao vô lăng xe tải cỡ lớn thường to hơn vô lăng xe con?

Trò chơi ở nhà (5 phút)

"Đẩy cửa bằng một ngón tay". Chọn một cánh cửa phòng. Dùng một ngón tay đẩy cửa lần lượt ở 3 chỗ: sát bản lề, giữa cửa, mép cửa. Chỗ nào cửa mở được, chỗ nào khó nhất? Thử thêm: đẩy ở mép cửa nhưng xiên, gần như dọc theo cánh cửa, và xem cửa khó mở hơn thế nào. Giải thích bằng khoảng cách d.