Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh trục

Trong chương trình vật lý 10, chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh trục cố định của vật rắn là những nội dung quan trọng của trong phần chuyển động cơ học. Team Marathon Education đã tổng hợp những kiến thức và bài tập về nội dung này và chia sẻ đến các em trong bài viết dưới đây. Các em hãy cùng theo dõi nhé!

>>> Xem thêm:

• Thế Năng Là Gì? Công Thức Tính Thế Năng Trọng Trường Và Thế Năng Đàn Hồi
• Động Năng Là Gì? Định Lý Và Công Thức Tính Động Năng

Chuyển động tịnh tiến của vật rắn

Tịnh tiến là gì? Chuyển động tịnh tiến là gì?

Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kì của vật luôn song song với chính nó.

Ví dụ về chuyển động tịnh tiến của vật rắn:

• Xe ô tô chuyển động trên đường.
• Đu quay có người ngồi trên chuyển động.
• Một vật chuyển động trên mặt phẳng.

Công thức tính gia tốc tịnh tiến của vật rắn

Trong chuyển động tịnh tiến, mọi điểm của vật đều chuyển động như nhau với cùng một gia tốc. Gia tốc của chuyển động tịnh tiến được xác định bằng định luật II Newton như sau:

\begin{aligned}
&\vec{a}=\frac{\vec{F}}{m} \ \ \ \ \text{hay} \ \ \ \ \vec{F}=m.\vec{a}\\
&\footnotesize \text{Trong đó:}\\
&\footnotesize \bull \vec{a}\ \text{là gia tốc của vật (}m/s^2).\\
&\footnotesize \bull \vec{F}\ \text{là hợp lực của các lực tác dụng vào vật (N).}\\
&\footnotesize \bull \text{m là khối lượng của vật (kg).}
\end{aligned}

Chuyển động quay quanh trục cố định của vật rắn

Các em cần ghi nhớ 3 đặc điểm chính của tốc độ góc và chuyển động quay dưới đây:

1. Khi vật rắn quay quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật có cùng tốc độ góc của vật (ω). Nếu vật quay đều thì ω = const (tốc độ góc là hằng số). Vật quay nhanh dần thì ω tăng dần. Vật quay chậm dần thì ω giảm dần.
2. Mô-men lực tác dụng vào vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật.
3. Mức quán tính trong chuyển động quay của vật rắn: 

• Khi tác dụng cùng một mô-men lực lên các vật khác nhau, tốc độ góc của vật nào tăng chậm hơn thì vật đó có mức quán tính lớn hơn và ngược lại. 
• Trong chuyển động quay quanh một trục, mọi vật cũng có mức quán tính giống như trong chuyển động tịnh tiến. Đại lượng đặc trưng cho quán tính của vật trong chuyển động quay gọi là mô-men quán tính của vật.
• Mức quán tính của vật quay quanh trục phụ thuộc vào khối lượng của vật và sự phân bố khối lượng đó đối với trục quay. Khối lượng vật càng lớn và phân bố càng xa trục thì mô-men quán tính càng lớn và ngược lại.

Bài tập về chuyển động tịnh tiến

Bài tập 1: Thế nào là chuyển động tịnh tiến? Cho một ví dụ về chuyển động tịnh tiến thẳng và một ví dụ về chuyển động tịnh tiến cong.

Lời giải:

Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn nào đó là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kì của vật rắn luôn luôn song song với chính nó.
Ví dụ về chuyển động tịnh tiến thẳng: Chuyển động của toa tàu trên đoạn đường ray thẳng.
Ví dụ về chuyển động tịnh tiến cong: Chuyển động của cạnh thẳng đứng của cánh cửa đang quay.

Bài tập 2: Vật nào sau đây chuyển động tịnh tiến?

a. Chuyển động của bánh xe của ô tô trên đường thẳng

b. Chuyển động của trục của bánh xe ô tô trên đường thẳng

c. Chuyển động của pit – tông trong xilanh của động cơ ô tô khi chạy trên đường vòng

d. Chuyển động của kim đồng hồ

Lời giải: B là đáp án đúng Trong chuyển động tịnh tiến, mọi điểm của vật rắn có quỹ đạo giống hệt nhau và có thể chồng khít lên nhau được. Xét chuyển động của trục bánh xe ô-tô đang trên đường thẳng, ta thấy quỹ đạo của mọi điểm của trục bánh xe đều là những đường thẳng song song với mặt đường. Từ đó, ta có thể kết luận chuyển động của trục bánh xe ô-tô đang trên đường thẳng là chuyển động tịnh tiến.

Bài tập 3: Định luật II Niu-tơn có thể áp dụng cho chuyển động tịnh tiến được không? Vì sao?

Lời giải:

Định luật II Niu-tơn có thể áp dụng cho chuyển động tịnh tiến vì trong chuyển động tịnh tiến tất cả các điểm của vật đều chuyển động như nhau và có cùng một gia tốc.

Bài tập 4: Một vật có khối lượng m = 40 kg bắt đầu trượt trên sàn nhà dưới tác dụng của một lực nằm ngang F = 200 N. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là µ_t = 0,25.

a. Tính gia tốc của vật

b. Tính vận tốc của vật ở cuối giây thứ ba

c. Tính đoạn đường mà vật đi được trong ba giây đầu. Lấy g = 10 m/s²

Lời giải:

\begin{aligned}
& \small \text{a. Gia tốc của vật}
\\
& \small \text{Ta biểu diễn các lực tác dụng lên vật trên hệ tọa độ Oxy như hình vẽ.}
\\
& \small \text{Theo định luật II Niu-tơn ta có: } m\vec{a} = \vec{F} +  \vec{F_{ms}} + \vec{P} + \vec{N} \ (*)
\\
& \small \text{Chiếu phương trình (*) lên trục Oy ta có: } N - P = 0
\\
& \small \text{Chiếu phương trình (*) lên trục Ox ta có: } ma = F - F_{ms} = F - N\mu_t
\\
& \small \iff a = \frac{F - mg\mu_t}{m} = \frac{200 - 40.10.0,25}{40} = 0,25 \ m/s
\\
& \small \text{b. Vận tốc của vật ở giây thứ ba}
\\
& \small v = v_0 + at = 0 + 2,5.3 = 7,5 \ m/s
\\
& \small \text{c. Đoạn đường vật đi được trong ba giây đầu}
\\
& \small s = v_0t + \frac{1}{2}at^2 = 0 + \frac{1}{2}.0,25.3^2 = 11,25 m
\end{aligned}

Bài tập 5: Một vật có khối lượng m = 4,0 kg chuyển động trên mặt sàn nằm ngang dưới tác dụng của một lực F hợp với hướng chuyển động một góc α = 30^o. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là μ_t = 0,30. Lấy g = 10 m/s². Tính độ lớn của lực để:

a. Vật chuyển động với gia tốc bằng 1,25 m/s²

b. Vật chuyển động thẳng đều

Lời giải:

\begin{aligned}
& \small \text{Ta biểu diễn các lực tác dụng lên vật trên hệ tọa độ Oxy như hình vẽ.}
\\
& \small \text{Theo định luật II Niu-tơn ta có: } m\vec{a} = \vec{F_k} +  \vec{F_{ms}} + \vec{P} + \vec{N} \ (*)
\\
& \small \text{Chiếu phương trình (*) lên trục Oy ta có: } N = P - F.sinα = mg - F.sinα \ (1)
\\
& \small \text{Chiếu phương trình (*) lên trục Ox ta có: } ma = F.cosα - F_{ms} = F.cosα - \mu_t(mg - F.cosα) \ (2)
\\
& \small (1) \ \& \ (2) \implies F = \frac{m(a+\mu_tg)}{cosα + \mu_tsinα}
\\
& \small \text{a. Độ lớn của lực để vật chuyển động với gia tốc bằng } 1,25 \ m/s^2 \text{: }
\\
& \small F = \frac{4(1,25+0,3.10)}{cos30^o + 0,3sin30^o} \approx 17 \ N
\\
& \small \text{b. Độ lớn của lực để vật chuyển động thẳng đều (a = 0): }
\\
& \small F = \frac{4(0+0,3.10)}{cos30^o + 0,3sin30^o} \approx 12 \ N
\end{aligned}

Tham khảo ngay các khoá học online của Marathon Education

Team Marathon Education đã tóm tắt nội dung về chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh trục cố định của vật rắn. Hy vọng những kiến thức này giúp các em học tập tốt hơn môn Vật Lý lớp 10. Các em có thể học online thêm nhiều kiến thức bổ ích về Toán – Lý – Hóa – Văn tại website Marathon Education. Chúc em học tập thật tốt!