Vật lý 10 · Động lực học
Ba định luật Newton, lực ma sát và mặt phẳng nghiêng
Tổng hợp và phân tích lực, ba định luật Newton, trọng lực, lực ma sát, lực căng dây và bài toán vật trên mặt phẳng nghiêng.
Tổng hợp và phân tích lực
Lực là đại lượng vectơ. Hợp lực \(\vec F = \vec F_1 + \vec F_2\) tìm theo quy tắc hình bình hành:
\[F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2F_1F_2\cos\alpha}\]- Cùng chiều: \(F = F_1 + F_2\); ngược chiều: \(F = |F_1 - F_2|\); vuông góc: \(F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}\).
- Luôn có \(|F_1 - F_2| \le F \le F_1 + F_2\).
Ba định luật Newton
| Định luật | Nội dung |
|---|---|
| I – Quán tính | Nếu hợp lực bằng 0, vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, vật chuyển động sẽ chuyển động thẳng đều. |
| II | \(\vec a = \dfrac{\vec F}{m}\) – gia tốc cùng hướng hợp lực, tỉ lệ thuận với lực, tỉ lệ nghịch với khối lượng. |
| III | \(\vec F_{AB} = -\vec F_{BA}\) – lực và phản lực cùng giá, ngược chiều, cùng độ lớn, đặt vào hai vật khác nhau nên không triệt tiêu. |
Một số lực thường gặp
- Trọng lực: \(P = mg\), hướng thẳng đứng xuống.
- Phản lực pháp tuyến \(N\): vuông góc mặt tiếp xúc.
- Lực ma sát trượt: \(F_{ms} = \mu N\), ngược chiều chuyển động tương đối, không phụ thuộc diện tích tiếp xúc.
- Lực ma sát nghỉ: cân bằng với ngoại lực khi vật chưa trượt, \(F_{msn} \le \mu_n N\).
- Lực căng dây \(T\): dọc theo dây, hướng vào phần giữa dây.
- Lực cản của chất lưu: tăng khi tốc độ tăng; vật rơi đạt tốc độ giới hạn khi lực cản bằng trọng lực.
Vật trên mặt phẳng nghiêng
Vật trượt xuống mặt phẳng nghiêng góc \(\alpha\), hệ số ma sát \(\mu\). Chọn trục Ox dọc mặt phẳng, Oy vuông góc:
\[N = mg\cos\alpha \qquad a = g(\sin\alpha - \mu\cos\alpha)\]- Vật tự trượt khi \(\tan\alpha > \mu\); trượt đều khi \(\tan\alpha = \mu\).
- Vật được đẩy lên dốc (chậm dần): \(a = -g(\sin\alpha + \mu\cos\alpha)\).
Các bước giải bài động lực học: (1) chọn vật, vẽ đủ lực; (2) chọn hệ trục; (3) viết \(\sum\vec F = m\vec a\) rồi chiếu lên từng trục; (4) giải hệ, kết hợp công thức động học.
🔬 Mô phỏng tương tác
- Đặt Lực kéo F (lên dốc) = 0, Hệ số ma sát μ = 0,3 rồi tăng dần Góc nghiêng α: vật đứng yên đến khi α vượt khoảng 17° (tan α = μ) mới bắt đầu trượt – xem ô Trạng thái.
- Bật Phân tích P thành 2 thành phần: so sánh ô N với P cosα và ô P sinα – phản lực N cân bằng thành phần vuông góc của trọng lực.
- Cho μ = 0 và đổi Khối lượng m: ô a luôn bằng g·sinα, không phụ thuộc m – vì cả lực và quán tính cùng tỉ lệ với m (a = F/m).
- Tăng Lực kéo F đến khi vật đi lên dốc: bật Hiện hợp lực và kiểm tra a = (F − P sinα − F_ms)/m; chú ý lực ma sát luôn ngược chiều chuyển động.
📐 Công thức cần nhớ
✍️ Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Một vật khối lượng 2 kg đặt trên sàn nằm ngang, chịu lực kéo 10 N theo phương ngang. Hệ số ma sát trượt là 0,2. Lấy g = 10 m/s². Tính gia tốc của vật.
Xem lời giải
- \(N = mg = 20\) N; \(F_{ms} = \mu N = 0{,}2\cdot 20 = 4\) N.
- Định luật II: \(F - F_{ms} = ma \Rightarrow a = \dfrac{10 - 4}{2} = 3\) m/s².
✅ Đáp số: a = 3 m/s²
Ví dụ 2. Một vật trượt từ đỉnh mặt phẳng nghiêng góc 30°, hệ số ma sát 0,1. Lấy g = 10 m/s². Tính gia tốc của vật.
Xem lời giải
- \(a = g(\sin\alpha - \mu\cos\alpha) = 10(0{,}5 - 0{,}1\cdot 0{,}866)\).
- \(a \approx 10\cdot 0{,}413 = 4{,}13\) m/s².
✅ Đáp số: a ≈ 4,13 m/s²
Ví dụ 3. Hai lực 6 N và 8 N cùng tác dụng vào một chất điểm và vuông góc với nhau. Chất điểm có khối lượng 2 kg. Tính gia tốc.
Xem lời giải
- \(F = \sqrt{6^2 + 8^2} = 10\) N.
- \(a = F/m = 10/2 = 5\) m/s².
✅ Đáp số: a = 5 m/s²
⚠️ Lỗi thường gặp
- Cho rằng lực và phản lực triệt tiêu nhau – chúng đặt vào hai vật khác nhau.
- Viết áp lực N = mg cho mọi trường hợp, kể cả khi có lực kéo xiên hay mặt phẳng nghiêng.
- Nghĩ rằng phải có lực thì vật mới chuyển động – lực là nguyên nhân làm THAY ĐỔI vận tốc.
- Cộng độ lớn các lực như cộng số thường mà quên chúng là vectơ.
- Dùng công thức ma sát trượt μN khi vật còn đứng yên (lúc đó là ma sát nghỉ, bằng ngoại lực).