Xem mẫu
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THỪA THIÊN HUẾ
KHOA VẬT LÝ
Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Môn học: Cơ học 1
Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
Khóa học: 2011-2015
Giáo viên hướng dẫn: Đoàn Tử Nghĩa
Huế, 1/2012
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
MỤC LỤC
Mở đầu ...................................................................................................................... 03
Phần A: Cơ sở lý thuyết
I. Các định luật Newton ............................................................................................. 04
1. Định luật I Newton .............................................................................................. 04
2. Định luật II Newton ............................................................................................ 04
3. Định luật II Newton ............................................................................................ 06
II. Nguyên lý tương đối Galileo ................................................................................. 06
1. Phép biến đổi Galileo .......................................................................................... 06
2. Định lý cộng vận tốc ........................................................................................... 07
3. Nguyên lý tương đối Galileo ............................................................................... 07
III. Phương pháp động lực học ................................................................................... 07
1. Phương pháp động lực học-các nguyên tắc cơ bản .............................................. 08
2. Trình tự giải các bài toán bằng phương pháp động lực học .................................. 08
IV. Các bài toán động lực học .................................................................................... 09
1. Các bài toán thuận của động lực học ................................................................... 09
2. Các bài toán ngược của động lực học .................................................................. 09
Phần B: Một số bài tập ví dụ
Bài 1 .......................................................................................................................... 10
Bài 2 .......................................................................................................................... 11
Bài 3 .......................................................................................................................... 12
Bài 4 .......................................................................................................................... 13
Bài 5 .......................................................................................................................... 14
Bài 6 .......................................................................................................................... 16
Bài 7 .......................................................................................................................... 17
Bài 8 .......................................................................................................................... 19
Bài 9 .......................................................................................................................... 20
Bài 10 ......................................................................................................................... 22
Kết luận ................................................................................................................................ 23
2 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Mở đầu
- Cơ học lý thuyết là một môn khoa học nghiên cứu quy luật chung nhất về chuyển
động, nghiên cứu chuyển động của vật thể mà không đề cập đến nguyên nhân gây ra chuyển
động., sự tương tác của các lực trong không gian theo thời gian. Tất cả các nguyên lý của các
ngành cơ học ứng dụng khác đều dựa trên phương pháp và kết quả của cơ học lý thuyết.
Trong đó động lực học nói chung và động lực học chất điểm nói riêng là một nhánh quan
trọng của cơ học. Chuyên nghiên cứu về chuyển động và nguyên nhân gây ra những chuyển
động đó.
- Bằng cách sử dụng các phương pháp động lực học, phương pháp năng lượng và ứng
dụng một số các nguyên lý, định lý, định luật như: nguyên lý Galileo, các định luật Newton,
các định luật bảo toàn năng lượng,…. Chúng ta xác định được các hiện tượng cơ học của
chuyển động đó và một số đại lượng có liên quan.
- Bản thân là sinh viên Sư phạm,chuyên nghành sư pham Vật Lý nên không chỉ dừng
lại ở việc học tập và nghiên cứu chương trình phổ thông mà cần phải đi sâu vào nghiên cứu
cá hiện tượng cơ học của chuyển động, đồng thời khám phá ra nội dung quan trọng của phần
“động lực học chất điểm”, mở rộng sự hiểu biết và tiếp cận những vấn đề mới. Hiểu rõ được
tầm quan trọng cũng như sự cần thiết của phần động lực học chất điểm với sinh viên khoa
Vật Lý nên tôi chọn vào việc đi sâu nghiên cứu lý thuyết và phương pháp giải bài tập động
lực học chất điểm.
3 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Phần A: Cơ sở lý thuyết:
Động lực học nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến đổi trạng thái chuyển động của vật
và nguyên nhân làm biến đổi trạng thái của chuỵển động đó. Phần này nghiên cứu đến mối
quan hệ giữa gia tốc hướng tâm của chất điểm, hệ chất điểm với các lực tác dụng lên nó. Các
phương pháp động lực học rút ra chỉ được áp dụng lên nó. Vì thế, khi nói “vật”, ta hiểu vật
đó là chất điểm. Cơ sở của động lực học vĩ mô là các định luật Newton và nguyên lí Galileo.
I. Các định luật Newtơn:
Cơ sở của động lực học là 3 định luật Newtơn của Issac Newtơn-nhà Vật lý người Anh
(1642-1727). Trong công trình “Các tiên đề toán học của triết học tự nhiên” công bố năm
1687. ông đã phát biểu những định luật cơ bản của vật lý cổ điển, thiết lập được định luật
vạn vật hấp dẫn, nghiên cứu sự tán sắc ánh sáng và khởi thảo những cơ sở của các phép tính
vi phân và tích phân
1. Định luật I Newtơn:
Định luật: Khi một chất điểm cô lập (không chịu một tác động nào từ bên ngoài) nếu
đang đứng yên, nó sẽ tiếp tục đứng yên, nếu đang chuyển động thì chuyển động của nó là
thẳng đều.
- Chất điểm đứng yên: v0
- Chất điểm chuyển động thẳng đều: v const
Cả hai trạng thái trên vận tốc của chất điểm đều không thay đổi.
Tổng quát: v const
Ý nghĩa của định luật I Newton: Định luật I Newton cho ta cách tìm, xác định hệ quy
chiếu quán tính-đó là hệ quy chiếu mà trong đó định luật I Newton được nghiệm đúng. Rõ
ràng cách xác định hệ quy chiếu theo cách này đơn giản hơn là dựa vào các định luật cơ bản
về năng lượng. Do đó, định luật I Newton còn được gọi là định luật quán tính.
Còn xu hướng bảo toàn vận tốc của vật được gọi là quán tính.
2. Định luật II Newtơn:
a) Khái niệm về lực:
Trong cuộc sống ta thấy rõ hiện tượng vật này tác dụng và vật kia. Chẳng hạn như: khi
nâng một vật lên cao, tay ta đã tác dụng vào vật và vật đã đè lên tay ta; khi ta để nam châm
gần dinh sát thì nó sẽ hút đinh sắt;… Để đặc trung cho các tác dụng đó, người ta đưa ra khái
niệm về lực.
Lực là đại lượng vật lý đặc trung cho tác dụng của vật này vào vật khác, là số đo của
tác động cơ học do các đối tượng khác tác động vào vật. Số đo ấy đặc trung cho hướng và
độ lớn của lực tác dụng.
Lực được kí hiệu là F (Force). Trong hệ SI, lực có đơn vị là Newtơn (N). Lực là một đại
lượng vectơ (F ) và là một khái niệm cơ bản của động lực học.
-Công thức định nghĩa lực: F ma
- Phương của lực F : cho biết phương tác dụng.
-Chiều của lực F : cho biết chiều tác dụng.
-Độ lớn của F : cho biết độ anh yếu (cường độ) tác dụng.
4 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
-Điểm đặt F : cho biết vị trí (điểm) chịu tác dụng.
Dưới tác dụng của lực, vật có thế thu gia tốc hoặc bị biến dạng. Phần này không nghiên
cứu sự biến dạng của vật, chỉ nghiên cứu quan hệ giữa gia tốc của chất điểm với các lực tác
dụng vào nó.
Nếu tổng vecto của hai lực đặt vào chất điểm bằng không thì sự có mặt của các tác
động đo bởi các lực đó không được phản ánh trong chuyển động của chất điểm. hai lực như
vậy gọi hai lực cân bằng.
Trong cơ học, ta phân biệt ba loại lực:
+Các lực hút tương hỗ giữa các vật gọi là lực hấp dẫn.
+Các lực xuất hiện khi các vật tiếp xúc trực tiếp tác dụng lên nhau, các lực này có
chung bản chất là lực đàn hồi.
+Các lực là kết quả của của sự tương tác giữa hai vật tiếp xúc nhau, chuyển động
tương đối với nhau, các lực này gọi là lực ma sát.
b) Khái niệm về khối lượng
Mọi vật đều có xu hướng bảo toàn trạng thái chuyển động ban đầu của mình. Thuộc
tính đó gọi là quán tính của vật. Mức quán tính của vật được đặt trưng bởi một đại lượng vật
lý, đó là khối lượng. Ta nói, khối lượng là số đo mức quán tính của vật.
Quán tính của vật thể hiện ở gia tốc mà nó thu được khi có ngoại lực tác dụng và được
định lượng bởi định luật II Newton: F=ma. Ta thấy, cùng với một lực tác dụng, trạng thái
chuyển động biến đổi càng nhỏ (gia tốc cầng nhỏ) khi khối lượng (quán tính) của vật càng
lớn, và ngược lại.
Khối lượng còn là đại lượng đặc trung cho mức hấp dẫn giữa vật này và vật khác. Theo
Newton, lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vật là F=mg. Như vậy, đối với cùng một vật, ta có thể
viết F=mia và F=mgg. Trường hợp thứ nhất, khối lượng là số đo quán tính của vật, nê gọi là
khối lượng quán tính và được ks hiệu là mi. Trường hợp thứ hai, khối lượng là số đo tương
tác hấp dẫn của vật với Trái Đất, nên gọi là khối lượng hấp dẫn và được kí hiệu là mg.
Tuy nhiên, trong sự rơi tự do mọi vật đều có cùng gia tốc a=g, suy ra khối lượng quán
tính và khói lượng hấp dẫn bằng nhau về trị số mi=mg=m.
Hệ thức trên là một trong những kết luận vững chắc nhất của vật lý hiện đại. Trên cơ sở
đó, ta đi đến khái niệm về khối lượng như sau: Khối lượng là số đo mức quán tính của vật và
mức hấp dẫn của vật đối với vật khác. Trong hệ SI, đơn vị đo khối lượng là kilogam (kg) và
là một trong 7 đơn vị cơ bản.
c)Phát biểu định luật II Newton:
Khi vật chịu tác dụng của ngoại lực F , nó sẽ thu một gia tốc a theo hướng của lực, tỉ
lệ thuận với lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
F
a
m
Nếu vật chịu tác dụng bởi nhiều lực thì F chính là hợp lực của tất cả các lực thành
phần. Khi đó phương trình trở thành:
trên
F i
Fhl i F1 F2 .... Fn
a
m m m
Định luật II Newton được phát biểu ở trên được coi là cơ sở của động lực học chất
điểm.
5 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Về phương diện logic, định luật II Newton bao quát cả định luật I Newton và coi rằng
định luật 1 là một trương hợp riên của định luật 2. Thật vậy, xét trường hợp hợp lực tác dụng
lên hạt bằng 0 thì từ phương trình trên suy ra a là vecto không hay v const , nghĩa là hạt
đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Tuy nhiên, do vai trò quan trọng của định luật I
Newton là giúp ta xác định các hệ quy chiếu quán tính nên định luạt I Newton có thể được
coi là một dịnh luật riêng biệt.
Trong vật lý, người ta coi phương trình định luạt II Newton là phương trình cơ bản của
cơ học. Tính cơ bản của nó được thể hiện ở hai điểm sau:
+Trước hết, vì nó mô tả mối quan hệ giữa tương tác (lực) và chuyển động (gia tốc).
Từ phương trình này ta sẽ xác định được kết quả chuyển động (vị trí hạt, vận tốc, gia tốc,..)
nếu tìn được lực tương tác đặt vào hai hạt. Nói cách khác nó cho ta xác định được nhiệm vụ
cơ bản của mọi bài toán cơ học là xác định được kết quả của chuyển động trong mối tương
quan động lực học. Cho nên người ta gọi phương trình này là phương trình động lực học
chất điểm.
+Một hệ dù phức tạp đều là tổng hợp của các hạt. Vận dụng phương trình định luật II
Newton cho mỗi hạt trong hệ, ta sẽ tìm được quy luật chuyển động của hạt trong hệ từ đó xác
định được các đặt tính của hệ. Đo đó, về nguyên tắc chỉ cần vận dụng phương trình đó cho
mỗi hạt ta sẽ xác định được trạng thái tương lai của hệ nếu biết được trạng thái ban đầu và
các lực đặt vào hệ. Từ đó, trong vật lý xuấ hiện một phương pháp rất cơ bản gọi là phương
pháp độn lực học.
3. Định luật III Newtơn:
Phát biểu: Lực tương tác lẫn nhau giữa hai vật là một cặp lực trực đối, nghĩa là chúng
cùng giá, ngược chiều và bằng nhau về độ lớn.
Định luật 3 Newton chỉ ra rằng lực không xuất hiện riêng lẻ mà xuất hiện theo từng cặp
động lực-phản lực (cặp lực trực đối). Nói cách khác, lực chỉ xuất hiện khi có sự tương tác
qua lại giữa hai hay nhiều vật với nhau.
Trong tương tác giữa hai vật A và B. Nếu A tác dụng một lực FAB lên B, thì B cũng gây
ra một lực FBA lên A và FAB FBA
Hơn nữa, trong tương tác, A làm thay đổi động lượng của B bao nhiêu thì động lượng
của A cũng bị thay đổi bấy nhiêu theo chiều ngược lại.
II. Nguyên lý tương đối Galileo
1. Phép biến đổi Galileo
Cho hai hệ quy chiếu Oxyz và O'x'y'z' với các giả thiết: các trục Ox', Oy', Oz' theo thứ
tự song song và cùng chiều với các trục Ox, Oy,Oz khi t=0, O' y'
trùng với O. Hệ O' chuyển động với vận tốc v0 (đối với hệ O y
đứng yên) theo phương Ox. Với mỗi hệ tọa độ ta gắn vào một M
đồng hồ để chỉ thời gian.
Xét một hệ chất điểm M bất kì: tại thời điểm t chỉ bởi O' x'
đồng hồ của hệ O, M có tọa độ trong hệ O là x, y,z; các tọa độ O
thời gian và không gian tương ứng của M trong hệ O' là t', x', x
y', z'. Theo các quan điểm của Newton: z z'
*Thời gian có tính tương đối độc lập đối với mọi hệ quy chiếu:
t=t'
6 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
*Vị trí của M trong không gian được xác định tùy theo hệ quy chiếu. Từ hình vẽ, ta có:
OM OO ' O' M
Hay dưới dạng tọa độ:
x x' v 0 t ; y y ' ; z z '
và ngược lại: x' x v0 t ; y ' y ; z ' z ; t ' t
Các công thức trên gọi là các phép biến đổi Galileo, chúng cho ta cách chuyển tọa độ
trong không gian, thời gian từ hệ quy chiếu O' sang hệ quy chiếu O và ngược lại.
Từ phép biến đổi Galileo, ta suy ra các tính chất sau đây:
-Vị trí không gian có tính chất tương đối phụ thuộc hệ quy chiếu, do đó chuyển động có
tính tương đối phụ thuộc hệ quy chiếu.
-Khoảng cách khong gian có tính tuyệt đối, khong phụ thuộc hệ quy chiếu.
-Tính chất tuyệt đối của thời gian: khoảng thời gian mà mội sự kiện xảy ra khong thay
đổi không phụ thuộc hệ quy chiếu.
2. Định lý cộng vận tốc
Xét chuyển động của một hạt M đối với hai hệ quy chiếu O và O'. Vị trí của M đối
với hai hệ quy chiếu O và O' được xác địn tương ứng bằng các vecto r và r ' ta có:
r r ' OÔ'
Nếu hệ O' chuyển động tịnh tiến đối với hệ O thì đạo hàm
theo thời gian đẳng thức này, với chú ý rằng dt=dt' ta được:
dr dr ' d OO' O' r '
dt dt dt
Vậy: v v 'v 0 M
Trong đó: v là vận tốc của M đối với O.
r
v ' là vận tốc của M đối với O'. O
v0 là vận tốc của O' đói với hệ O.
Định lý cộng vận tốc biểu thị mối quan hệ của vận tốc đối với hai hệ quy chiếu.
3. Nguyên lý tương đối Galileo
Xét chuyển động của một chất điểm trong hai hệ quy chiếu O và O' đã nói ở trên. Giả
thiết rằng hệ O là một hệ quán tính. Hệ quy chiếu O' chuyển động thẳng đều đối với hệ quy
chiếu O với vận tốc v0 . Theo trên, trong hệ O' các định luật Newton được thỏa mãn. Vì vậy,
ta viết phương trình dịnh luật II Newton trong hệ O:
ma F
Trong đó:a là gia tốc chuyển động của chất điểm đối với hệ O.
F là tổng hợp lực tác dugj lên chất điểm.
Gọi a ' là gia tốc chuyển động của chất điểm đối với hệ O'.
Từ định lý cộng vận tốc và từ t=t', ta có:
dv d ( v ' ) dv 0 dv '
nghĩa là a ' a
dt dt dt dt
Vậy: ma F ma ' F
Phương trình trên chính là phương trình động lực học của chất điểm trong hệ O'. Như
vậy, định luật II Newton cũng thỏa mãn trong hệ O'. Điều đó chứng tỏ hệ O' cũng là hệ quán
tính. Từ đó ta có thể phát biểu:
7 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Mọi hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều với một hệ quy chiếu quán tính cũng là hệ
quy chiếu quán tính.
Hay: Các định luật cơ học đều được phát bêu như nhau trong mọi hệ quy chiếu.
Đó là những phát biểu khác nhau trong nguyên lý tương đối Galileo.
III.Phương pháp động lực học
1.Phương pháp động lực học - các nguyên tắc cơ bản
Phương pháp động lực học là phương pháp sử dụng các phương trình động lực học để
giải các bài toán chuyển động. Đối với chất điểm, trong hệ quy chiếu quán tính, đó chính là
các định luật Newton.
Khi sử dụng các phương pháp định luật Newton thì định luật II là phương trình cơ bản
(định luật I coi là trường hợp riêng của định luật II), còn định luật III được sử dụng như
những phương trình phụ giúp ta loại bỏ các cặp lực tương hỗ để đơn giản hóa cách giải.
Nếu hệ gồm nhiều hạt, ta phải viết cho mỗi hạt một phương trình định luật II Newton
và giải hệ phương trình đó.
Vì phương trình định luật II Newton là phương trình vecto nên để thuận tiện cho tính
toán ta phải biến các phương trình đó thành các phương trình vô hướng. Muốn vậy, ta chọn
hệ trục tọa độ thích hợp (thông thường chọn hệ tọa độ Dercastes) rồi chiếu các phương trình
vecto đó xuống các trục tọa độ. Do đó, thay cho việc giải hệ phương trình vecto, ta chỉ giải
hệ phương trình vô hướng.
2. Trình tự giải bài toán bằng phương pháp động lực học
Để giải bài toán động lực học ta thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Đọc kỹ bài ra, phân tích hiện tượng cơ học xảy ra trong bài toán để thấy được
mối liên hệ giữa các lực, để vẽ đúng chiều các lực (ví dụ nếu không biết được chiều trượt của
vật, ta không biết được chiều của lực ma sát trượt) Xác định cá dữ kiện và ẩn số.
Vẽ hình và biểu diễn đầy đủ các lực tác dụng lên từng hạt trên hình vẽ.
Bước 2: Viết cho mỗi hạt một phương trình động lực học dạng vecto (tức là phương
trình định luật 2 Newton). Trong mỗi phương trình phải viết đầy đủ các lực tác dụng lên hạt.
Bước 3: Chọn hệ trục tọa độ thích hợp rồi chiếu các phương trình vecto lên trục tọa độ,
ta được hệ phương trình vô hướng. Việc chon hệ trục tọa độ về nguyên tắc là tùy ý, song nên
chọn sa cho khi chiếu các phương trình vecto xuống các trục đã chọn có dạng đơn giản nhất.
Nếu ẩn số nhiều hơn số phương trình vô hướng thu được thì ta phải tìm thêm các phương
trình phụ. Đó là các phương trình liên hệ các lực hoặc các phương trình liên hệ giữa các đặc
trưng động học như vận tốc, gia tốc, quãng đường,... giữa các hạt hoặc cùng một hạt. Việc
tìm ra các phương trình phụ này sẽ dể dang nếu bước phân tíc các hiện tượng cơ học xảy ra
tiến hành kỹ lưỡng.
Bước 4: Khi tổng số phương trình vô hướng và các phương trình phụ bằng ẩn số của bài
toán thì ta tiến hành giải các phương trình đó để tìm ẩn số.
-Nếu biết các lực, ta xác đình được các đại lượng động học (bài toán thuận): Tính gia
tốc rồi suy ra vận tốc và vị trí bằng phương pháp tích phân.
-Nếu biết chuyển động, ta tính được các lực tác dụng (bài toán nghịch)
Bước 5: Kiểm tra và biện luận.
IV. Các bài toán động lực học:
Trong động lực học, người ta chia làm hai loại bài toán sau đây:
8 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Bài toán thuận của động lực học là biết chuyển động của chất điểm, xác định lực gây
ra chuyển động.
Bài toán ngược của động lực học là biết các lực tác dụng lên chất điểm và những điều
kiện ban đầu của chuyển động, xác định chuyển động của chất điểm.
1. Bài toán thuận của động lực học
Để giải loại bài toán này, trước tiên cần phải xác định gia tốc của chất điểm, sau đó sẽ
áp dụng công thức để tìm lực tác dụng lên chất điểm.
2. Bài toán ngược của động lực học
Để giải bài toán ngược cần xác định cụ thể các lực tác động lên từng chất điểm, sau
đó áp dụng tìm gia tốc mà chất điểm thu được. Nếu biết vận tốc và vị trí ban đầu của chất
điểm thì bằng cách lấy tích phân của gia tốc a ta có thể xác định được vận tốc và tọa độ của
chất điểm theo thời gian, nghĩa là có thể biết được phương trình chuyển động cũng như
phương trình quĩ đạo của chất điểm.
9 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Phần B: Một số bài tập ví dụ:
Bài 1 :Hai vật A và B có thể trượt trên mặt bàn nằm ngang và được nối với nhau bằng dây
không giãn, khối lượng không đáng kể. Khối lượng 2 vật là mA = 2kg, mB = 1kg, ta tác dụng
vào vật A một lực F = 9N theo phương song song với mặt bàn. Hệ số ma sát giữa hai vật với
mặt bàn là m= 0,2. Lấy g = 10m/s2. Hãy tính gia tốc chuyển động.
Bài giải:
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Hai vật được nối với nhau bằng dây không giãn và cùng trượt
trên mặt phẳng nằm ngang.
Các lực tác dụng lên từng vật:
Vật A: Trọng lực P1 , phản
lực vuông góc N 1 , lực căng dây T1 ,
lực ma sát F1ms , lực tác dụng F .
Vật B: Trọng lực P2 , phản lực vuông góc N 2 , lực căng dây T2 , lực ma sát F2ms ,
lực tác dụng F .
Vì dây không giãn, nên 2 vật chuyển động cùng gia tốc. Bỏ qua khối lượng dây, nên
các lực căng tác dụng lên 2 vật bằng nhau.
Chiều chuyển động là chiều mà lực F tác dụng lên vật 1. Do đó, lực ma sát có chiều
như hình vẽ.
Bước 2: Viết các phương trình động lực học dạng vecto:
*Đối với vật A ta có:
P1 N 1 F T1 F1ms m1 a1 (1)
* Đối với vật B:
P2 N 2 F T2 F2 ms m 2 a 2 (2)
Bước 3: Chọn hệ trục như hình vẽ:
T1 =T2 =T
a1 = a2 = a
fms =kN = kmg
P = mg
- Chiếu (1) lên Ox, ta được: F T1 F1ms = m1a1 F- T - k1g = m1a (3)
- Chiếu (1) lên Oy, ta được: -P1+N1 = 0 m1g + N1 = 0 (4)
- Chiếu (2) lên Ox, ta có: T2 F2ms = m2a2 T- F2ms = m2a (5)
- Chiếu (2) lên Oy, ta được: -P2 + N2 = 0 m2g + N2 = 0 (6)
Bước 4: Cộng (3) và (5) ta được:
F k(m1 + m2)g = (m1+ m2)a
F k (m1 m 2 ).g 9 0,2(2 1).10
a 1m / s 2
m1 m 2 2 1
10 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Bước 5: Kiểm tra thứ nguyên, các công thức, kết quả ta thấy hoàn toàn phù hợp. Bài toán
cho hằng số, kết quả không có gì đặc biệt nên không cần phải chứng minh.
Bài 2 :Hai vật cùng khối lượng m = 1kg được nối với nhau bằng
sợi dây không giãn và khối lượng không đáng kể. Một trong 2
vật chịu tác động của lực kéo F hợp với phương ngang góc =
300 . Hai vật có thể trượt trên mặt bàn nằm ngang góc = 300
Hệ số ma sát giữa vật và bàn là 0,268. Biết rằng dây chỉ chịu được lực căng lớn nhất là 10 N.
Tính lực kéo lớn nhất để dây không đứt. Lấy 3 = 1,732.
Bài giải:
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Hai vật được
nối với nhau bằng dây không giãn và có
thể cùng trượt trên mặt phẳng nằm ngang.
Các lực tác dụng lên từng vật:
Vật 1: Trọng lực P1 , phản lực
vuông góc N 1 , lực căng dây T1 , lực ma sát F1ms , lực tác dụng F hợp với phương ngang
góc 30
Vật 2: Trọng lực P2 , phản lực vuông góc N 2 , lực căng T2 , lực ma sát F2ms , lực tác
dụng F hợp với phương ngang góc 30
Vì dây không giãn, nên 2 vật chuyển động cùng gia tốc. Bỏ qua khối lượng dây, nên
các lực căng tác dụng lên 2 vật bằng nhau.
Chiều chuyển động là chiều mà lực F tác dụng lên vật. Do đó, lực ma sát có chiều như
hình vẽ.
Bước 2: Viết các phương trình động lực học dạng vecto:
*Đối với vật 1 ta có:
P1 N 1 F T1 F1ms m 1 a 1 (1)
*Đối với vật 2 ta có:
P2 N 2 F T2 F2 ms m 2 a 2 (2)
Bước 3: Ta có: T1 = T2 = T
a1 = a2 = a
m1 = m2 = m
Chiếu (1) lên Oy, ta được: Fsin 300 P1 + N1 = 0
11 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Chiếu (1) xuống Ox, ta được: F.cos 300 T1 F1ms = m1a1
Mà F1ms = k N1 = k(mg Fsin 300)
0 0
F.cos 30 T1=k(mg Fsin 30 ) = m1a1
F cos 30 T k (mg F sin 30) ma (3)
Chiếu (2) lên Oy, ta được: P2 + N2 = 0
Chiếu (2) xuống Ox, ta được: T F2ms = m2a2
Mà F2ms = k N2 = km2g
T2 k m2g = m2a2 (4)
Bước 4: Từ (3) và (4), suy ra :
T (cos 30 0 sin 30 0 )
: T t max·
2
2Tmax 2.10
F 0 0
20 N
cos 30 k sin 30 3 1
0,268
2 2
Vậy Fmax = 20 N
Bước 5: Kiểm tra thứ nguyên, các công thức, kết quả ta thấy hoàn toàn phù hợp. Bài toán
cho hằng số, kết quả không có gì đặc biệt nên không cần phải chứng minh.
Bài 3 :Cần tác dụng lên vật m =3kg trên mặt phẳng nghiêng góc một lực F bằng bao
nhiêu để vật nằm yên, hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là k =0.2, khi biết vật có
xu hướng trượt xuống. Lấy g =10m/s2.
Bài giải:
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Vật chuyển động theo mặt
phẳng nghiêng.
Vật: Trọng lực P1 , phản lực vuông góc N 1 , lực
ma sát F1ms , lực tác dụng F .
Bước 2: Áp dụng định luật II Newtơn ta có :
12 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
F P N Fms 0 (1)
Bước 3: Chọn hệ trục Oxy như hình vẽ.:
Fms = kN = k(mgcox + F sin)
-Chiếu phương trình (1) lên trục Oy, ta được:
N Pcox Fsin = 0 N = Pcox + F sin
-Chiếu phương trình (1) lên trục Ox, ta được :
Psin F cox Fms = 0
F cox = Psin Fms = mg sin kmg cox kF sin
Bước 4: Từ (2), suy ra:
mg (sin kcox ) 3.10(sin 45 0,2 cos 45)
F 30 N
cos k sin cos 45 0,2 sin 45
Bước 5: Kiểm tra thứ nguyên, các công thức, kết quả ta thấy hoàn toàn phù hợp. Bài toán
cho hằng số, kết quả không có gì đặc biệt nên không cần phải chứng minh.
Bài 4 :Hai vật A và B có khối lượng lần lượt là mA = 600g, mB = 400g được nối với nhau
bằng sợi dây nhẹ không dãn và vắt qua ròng rọc cố định như hình vẽ. Bỏ qua khối lượng của
ròng rọc và lực ma sát giữa dây với ròng rọc. Lấy g = 10m/s2. Tính gia tốc chuyển động của
mối vật.
Bài giải:
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Hai vật A và B được nối với nhau bằng một
sợi dây nhẹ không giãn, và vắt qua ròng rọc cố định.
Các lực tác dụng lên từng vật:
Vật A: Trọng lực PA , lực căng T A .
Vật B: Trọng lực PB , lực căng TB .
Vì dây không giãn nên hai vật chuyển động cùng gia tốc, bỏ qua khối lượng của ròng
rọc và lực ma sát giữa dây và ròng rọc nên lực căng tác dụng lên hai vật cũng bằng nhau.
Vì mA > mB nên khi thả thì vật A sẽ đi xuống và vật B sẽ đi lên.
Các lực có chiều như hình vẽ:
Bước 2: Viết các phương trình động lực học dạng vecto:
13 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
PA T A m A a A (1)
PB T B m B a B (2)
Bước 3: Ta có:
T A = TB = T
a A = aB = a
Chiếu (1) lên trục x, ta được:
PA T A m A a A m A g T m A a (3)
Chiếu (2) lên trục y, ta được:
PB T B m B a B m B g T m B a (4)
Bước 4: Từ (3) và (4), suy ra:
(m A m B ) g (600 400)10
a 2 m s2
m A mB 600 400
Bước 5: Kiểm tra thứ nguyên, các công thức, kết quả ta thấy hoàn toàn phù hợp. Bài toán
cho hằng số, kết quả không có gì đặc biệt nên không cần phải chứng minh
Bài 5: Cho cơ hệ như hình vẽ. Các vật khối lượng các vật lần lượt là M (nêm), m1, m2. Ban
đầu giữu cho hệ thống đứng yên. Khi thả cho cơ hệ chuyển động thì nêm chuyển động với
gia tốc A bằng bao nhiêu? Tính gia tốc của vật đối với nêm theo gia tốc A của nêm. Với tỉ số
nào của m1, m2 thì nêm đứng yên và các vật trượt trên hai mặt nêm chuyển động. Bỏ qua ma
sáy, khối lượng ròng rọc và dây nối.
Bài giải
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Hai vật m1 và m2 nằm trên mặt phẳng nghiêng, chúng được nối
với nhau bằng một sợi dây không giãn và vắt qua ròng rọc được đặt ở đỉnh nêm.
Các lực tác dụng lên từng vật:
Vật m1: Trọng lưc P1 , lực căng T1 , phản lực N 1 , lực quán tính Fqt1 .
Vật m2: Trọng lưc P2 , lực căng T2 , phản lực N 2 , lực quán tính Fqt 2 .
Vì dây không dãn nên hai vật chuyển động cùng gia tốc.
Bỏ qua khối lượng của ròng rọc và lực ma sát giữa dây và ròng rọc, nên lực căng tác dụng
lên hai vật cũng bằng nhau..
14 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Giả sử m1 sin m 2 sin , tức là m1 đi xuống, m2 đi lên. Khi đó tổng hình chiếu của
các lực lên phương ngang bằng 0, nên khối tâm của hệ khong thay đổi. Do đó, nêm đi sang
phải.
Bước 2: Viết các phương trình động lực học dạng vecto:
Vật m1: Fqt1 P1 N 1 T1 m1 a1 (1)
Vật m2: Fqt 2 P2 N 2 T2 m 2 a 2 (2)
Nêm : R N 1 N 2 P T MA (3)
Bước 3: Ta có: T1=T2=T
a1=a2=a
Chiếu (1) lên trục x, ta được:
Fqt1 sin P1 cos T1 m1 a1 m1 g sin m1 A cos T m1 a (4)
Chiếu (1) lên trục y, ta được:
Fqt1 cos P1 sin N 1 0
m1 g cos m1 A sin N 1 0
N 1 m1 g cos m1 A sin (5)
Chiếu (2) lên trục x', ta được:
Fqt 2 sin P2 cos T2 m 2 a 2 m 2 g sin m 2 A cos T m 2 a (6)
Chiếu (2) lên trục y', ta được:
Fqt 2 cos P2 sin N 2 0
m 2 g cos m 2 A sin N 2 0
N 2 m 2 g cos m 2 A sin (7)
Chiếu (3) xuống trục z, ta được:
N 1 sin N 2 sin T (cos cos ) MA (8)
Bước 4: Từ (4) và (6), suy ra:
m g sin m 2 g sin m1 A cos m 2 A cos
a 1 (9)
m1 m 2
m g sin m 2 g sin m1 A cos m 2 A cos
T 1 .m1 m 2 (10)
m1 m 2
Thay phương trình (5), (7), (10) vào (8), ta được:
(m1 sin m 2 sin ).(m1 cos m 2 cos )
A .g
(m1 m 2 ).(M m1 sin 2 m 2 sin 2 m1 m 2 (cos cos )
Bước 5: Điều kiện để nêm đứng yên là A 0 , suy ra m1 sin m 2 sin 0 .Khi đó thay vào
biểu thức (9), ta được a=0. Vì vậy, nêm đứng yên thì các vật cũng không chuyển động, hay
nói cách khác không xảy ra trường hợp nêm đứng yên, vật chuyển động, vì khối tâm của hệ
không di chuyển theo phương ngang. Bởi vậy, nếu khối tâm cua hai vật dịch chuyển thì khối
tâm của vật dịch chuyển theo chiều ngược lại.
15 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Bài 6: Một nêm khối lượng M= 4,5kg, có mặt AB nghiêng góc 30 được đặt trên một
mặt sàn nhẵn nằm ngang. Trên mặt AB của nêm có đặt hai vật có khối lượng m1= 4kg và
m2= 2kg nối với nhau bằng một sợi dây mảnh ko dãn vắt qua một ròng rọc nhỏ, gắn vào đỉnh
A của nêm. Bỏ qua khối lượng của ròng rọc và coi mọi ma sát là không đáng kể. Biết nêm có
thể chuyển động trên mặt sàn.Tính gia tốc của hai vật đối với nêm và gia tốc của nêm đối với
mặt sàn. Lấy g 10 m s 2 .
Bài giải
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Hai vật m1 và m2 cùng nằm trên một mặt phẳng nghiêng và
được nối với nhau bằng một sợi dây mảnh không dãn vắt qua một ròng rọc nhỏ được gắn ở
đỉnh nêm.
Các lực tác dụng lên từng vật:
Vật m1: Trọng lực P1 , phản lực vuông góc N 1 ,
lực căng dây T1 .
Vật m2: Trọng lực P2 , phản lực vuông góc N 2 ,
lực căng dây T2 .
Bỏ qua khối lượng và ma sát của ròng rọc nên lực căng tác dụng lên hai vật bằng nhau.
Vì m1>m2 nên khi thả vật, m1 sẽ đi xuống và m2 sẽ đi lên.
Các lực có chiều như hình vẽ.
Kí hiệu a và a1 là vecto gia tốc của vật đối với nêm và của nêm đối với mặt sàn.
Bước 2: Áp dụng định luật II cho hai vật và cho nêm, ta có các phương trình động lực học
dạng vecto như sau:
P1 N 1 T1 m1 (a a1 ) (1)
P2 N 2 T2 m 2 ( a a1 ) (2)
P N 1 N 2 T1 T2 N Ma1 (3)
Bước 3: Ta có : T1 T2 T
Chiếu (1) lên trục Ox, ta được:
N 1 sin T1 cos m1 (a cos a1 )
N 1 sin T cos m1 (a cos a1 ) (4)
16 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Chiếu (1) lên Oy, ta được:
m1 g N 1 cos T1 sin m1 a sin
m1 g N 1 cos T sin m1 a sin (5)
Chiếu (2) lên Ox, ta được:
N 2 sin T2 cos m 2 (a cos a1 )
N 2 sin T cos m 2 ( a cos a1 ) (6)
Chiếu (2) lên Oy, ta được:
m 2 g N 2 cos T2 sin m 2 a sin
m 2 g N 2 cos T sin m 2 a sin (7)
Chiếu (3) lên trục Ox, ta được:
T1 cos T2 cos N 1 sin N 2 sin Ma1
2T cos N 1 sin N 2 sin Ma1 (8)
Bước 4: Giải hệ phương trình (4), (5), (6), (7), (8), ta suy ra:
(m1 m 2 )a cos
a1 (9)
M m1 m 2
(m1 m 2 )(M m1 m 2 ) g . sin
a
(m1 m 2 ) M (m1 m 2 ) 2 sin 2 4m1 m 2 . cos 2
(4 2)(4,5 4 2).10. sin 30
1,75 m s 2
(4 2).4,5 (4 2) 2 . sin 2 30 4.4.2. cos 2 30
(m1 m 2 ) 2 g sin . cos
a1
(m1 m 2 ) M (m1 m 2 ) 2 sin 2 4m1 m 2 . cos 2
(4 2) 2 .10. sin 30. cos 30
2 2 2
0,29 m s 2
(4 2).4,5 (4 2) . sin 30 4.4.2. cos 30
Bước 5: Ta thấy a1
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Bài giải
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Vật A đặt sát tường và kê trên vật B nằm trên mặt sàn nằm
ngang.
Các lực tác dụng lên từng vật: y
Vật A: Trọng lực P1 (đặt tai G1), phản lực vuông góc N1
N 1 , lực ma sát F1 của tường ( F1 hướng lên trên), phản lực A
vuông góc Q1 (vì bỏ qua ma sát của vật B)
Vật B: Trọng lực P2 (đặt tai G2), phản lực vuông góc B
N 2 , lực ma sát F2 của sàn ( F2 hướng sang phải), phản lực
vuông góc Q 2 của vật A (Q2=Q1).
Các vật có chiều như hình vẽ.
F1 x
Bước 2: Viết các phương trình động lực học dạng vecto
Vật A: P1 N 1 F1 Q1 0 (1)
Vật B: P2 N 2 F2 Q 2 0 (2)
Bước 3: Ta có: Q1=Q2=Q
F1 kN 1
F2 kN 2
Chiếu (1) lên Oy, ta được:
P1 F1 Q1 cos 30 0 m1 g F1 Q cos 30 0 (3)
Chiếu (1) lên Ox, ta được:
N 1 Q1 sin 30 0 N 1 Q sin 30 0 (4)
Chiếu (2) lên Oy, ta được:
P2 N 2 Q2 cos 30 0 m 2 g N 2 Q cos 30 0 (5)
Chiếu (2) lên Ox, ta được:
Q 2 sin 30 F2 0 Q sin 30 F2 kN 2 (6)
Bước 4: Từ các phương trình (3), (4), (5), (6), thay số vào ta rút ra:
k 2 3, 464k 1 0
Ta lấy nghiệm dương k = 0,267.
Từ đó, suy ra: N 2 1,869Q2 1,869Q1
Q1 P1 50 N
Q
N 1 1 25 N
2
N 2 93,5 N
Bước 5: Kiểm tra thứ nguyên, các công thức, kết quả ta thấy hoàn toàn phù hợp. Bài toán
cho hằng số, kết quả không có gì đặc biệt nên không cần phải chứng minh.
18 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Bài 8: Một hệ gồm ba vật khối lượng m1, m2, m3 treo trên hai ròng
rọc bằng các sợi dây không co dãn như ở hình bên. Giả sử khối
lượng của các ròng rọc và các sợi dây không đáng kể. Bỏ qua ma sát
giữa dây và ròng rọc. Hãy xác định gia tốc của mỗi vật và lực căng
của các sợi dây.
Bài giải
Bước 1: Hiện tượng cơ học: Ba vật 1, 2 và 3 treo trên hai ròng rọc
bằng các sợi dây không dãn
Các lực tác dụng lên từng vật:
Vật 1: Trọng lực P1 , lực căng T1 .
Vật 2: Trọng lực P2 , lực căng T3 .
Vật 3: Trọng lực P3 , lực căng T3 .
Các vật có chiều chuyển động như hình vẽ:
Chọn chiều dương của trục Ox hướng xuống như hình vẽ. Gốc tọa độ (vị trí O) được chọ là
ròng rọc thứ nhất vì vị trí đó khong thay đổi theo thời gian. Vị trí của m1 là x1, của m2 là x2,
của m3 là x3, của ròng rọc thứ hai là x0.
Bước 2: Các phương trình động lực học dạng vecto:
m1 a1 P1 T1 (1)
m 2 a 2 P2 T2 (2)
m3 a 3 P3 T3 (3)
Bước 3: Chiếu lần lượt các phương trình (1), (2), (3) lên Ox, ta được:
m1 a1 P1 T1 m1 a1 m1 g T1 (4)
m 2 a 2 P2 T2 m 2 a 2 m 2 g T2 (5)
m3 a 3 P3 T3 m 3 a 3 m 3 g T3 (6)
Do ròng rọc không có khối lượng và dây khong dãn nên dễ dàng suy ra rằng:
T2 T3 (7)
T1 T2 T3 (8)
Ta có 6 ẩn số a1, a2, a3, T1, T2, T3, mà mới có 5 phương trình, vì vậy ta cần tìm thêm mọt
phương trình nữa. Ta thấy rằng: do các vật bị nối với nhau qua một sợi dây nên chuyển động
của chúng có sự ràng buộc lẫn nhau, hay có thể nói giữa các gia tốc của chúng có mối quan
hệ với nhau. Ta sẽ tìm mối quan hệ đó.
Gọi r là bán kính của ròng rọc. Do các sợi dây l1 và l2 không giãn nên ta có các phương trình
biểu diễn độ dài của các sợi dây như sau:
x1 x 0 r l1 (9)
( x 2 x 0 ) ( x3 x 0 ) r l 2 (10)
Lấy phương trình (9) nhân 2 rồi cộng với phương trình (10), ta được:
2 x1 x 2 x3 3 r 2l1 l 2
Lấy đạo hàm hai lần theo thời gian phương trình trên (với các hằng só r, l1, l2), ta được:
d 2 x1 d 2 x2 d 2 x3
2 0 hay 2a1 a 2 a 3 0 (11)
dt 2 dt 2 dt 2
19 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
- Chuyên đề: Phương pháp Động lực học
Bước 4: Lấy (4) trừ (5) và (6), ta được :
m 1 a 1 - m 2 a 2 - m 3 a 3 (m 1 - m 2 - m 3 )g (12)
Lấy (5) trừ (6), ta được:
m 2 a 2 m 3 a 3 (m 2 m 3 ) g (13)
Giải hệ ba phương trình (11), (12), (13), ta tìm được :
(m1 m 3 3m1 m 2 4m 2 m 3 ) g
a3 (14)
4m 2 m 3 m1 (m 2 m 3 )
Thay (14) vào (13) ta tìm được :
(m1m2 3m1m3 4m2 m3 ) g
a2 (15)
4m2 m3 m1 (m2 m3 )
Thay (15) và (14) vào (11) ta tìm được :
(m1 m 2 m1 m 3 4m 2 m3 ) g
a1 (16)
4m 2 m 3 m1 (m 2 m3 )
Thay (16) vào (4) ta tìm được lực căng :
8m1 m 2 m3 g
T1
4m 2 m 3 m1 (m 2 m 3 )
Từ (7) và (8), suy ra:
4m1 m 2 m3 g
T 2 T3
4m 2 m3 m1 (m 2 m 3 )
Bước 5: Nếu m1=m2+m3 và m2=m3 thì a1=a2=a3=0 hệ vật sẽ đứng yên. Kiểm tra lại các
thứ nguyên, các công thức ta thấy kết quả hoàn toàn phù hợp.
Bài 9: Cho hệ vật gồm hai vật 1 và 2 có khối lượng lần lượt là m1 và m2 đặt trên mặt nằm
ngang không ma sát như hình vẽ. Hệ số ma sát giữa hai vật là k. Tác dụng lực F=bt vào vật 1
theo phương ngang. Trong suốt quá trình, vật 1 luôn ở trên vật 2. Tính thời điểm t0 mà từ đó
vật 1 bắt đầu trượt trên vật 2.
F bt
1
2
Bài giải
Kí hiệu lực ma sát tác dụng lên vật 1 và 2 lần lượt là F1 và F2 . Ta không quan tâm
đến trọng lực của các vật và phản lực theo phương thẳng đứng, vì chúng vuông góc với
phương chuyển động của hệ, nên ta không vẽ lên hình.
Bước 1: Trước trước điểm t0, hai vật dính liền nhau cùng chuyển động.
Sau thời diểm t0, vật 1 trượt trên vật 2. vì F2 đã cực đại tai t0, nên sau thời điểm t0, F2
không tăng được nữa. Trong khi đó lực tác dụng lên vật 1 là F=bt tiếp tục tăng.
20 Sinh viên: Huỳnh Thị Tám
Lớp: Lý 1B
nguon tai.lieu . vn