CÂN BẰNG CỦA HẠT LÀ GÌ? (CÓ VÍ DỤ) - VẬT LÝ - 2025

Trạng thái cân bằng của hạt là trạng thái của hạt khi các ngoại lực tác dụng lên chúng bị triệt tiêu lẫn nhau. Điều này có nghĩa là nó duy trì một trạng thái không đổi, theo cách mà nó có thể xảy ra theo hai cách khác nhau tùy thuộc vào tình huống cụ thể.

Đầu tiên là ở trạng thái cân bằng tĩnh, trong đó hạt là bất động; và thứ hai là cân bằng động, nơi mà sự tổng hợp của các lực bị hủy bỏ, nhưng tuy nhiên hạt vẫn có chuyển động thẳng đều.

Hình 1. Sự hình thành đá ở trạng thái cân bằng. Nguồn: Pixabay.

Mô hình hạt là một phép gần đúng rất hữu ích để nghiên cứu chuyển động của một vật thể. Nó bao gồm giả định rằng tất cả khối lượng của vật thể đều tập trung tại một điểm duy nhất, bất kể kích thước của vật thể. Bằng cách này, bạn có thể đại diện cho một hành tinh, một chiếc xe hơi, một electron hoặc một quả bóng bi-a.

Lực lượng kết quả

Điểm đại diện cho vật thể là nơi mà các lực tác động lên nó. Những lực lượng có thể được thay thế bằng một trong đó có tác dụng tương tự, được gọi là lực lượng kết quả ròng hoặc lực và được ký hiệu là F _R hoặc F _N .

Theo định luật thứ hai của Newton, khi có một lực kết quả không cân bằng, vật thể chịu một gia tốc tỷ lệ với lực:

F _R = ma

Trong đó a là gia tốc mà vật có được nhờ tác dụng của lực và m là khối lượng của vật. Điều gì xảy ra nếu cơ thể không được tăng tốc? Chính xác những gì đã được chỉ ra lúc đầu: cơ thể ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động với chuyển động thẳng đều, thiếu gia tốc.

Đối với một hạt ở trạng thái cân bằng, việc đảm bảo rằng:

F _R = 0

Vì thêm vectơ không nhất thiết có nghĩa là thêm mô-đun, các vectơ phải được phân tách. Vì vậy, nó là hợp lệ để thể hiện:

F _x = ma _x = 0; F _y = ma _y = 0; F _z = ma _z = 0

Sơ đồ thân tự do

Để hình dung các lực tác dụng lên hạt, ta có thể vẽ biểu đồ vật tự do, trong đó tất cả các lực tác dụng lên vật được biểu diễn bằng các mũi tên.

Các phương trình trên có bản chất là véctơ. Khi phân hủy các lực, chúng được phân biệt bằng các dấu hiệu. Bằng cách này, tổng các thành phần của nó có thể bằng không.

Sau đây là những hướng dẫn quan trọng để làm cho bản vẽ trở nên hữu ích:

- Chọn một hệ quy chiếu trong đó lực lớn nhất đặt trên các trục tọa độ.

- Trọng lượng luôn luôn được vẽ theo phương thẳng đứng xuống dưới.

- Trong trường hợp hai hay nhiều bề mặt tiếp xúc với nhau, có lực pháp tuyến, lực này luôn hút vật đẩy và vuông góc với bề mặt tác dụng lực đó.

- Đối với một hạt ở trạng thái cân bằng, có thể có ma sát song song với bề mặt tiếp xúc và ngược lại chuyển động có thể xảy ra, nếu hạt được coi là đứng yên, hoặc chắc chắn là đối nghịch, nếu hạt chuyển động với MRU (chuyển động thẳng đều).

- Nếu có một sợi dây thì lực căng luôn kéo dọc nó và kéo vật.

Các cách áp dụng điều kiện cân bằng

Hình 2. Hai lực tác dụng theo những cách khác nhau trên cùng một vật. Nguồn: tự làm.

Hai lực có độ lớn bằng nhau và ngược chiều và hướng

Hình 2 cho thấy một hạt mà hai lực tác dụng lên. Trong hình bên, hạt nhận tác dụng của hai lực F ₁ và F ₂ có cùng độ lớn và tác dụng cùng phương, ngược chiều.

Hạt ở trạng thái cân bằng, nhưng với thông tin được cung cấp thì không thể biết được cân bằng là tĩnh hay động. Cần thêm thông tin về hệ quy chiếu quán tính mà từ đó vật thể được quan sát.

Hai lực có độ lớn khác nhau, bằng nhau và ngược chiều

Hình ở trung tâm cho thấy cùng một hạt, lúc này không ở trạng thái cân bằng, vì độ lớn của lực F ₂ lớn hơn độ lớn của lực F ₁ . Do đó tồn tại một lực không cân bằng và vật có gia tốc cùng phương với F ₂ .

Hai lực có độ lớn bằng nhau và khác phương

Cuối cùng, trong hình bên phải, chúng ta thấy một vật cũng không ở trạng thái cân bằng. Mặc dù F ₁ và F ₂ có độ lớn bằng nhau, lực F ₂ không cùng phương với 1. Thành phần thẳng đứng của F ₂ không bị tác dụng bởi bất kỳ vật nào khác và hạt chịu gia tốc theo phương đó.

Ba lực có hướng khác nhau

Một hạt chịu tác dụng của ba lực có thể ở trạng thái cân bằng không? Có, với điều kiện là khi đặt đầu và cuối của mỗi cái, hình thu được là một hình tam giác. Trong trường hợp này, tổng vectơ bằng không.

Hình 3. Một hạt chịu tác dụng của 3 lực có thể ở trạng thái cân bằng. Nguồn: tự làm.

ma sát

Lực thường xuyên can thiệp vào trạng thái cân bằng của hạt là lực ma sát tĩnh. Đó là do sự tương tác của vật thể được đại diện bởi hạt với bề mặt của vật khác. Ví dụ, một cuốn sách ở trạng thái cân bằng tĩnh trên bàn nghiêng được mô phỏng như một hạt và có sơ đồ vật tự do như sau:

Hình 4. Sơ đồ thân tự do của một cuốn sách trên mặt phẳng nghiêng. Nguồn: tự làm.

Lực ngăn không cho cuốn sách trượt trên mặt phẳng nghiêng và đứng yên là lực ma sát tĩnh. Nó phụ thuộc vào bản chất của các bề mặt tiếp xúc, bề mặt nào thể hiện độ nhám bằng kính hiển vi với các đỉnh khóa lại với nhau, gây khó khăn cho việc di chuyển.

Giá trị lớn nhất của lực ma sát tĩnh tỷ lệ với lực pháp tuyến, lực do bề mặt tác dụng lên vật được đỡ nhưng vuông góc với bề mặt đó. Trong ví dụ trong sách, nó được biểu thị bằng màu xanh lam. Về mặt toán học, nó được diễn đạt như thế này:

Hằng số tỷ lệ là hệ số ma sát tĩnh μ _s , được xác định bằng thực nghiệm, không có thứ nguyên và phụ thuộc vào bản chất của các bề mặt tiếp xúc.

Ma sát động

Nếu một hạt ở trạng thái cân bằng động, chuyển động đã diễn ra và ma sát tĩnh không còn can thiệp nữa. Nếu có bất kỳ lực ma sát nào chống lại chuyển động thì lực ma sát động sẽ tác dụng, có độ lớn không đổi và được cho bởi:

Trong đó μ _k là hệ số ma sát động, hệ số này cũng phụ thuộc vào loại bề mặt tiếp xúc. Giống như hệ số ma sát tĩnh, nó không có thứ nguyên và giá trị của nó được xác định bằng thực nghiệm.

Giá trị của hệ số ma sát động thường nhỏ hơn giá trị của ma sát tĩnh.

Ví dụ đã làm việc

Cuốn sách trong hình 3 đang ở trạng thái nghỉ và có khối lượng 1,30 kg. Mặt phẳng có góc nghiêng là 30º. Tìm hệ số ma sát tĩnh giữa sách và mặt phẳng.

Giải pháp

Điều quan trọng là chọn một hệ quy chiếu phù hợp, xem hình sau:

Hình 5. Sơ đồ vật tự do của sách trên mặt phẳng nghiêng và sự phân hủy của quả nặng. Nguồn: tự làm.

Trọng lượng của cuốn sách có độ lớn W = mg, tuy nhiên cần phải phân hủy nó thành hai thành phần: W _x và W _y , vì nó là lực duy nhất không rơi ngay trên bất kỳ trục tọa độ nào. Sự phân hủy của trọng lượng được quan sát trong hình bên trái.

Thứ 2. Định luật Newton cho trục tung là:

Áp dụng lần thứ 2. Định luật Newton cho trục x, chọn hướng của chuyển động có thể là dương:

Ma sát cực đại là f _{s max} = μ _s N, do đó:

Người giới thiệu

1. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề. 76 - 90.
2. Serway, R., Jewett, J. (2008). Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 1. 7 ^ma . Ed. Cengage Learning. 120-124.
3. Serway, R., Vulle, C. 2011. Cơ bản về Vật lý. 9 ^na Ed. Cengage Learning. 99-112.
4. Tippens, P. 2011. Vật lý: Khái niệm và Ứng dụng. Phiên bản thứ 7. Đồi MacGraw. 71 - 87.
5. Walker, J. 2010. Vật lý. Addison Wesley. 148-164.