Chương III. Động lực học

Bài 17. Trọng lực và lực căng

Tìm hiểu về trọng lực, trọng lượng, đặc điểm của trọng lực và lực căng dây.

🟡 Trung bình 45 phút

Lý thuyết Trọng lực và Lực căng

1 1. Trọng lực

Định nghĩa: Trọng lực là lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên vật, gây ra gia tốc rơi tự do.

Đặc điểm:

Phương: Thẳng đứng
Chiều: Từ trên xuống (hướng về tâm Trái Đất)
Điểm đặt: Trọng tâm của vật

Công thức:

$$\vec{P} = m\vec{g}$$

Trong đó:

P: trọng lượng (N)
m: khối lượng (kg)
g: gia tốc rơi tự do (m/s²)

Lưu ý: Gia tốc g phụ thuộc vào vĩ độ và độ cao. Ở gần mặt đất, g ≈ 9,8 m/s² (thường lấy 10 m/s²)

2 2. Trọng lượng

Định nghĩa: Trọng lượng của vật là độ lớn của trọng lực tác dụng lên vật.

Công thức:

P = mg

Đo trọng lượng: Dùng lực kế hoặc cân lò xo

Chú ý: Trọng lượng thay đổi theo vị trí (g thay đổi), khối lượng không đổi.

Ví dụ: Một người nặng 60kg có trọng lượng P = 60.9,8 = 588N trên Trái Đất, nhưng chỉ có P ≈ 100N trên Mặt Trăng (g ≈ 1,6 m/s²).

3 3. Lực căng dây

Định nghĩa: Lực căng là lực do dây (sợi dây, sợi cáp...) tác dụng lên vật khi dây bị kéo căng.

Đặc điểm:

Phương: Trùng với dây
Chiều: Hướng vào dây (kéo vật về phía điểm treo)
Điểm đặt: Vật được treo

Ký hiệu: T hoặc $\vec{T}$

Dây có khối lượng không đáng kể: Lực căng tại mọi điểm trên dây có cùng độ lớn.

4 4. Vật treo và vật kéo

Vật treo (dây thẳng đứng):

Vật đứng yên: T = P = mg
Vật chuyển động lên trên: T > P (T = P + ma)
Vật chuyển động xuống: T < P (T = P - ma)

Vật treo qua ròng rọc:

Ròng rọc động: T = P/2
Ròng rọc cố định: T = P

Các dạng bài tập

1 Dạng 1: Tính trọng lượng và trọng lực

Phương pháp giải

Phương pháp giải:

Sử dụng công thức P = mg
Chú ý đơn vị và giá trị g tại nơi làm bài

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1

Ví dụ 1: Một vật có khối lượng 5kg. Tính trọng lượng trên Trái Đất (g = 9,8 m/s²).

GIẢI

Giải:

P = mg = 5 × 9,8 = 49 N

VÍ DỤ 2

Ví dụ 2: Một phi hành gia có trọng lượng 800N trên Trái Đất. Tính trọng lượng của phi hành gia đó trên Mặt Trăng (g = 1,6 m/s²).

GIẢI

Giải:

Khối lượng: m = P/g = 800/9,8 ≈ 81,6 kg

Trọng lượng trên Mặt Trăng: P' = m × 1,6 ≈ 81,6 × 1,6 ≈ 130,6 N

2 Dạng 2: Bài toán về vật treo

Phương pháp giải

Phương pháp giải:

Vẽ hình, phân tích các lực
Áp dụng điều kiện cân bằng: T + P = 0
Tính T = P khi vật đứng yên

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1

Ví dụ 1: Vật nặng 10kg treo vào dây như hình vẽ. Tính lực căng dây (g = 10 m/s²).

GIẢI

Giải:

Vật đứng yên nên: T = P = mg = 10 × 10 = 100 N

VÍ DỤ 2

Ví dụ 2: Một vật khối lượng 2kg được kéo lên cao với gia tốc 2 m/s². Tính lực căng dây (g = 10 m/s²).

GIẢI

Giải:

Áp dụng Fhl = ma: T - P = ma → T = P + ma = m(g + a) = 2(10 + 2) = 24 N

3 Dạng 3: Bài toán thực tế

Phương pháp giải

Phương pháp giải:

Đọc đề, xác định vật và các lực
Áp dụng công thức phù hợp

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1

Ví dụ 1 (Thực tế): Tại sao người nhảy dù có thể bay lơ lửng trước khi rơi?

GIẢI

Giải:

Khi dù chưa mở, người rơi tự do với gia tốc g. Khi dù mở, lực cản không khí tác dụng lên dù cân bằng với trọng lực, người chuyển động với tốc độ không đổi (gia tốc ≈ 0).

VÍ DỤ 2

Ví dụ 2 (Thực tế): Một thang máy có khối lượng 500kg. Tính lực căng cáp khi thang máy: a) Đứng yên; b) Lên đều với a = 1 m/s²; c) Lên nhanh dần với a = 2 m/s².

GIẢI

Giải:

P = mg = 500 × 10 = 5000 N

a) Đứng yên (a = 0): T = P = 5000 N

b) Lên đều (a = 1): T = P + ma = 5000 + 500×1 = 5500 N

c) Lên nhanh (a = 2): T = P + ma = 5000 + 500×2 = 6000 N