Tới nội dung

Vật lí lớp 8 · Bài 19 · 8 phút

Đòn bẩy và ứng dụng

Tải bài tập về nhà (PDF, có lời giải)Xem trên YouTube

Mục lục video

Một tảng đá nặng 600 N, bạn dùng hết sức cũng không nhấc nổi. Thế mà chỉ cần một thanh sắt dài kê lên viên gạch, đẩy nhẹ ở đầu kia, tảng đá đã nhấc lên. Bí mật nằm ở đâu?

1. Đòn bẩy gồm những gì?

Đòn bẩy là một vật cứng quay được quanh một điểm cố định.

Điểm tựa O: điểm cố định mà đòn bẩy quay quanh.
Lực tác dụng $F_1$ : lực của tay ta (hoặc của máy) tác dụng lên đòn bẩy.
Lực cản $F_2$ : lực của vật cần nâng, cần cắt, cần ép… tác dụng lên đòn bẩy.
Cánh tay đòn: khoảng cách từ điểm tựa O tới giá (đường thẳng chứa mũi tên) của lực.
$d_1$ là cánh tay đòn của $F_1$ , $d_2$ là cánh tay đòn của $F_2$ .

Đòn bẩy có thể đổi hướng của lực: tay ấn xuống, vật lại đi lên.

Ví dụ 1. Chiếc bập bênh: điểm tựa là trục ở giữa; hai bạn ngồi ở hai đầu tạo ra hai lực đè xuống.
Ví dụ 2. Dùng cán thìa bẩy nắp hộp sơn: điểm tựa là mép hộp, lực cản ở chỗ nắp bám vào hộp, tay ấn xuống ở cuối cán thìa. Tay ấn xuống, nắp bật lên.

2. Khi nào đòn bẩy cho ta lợi về lực?

Đặt một vật nặng 600 N ở đầu trái của một thanh cứng dài 8 vạch, tay ấn ở đầu phải, rồi dời điểm tựa:

Điểm tựa	$d_2$ (phía vật)	$d_1$ (phía tay)	Lực tay cần ấn
ở giữa	4 vạch	4 vạch	600 N (bằng vật)
gần vật	2 vạch	6 vạch	200 N (nhẹ hơn)
xa vật	6 vạch	2 vạch	1 800 N (nặng hơn)

Đòn bẩy cho ta lợi về lực khi cánh tay đòn của lực tác dụng dài hơn cánh tay đòn của lực cản ( $d_1 > d_2$ ).

Nhớ lại moment lực: đòn bẩy nằm cân bằng khi moment hai bên bằng nhau:

$F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2$

Ví dụ 1. Bố nặng 600 N ngồi cách trục bập bênh 1 m, con nặng 300 N ngồi cách trục 2 m.
$600 \cdot 1 = 300 \cdot 2 = 600$ → bập bênh thăng bằng. Người nhẹ hơn ngồi xa trục hơn.
Ví dụ 2. Xà beng bẩy hòn đá 900 N. Đá cách điểm tựa 0,2 m, tay cách điểm tựa 1,2 m.
$F_1 = \dfrac{900 \cdot 0{,}2}{1{,}2} = 150$ N — nhẹ đi 6 lần.
Nhưng tay phải đi quãng đường dài gấp 6 lần quãng đường hòn đá nhấc lên: lợi về lực thì thiệt về đường đi.

3. Các loại đòn bẩy

Loại	Vị trí điểm tựa O	Lợi về lực?	Ví dụ
Loại 1	nằm giữa hai điểm đặt lực	tuỳ: lợi nếu $d_1 > d_2$	bập bênh, cái kìm, thìa bẩy nắp hộp sơn
Loại 2 (lợi về lực)	ở một đầu; tay xa O hơn vật	luôn lợi	cái ép tỏi, bàn xén giấy
Loại 2 (không lợi về lực)	ở một đầu; tay gần O hơn vật	thiệt về lực, lợi về đường đi	cần gạt nước ô tô, cánh tay máy xúc

Loại 2 không lợi về lực có nơi gọi là đòn bẩy loại 3. Nó vẫn có ích: tay (hoặc máy) chỉ nhích một đoạn ngắn mà đầu kia đi được quãng đường dài và nhanh.

4. Ứng dụng: làm việc khéo hơn

Cái kéo gồm hai đòn bẩy loại 1; điểm tựa là cái chốt ở giữa, không phải mũi kéo. Cắt cành cây cứng: đẩy cành vào sát chốt ( $d_2$ ngắn) và cầm ở cuối cán ( $d_1$ dài) → nhẹ tay hẳn.
Kéo cắt tôn cán dài, lưỡi ngắn → lợi về lực. Kéo cắt giấy lưỡi dài, cán ngắn → không cần lực lớn, mỗi nhát cắt được dài.

Kí hiệu

Kí hiệu	Đọc	Nghĩa
O	ô	điểm tựa
$F_1$	ép một	lực tác dụng (tay)
$F_2$	ép hai	lực cản (vật)
$d_1$ , $d_2$	đê một, đê hai	cánh tay đòn, đo từ O
$F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2$		điều kiện cân bằng

Lỗi hay gặp

Nghĩ đòn bẩy nào cũng lợi về lực. Sai: khi tay đặt gần điểm tựa hơn vật (cần gạt nước, máy xúc), ta thiệt về lực.
Nhầm điểm tựa. Ở cái kéo, cái kìm, điểm tựa là chốt, không phải đầu mũi hay đầu cán.
Đo cánh tay đòn sai. Cánh tay đòn đo từ điểm tựa tới giá của lực, không phải khoảng cách giữa hai lực, cũng không phải cả chiều dài thanh.

Bài tập theo dạng

Dạng 1: Xác định điểm tựa và loại đòn bẩy

Cách làm: (1) tìm chỗ dụng cụ quay quanh → điểm tựa; (2) điểm tựa ở giữa hay ở một đầu; (3) tay xa hay gần điểm tựa hơn vật.

Bài 1. Với mỗi dụng cụ, chỉ ra điểm tựa, loại đòn bẩy và có lợi về lực không:
a) kìm cắt dây thép; b) bàn xén giấy (lưỡi dao gắn bản lề ở một đầu bàn); c) cánh tay máy xúc (xi lanh đẩy gần khớp quay, gầu ở đầu cần).

Đáp án

a) Điểm tựa là chốt kìm, nằm giữa dây (ở mỏ) và tay (ở cán) → loại 1; tay xa chốt hơn dây → lợi về lực.
b) Điểm tựa là bản lề ở một đầu; giấy ở giữa, tay ở đầu kia → loại 2, tay xa O hơn vật → lợi về lực.
c) Điểm tựa là khớp quay; xi lanh (lực tác dụng) gần khớp, gầu (vật) ở xa → loại 2 không lợi về lực (thiệt về lực, lợi về đường đi).

Bài 2. Bạn Tú nói: "Đã dùng đòn bẩy thì bao giờ cũng nhẹ tay hơn." Đúng hay sai? Cho một ví dụ.

Đáp án

Sai. Ví dụ cần gạt nước ô tô: mô-tơ đẩy gần trục, lưỡi gạt ở xa → mô-tơ phải dùng lực lớn hơn lực cản ở lưỡi gạt; bù lại lưỡi gạt quét được rộng và nhanh.

Dạng 2: Tính lực hoặc cánh tay đòn bằng $F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2$

Cách làm: đo từng cánh tay đòn từ điểm tựa, thay vào $F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2$ rồi tìm đại lượng chưa biết.

Bài 3. Thanh gỗ AB dài 1,25 m dùng để bẩy một cối đá nặng 800 N đặt ở đầu A. Điểm tựa O cách A 0,25 m, tay ấn ở đầu B.
a) Tay cần ấn một lực bao nhiêu?
b) Muốn chỉ ấn 100 N thì tay phải cách O bao xa?

Đáp án

a) $d_2 = OA = 0{,}25$ m; $d_1 = OB = 1{,}25 - 0{,}25 = 1$ m (không phải $AB = 1{,}25$ m).
$F_1 \cdot 1 = 800 \cdot 0{,}25$ → $F_1 = 200$ N.
b) $d_1 = \dfrac{800 \cdot 0{,}25}{100} = 2$ m.

Dạng 3: Bập bênh nghiêng bên nào, ngồi đâu cho thăng bằng?

Cách làm: tính tích $F \cdot d$ mỗi bên; bên nào lớn hơn thì chúc xuống; bằng nhau thì thăng bằng.

Bài 4. Bập bênh có trục ở giữa, mỗi bên dài 1,5 m. Anh Minh nặng 450 N, bé Na nặng 300 N, cả hai ngồi ở hai đầu.
a) Bên nào chúc xuống?
b) Minh phải ngồi cách trục bao nhiêu để bập bênh thăng bằng?
c) Minh vẫn ngồi ở đầu. Na ôm thêm một ba lô. Ba lô nặng bao nhiêu thì bập bênh thăng bằng?

Đáp án

a) Minh: $450 \cdot 1{,}5 = 675$ ; Na: $300 \cdot 1{,}5 = 450$ . $675 > 450$ → bên Minh chúc xuống.
b) $450 \cdot d = 450$ → $d = 1$ m.
c) Bên Na cần $F \cdot 1{,}5 = 675$ → $F = 450$ N → ba lô nặng $450 - 300 = 150$ N.

Trò chơi ở nhà (5 phút)

Bập bênh bằng thước kẻ. Đặt một cây bút chì tròn nằm ngang trên bàn làm điểm tựa, gác thước kẻ 30 cm lên trên.

Đặt 2 đồng xu chồng nhau ở vạch 5 cm và 1 đồng xu ở phía bên kia. Đẩy bút chì sang trái, sang phải tới khi thước nằm cân bằng. Đồng xu đơn nằm xa bút chì gấp mấy lần chồng 2 đồng xu?
Đi quanh nhà, tìm 3 đồ vật là đòn bẩy (kéo, kìm, cái ép tỏi, cửa tủ…). Với mỗi đồ vật, chỉ ra điểm tựa và đoán xem nó giúp bạn lợi về lực hay lợi về đường đi.